Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплексного (биотехнологического и нанокаталитического) процесса переработки лигноцеллюлозной биомассы (солома/ древесные отходы) в топлива и востребованные химические вещества

Номер контракта: 14.613.21.0017

Руководитель: Пармон Валентин Николаевич

Должность руководителя: Директор

Докладчик: Таран Оксана Павловна, Ведущий научный сотрудник

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
биомасса, биокатализ, катализ, метаболическая инженерия, генетическая инженерия, биотопливо, крупнотоннажная химия

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблем: вовлечения ресурсов возобновляемой растительной биомассы в качестве сырья в промышленное (ТЭК, химической, фармацевтической) производство; создания новых востребованных местными и международными рынками продуктов из возобновляемого растительного сырья; разработки процессов получения этих продуктов; а также объединения компетенций и ресурсов российских и индийских партнеров для создания энергосберегающего и экологически чистого интегрированного процесса переработки биомассы в ценные вещества. Целью реализуемого проекта является разработка научных основ экологически чистого и энергоэффективного интегрированного био-каталитического процесса переработки местных источников лигноцеллюлозной биомассы (сельскохозяйственных/древесных отходов) в продукты (топлива и компоненты топлив, сырье для химии и нефтехимии, а также растворители), востребованные в ТЭК, полимерной и химической промышленности РФ и Индии.

Основные планируемые результаты проекта:
На первом этапе будут проведен анализ литературы и патентов, позволяющие выбрать направление исследований и оценить перспективность выбранного подхода с точки зрения защиты интеллектуальной собственности.
Результаты, полученные в ходе проведения исследований по мехактивации позволят выбрать и отработать оптимальные методы активации ЛЦ биомассы разных типов (отходы древесины и солома), позволяющие не только измельчение, но и разрушение кристаллической структуры биомассы, позволяющее в несколько раз увеличить реакционноспособность ЛЦ биомассы. Для выполнения этой задачи будет разработан лабораторный стенд оснащенный модулем измельчения и активацию, а также техническая документация к стенду. Использование вихревых технологий разработанных в ИК СО РАН совместно с Институтом теплофизики СО РАН (Кузьмин, Пармон и др., 2005) позволят существенно интенсифицировать процесс измельчения и активации биомассы по сравнению с существующими в мире процессами. Исследования, проведенные совместно с Индийским партнером на данном этапе, позволят провести оценку эффективности применения различных видов активации (мехактивации в вихревой и планетарной мельницах, активация ультразвуком, химическая активация).
В последствии полученные на первом этапе образцы буду исследованы методами оптической и сканирующей электронной спектроскопии на дисперсность, а также методом рентгенофазового анализа будет изучена их кристаллическая структура, что позволит оценить степень измельчения и мехактивации. Кроме того, будут получены данные по био-делигнификации образцов биомассы с использованием оригинальных феремнтов лакказ, разработанных Индийскими специалистами (будут получены в Индии совместно с участниками проекта из России). Применение как механактивации, так и биолигнификации позволит значительно снизить количество отходов (по сравнению с традиционным кислотным гидролизом), снизить энергопотребление процесса (за счет использования более мягких условий процесса) и увеличить последующий выход сахаров за счет активации биомассы.
Полученные после делигнификации продукты (лигнин и образцы холоцеллюлозы) с использованием катализаторов будут переработаны в ценные продукты (сахара, фенолы и их производные), являющиеся предшественниками в синтезе высокоценных веществ.
Катализаторы Кат-1 (Громов, Таран, Пармон и др., 2014) и Кат-2, являются, соответственно, углеродными и оксидными мезо- и макропористыми материалами, разработанными в ИК СО РАН. Применение катализаторов Kaт-1 позволит переработать в одну стадию холоцеллюлозу в глюкозу и ксилозу с высоким выходом (40%), а также ценный продукт 5-гидроксиметилфурфурол (20%), что сравнимо и превышает (по 5-ГМФ) выходы по сравнению с описанными в литературе каталитическими процессами на твердых катализаторах. Особенно необходимо подчеркнуть высокие выходы по 5-ГМФ, который в настоящее время получают двух-трехстадийными процессами с использованием органических растворителей. Применение одностадийного процесса и твердых катализаторов вместо коррозионно активных растворимых минеральных кислот позволит уменьшить материалоемкость, энергозатратность и трудоемкость, а также повысить экологичность технологии получения 5-ГМФ. Данная стадия по окончании проекта будет готова реализации пилотного проекта.
Параллельно проведенные вместе с индийскими специалистами исследования биоразнообразия штаммов, выделенных в РФ, позволят определить круг продуцентов, перспективных в качестве источников гликозилгидролаз. Полученные продуценты будут исследованы в Индии с использованием протеомных методов, а на основе наилучших вариантов ферментов будут разработаны новые продуценты карбогиродаз.
Для ферментации С5 и С6 сахаров будут разработаны штаммы термофильных дрожжей, осуществляющих продукцию изобутанола. Штаммы будут обладать устойчивостью к 5-гидроксиметилфуролу, что позволит использовать для их ферментации сырье, полученное при каталитическом гидролизе холоцелюлозы, с низкой степенью очистки. Использование данных продуцентов позволит улучшить технологические параметры процесса, выражающееся в снижении энергозатрат на охлаждение, снижение вязкости культуральной жидкости и др. Стоит отметить, что термофильные дрожжи ранее не использовались для продукции изобутанола, а работы на мезофильных дрожжах начаты в мире в последние 2 года. Специалисты из России также примут участие в совместных экспериментах в Индии на пилотной установке по культивированию и гидролизу сахаров.
Для переработки лигнина будут выбраны наиболее перспективные, из изученных (кислотный, основный, ферментативный гидролиз, их комбинация и/или каталитическая переэтерификация) процессы, позволяющие получать максимальные выходы ценных ароматических соединений и высокоактановых добавок с минимальными затратами и максимальной энергоэффективностью.

Таким образом, полученные в ходе выполнения проектов результаты позволят:
- Разработать основы интегированного био- и нанокаталитической процесс переработки биомассы в ценные вещества, отличающегося экологической чистотой и сниженным энергопотреблением.
- Опубликовать результаты в высокорейтинговых журналах.
- Осуществить обмен опытом в различных областях и повысить квалификацию молодых кадров.
- Разработать рекомендации по реализации результатов работ в реальном секторе.
- Провести патентование результатов работ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, который будет создан с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, будет является разработка научных основ экологически чистого и энергоэффективного интегрированного био-каталитического процесса переработки местных источников лигноцеллюлозной биомассы (сельскохозяйственных/древесных отходов) в продукты (топлива и компоненты топлив, сырье для химии и нефтехимии, а также растворители), востребованные в ТЭК, полимерной и химической промышленности. Таким образом, будет разработан пакет научно-технической документации (научно-технические отчеты, статьи, патенты) и получен объем научных знаний достаточные для начала ОКР направленных на решение проблем: вовлечения ресурсов возобновляемой растительной биомассы в качестве сырья в промышленное (ТЭК, химической, фармацевтической) производство; создания новых востребованных местными и международными рынками продуктов из возобновляемого растительного сырья; разработки процессов получения этих продуктов; а также объединения компетенций и ресурсов российских и индийских партнеров для создания энергосберегающего и экологически чистого интегрированного процесса переработки биомассы в ценные вещества.
Основная новизна использованного в проекте подхода состоит в концепции комплексной переработки отходов ЛЦ-биомассы объединяющей новейшие механические, нанокаталитические и биотехнологические методы, основанные на разработках авторов проекта, для получения целого на-бора востребованных в химической, нефтехимической, топливной и других отраслях промышленности продуктов (глюкоза, ксилоза, 5-гидроксиметилфурфурола, изобутанол, этанол алкиларильные эфиры). Комплексный подход к переработке ЛЦ-биомассы позволит повысить экономическую эффективность процесса в целом благодаря: использованию продуктов одних процессов в качестве субстратов и реагентов в других; упрощения процессов за счет стадий выделения продуктов, уменьшения логистических затрат и т.д.
Кроме того, новыми являются следующие научно-технологические решения:
– использование вихревых технологий, которые позволяют существенно интенсифицировать процесс измельчения и активации биомассы;
– твердые мезопористые углеродные и оксидные кислотные катализаторы одностадийного (one-pot) процесса гидролиза-дегиратации полисахаридов позволяющие получать производных фу-рана в одну стадию без промежуточного выделения сахаров;
– оригинальные ферменты лакказы использованные индийским партнером для ферментативной деполимеризации лигнина;
– ранее не исследованные 38 изолятов термофильных грамположительных бактерий, растущих при температурах свыше 50 °С и обладающих гидрозилгидролазной активностью.

Полученные результаты сопоставимы с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, а по разделам активации биомассы, разработки твердых катализаторов для одно-стадийного процесса гидролиза-дегидратации холоцеллюлозы, а также ферментативной биоделигнификации существенно превосходят аналогичные работы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные в ходе выполнения проекта научные и научно-технические результаты станут основой для проведения НИОКР и создания комплексной биокаталитической технологии переработки лигноцеллюлозной биомассы (древесных и сельскохозяйственных отходов) в топлива и компоненты топлив, сырье для химической промышленности и растворители.
2. В числе практических результатов применения работы выполненной на 1-2 этапах можно назвать:
лабораторный стенд, состоящий из блоков: для измельчения и механактивации биомассы; каталитической переработки и аналитического, который может быть масштабирован в пилотном варианте как полностью, так и по отдельным блокам;
твердые катализаторы для одностадийного процесса гидролиза-дегидратации холоцеллюлозы, которые могут применяться на существующих гидролизных производствах;
уникальные изоляты термофольных микроорганизмов, которые обладающих высокой целлюлазной и ксиланазной активностью и могут быть использованы в процессах осахаривания биомассы местных сельскохозяйственных отходов и реализованы на пилотной установке индийского партнера.
3. В числе ожидаемых тенденций влияния от внедрений полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; а также изменение структуры производства товаров в соответствующих секторах рынка народно-хозяйственного работы можно назвать следующее:
В лесном и сельском хозяйстве – создание новых переделов продукции (отходов сельскохозяйственного производства, древесной биомассы);
в гидролизной и целлюлозно-бумажной отраслях промышленности – внедрение новых экологически чистых технологий на профильных предприятиях вместо устаревших. Создание новых технологий производства химических веществ из биомассы;
в микробиологической промышленности – производство новой продукции (ферментов глико-зилгидролаз) предназначенной для переработки локальных источников сырья;
в химической промышленности – расширение спектра продукции, получение новых продуктов с удешевленным производством, повышение доли использования возобновляемых ресурсов;
в ТЭК – увеличение производства альтернативных моторных топлив из возобновляемых ресурсов, ориентация на непищевые источники сырья.
В числе ожидаемых социально-экономических и др. эффектов от использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов следует отметить:
снижение материало- и энергоемкости производства на существующих гидролизных предприятиях;
создание новых рабочих мест на новых предприятиях по комплексной переработке лигноцеллюлозной биомассы;
уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду отходов растениеводства, лесопереработки и целлюлозно-бумажного производства.
4. О значительных перспективах влияния полученных результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества свидетельствует тот факт, что публикация Индийских коллег на сайте Тамилнадского аграрного университета о встрече проведенной в рамках проекта была тиражирована в сети интернет несколько сотен раз. Эта информация была использована зарубежными коллегами, в частности из КНР, для установления контактов с российскими участниками проекта.


Текущие результаты проекта:
Разработан новый перспективный метод активации биомассы с использованием вихревых технологий. Разработан лабораторный стенд по переработке ЛЦ-биомассы. Изготовлены и запущены в эксплуатацию блоки: измельчения-активации, и аналитический лабораторного стенда.
Разработаны новые уникальные методики синтеза твердых кислотных катализаторов, на основе углеродного материала Сибунит-4 и мезопористого оксида циркония промотированного ниобием, для процесса гидротермального гидролиза-дегидратации холлоцеллюлозы и ее компонентов (целлюлозы и гемицеллюлоз) в ценные химические соединения фуранового ряда (5-гидроксиметилфурфурол, фурфурол), моносахариды и др. Разработаны регламенты приготовления катализаторов. Наработаны образцы катализаторов, необходимых для выполнения каталитических экспериментов на лабораторном стенде переработки ЛЦ-биомассы на последующих этапах ПНИ. Морфология, структура и химический состав катализаторов исследованы комплексом физико-химических методов. Установлена высокая степень стабильности углеродных и оксидных катализа-торов и в гидротермальных условиях при 190 ºС.
Иностранным партнером проведены исследования по активации биомассы путем ультразвуковой обработки и обработки горячей водой, а также ферментативной делигнификации. Подготовлены и переданы российскому партнеру образцы отходов кукурузного производства, активированные исследуемыми способами, образцы холоцеллюлозы и лигнина, полученные из биомассы кукурузной соломы и березы методом ферментативной делигнификации. Исследование образцов лигнина до и после ферментативной обработки методами ИК-спектроскопии и ГХ-МС показало, ферментативная обработка с помощью лакказ позволяет достичь высокой степени их деполимеризации и получить широкий ряд ценных востребованных соединений (фенол, ацетофенон, бензальдегид и т.д.).
Проведены исследования по выделению генов, кодирующих гликозил гидролазы из термофильных микроорганизмов. Выделены и охарактеризованы термофильные бактерии из трех тер-мальных источников растущие при температурах свыше 50 °С и обладающие гидрозилгидролазной активностью (всего 38 уникальных изолятов). Проведена идентификация бактерий по последовательности 16s рРНК и рестрикционный анализ фрагментов, показавший что изоляты генетически тесно связаны друг с другом. Проведены работы по метагеномному анализу образцов ДНК, полученных из термального источника Калаф.
Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту.