Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0017

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0017
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка комплексного (биотехнологического и нанокаталитического) процесса переработки лигноцеллюлозной биомассы (солома/ древесные отходы) в топлива и востребованные химические вещества
Докладчик
Таран Оксана Павловна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
Постепенное истощение запасов высококачественных ископаемых углеводородов и увеличение в последние десятилетия мирового энергопотребления вызывают необходимость развития энерго-, природо- и ресурсосберегающих каталитических и биологических технологий, использующих в качестве сырья практически неисчерпаемую сырьевую базу – возобновимую растительную биомассу – для производства востребованных химических веществ, материалов и биотоплив. В последнее время огромные усилия исследователей всего мира направлены на развитие таких технологий.
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 набора востребованных в химической, нефтехимической, топливной и других отраслях промышленности продуктов (глюкоза, ксилоза, 5-гидроксиметилфурфурола, изобутанол, этанол, ароматика). 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.
Описание исследования

Задачи проекта.

1. Разработка эффективных методов мехактивации лигноцеллюлозной биомассы с использованием вихревых технологий, применением ферментов лакказ, а также и термо-ультразвуковой предобработки.

2. Разработка новых одностадийных каталитических методов переработки холоцеллюлозы на твердых катализаторах в химические вещества (моносахариды и 5-ГМФ) и разделения продуктов реакции.

3. Разработка новых ферментов гликозилгидролаз для эффективного гидролиза биомассы для получения моносахаридов высокой чистоты (С5 и С6), и последующей их ко-ферментации в этанол и изобутанол.

4. Разработка новых рекомбинантных штаммов термотолерантных дрожжей для производства изобутанола с низкой чувствительностью к ингибиторам ферментации.

5. Развитие комбинированных методов для производства ароматических веществ путем ферментативной деполимеризации лигнина, а также каталитической переэтерификации с использованием биокатализаторов и твердых катализаторов.

 

В качестве исходного растительного сырья в настоящем проекте использованы актуальные возобновимые ресурсы: биомасса березы – для Западной Сибири; биомасса кукурузных кочерыжек – для Индии.

 

Решение поставленных задач осуществляется с использованием следующих методов и подходов.

Механическая активация биомассы древесины березы проводилась с использованием оригинального комбинированного подхода, включающего вихревые и планетарные методы. Для этого спроектирован и построен блок активации (ИК СО РАН). Ультразвуковая обработка в сочетании с термической обработкой биомассы применялась индийским партнером. Индийским партнером проведены работы по ферментативной делигнификации биомассы с получением полисахаридного комплекса (холоцеллюлозы) и растворимого лигнина с использованием термофильных лакказ.

Для одностадийной переработки холоцеллюлозы в моносахариды (глюкозу и ксилозу) и 5-ГМФ разработаны в ИК СО РАН твердые кислотные углеродные и оксидные катализаторы. Применение твердых катализаторов позволит сократить затраты на процесс гидролиза, а также получать 5-ГМФ (кроме сахаров) с выходом не менее 20%. Спроектирован и изготовлен блок каталитической переработки.

Разделение продуктов полученных на стадии одностадийного каталитического процесса проведено стандартными методами (экстракция 5-ГМФ, перегонка, перекристаллизация) с использованием растворителей (изобутанол и этанол), получаемых на других стадиях процесса.

Индийским партером проведены работы по ферментативному осахариванию биомассы, для чего использованы продуценты ферментов с высокой реакционной способностью, выделенные из термофильных микроорганизмов горячих источников Индии. Сконструированы химерные белки, сочетающие ксиланазную и целлюллазную активности.

Для получения ценных химических веществ из сахаров (глюкозы и ксилозы) разработаны новые продуценты этанола и изобутанола на основе термофильных дрожжей. Применение термофильных дрожжей позволяет значительно снизить затраты на охлаждение биореакторов, а также эффективно коферментировать С5 и С6 сахара. Проведен скрининг в микрообъемах и адаптация (путем мутагенеза и селекции) культур на устойчивость к ингибитору ферментации (5-ГМФ), отобраны наиболее устойчивые штаммы. Затем получены ауксотрофные мутанты и разработаны генетические конструкции, обеспечивающей экспрессии в дрожжевых клетках генов, находящихся под контролем промотеров и отвечающих за синтез изобутанола. Разработаны методики трансформации, получены устойчивые трансформанты. Определены оптимальные параметры ферментации в различных режимах

Лигнин, полученный ферментативной делигнификацией биомассы, переработан в ценные продукты (ароматику) путем переэтерефикации и гидрогенолиза на твердых катализаторах в растворе этанола.

На заключительной стадии проекта будут проведены оценка полноты решения задач; эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем, разработка рекомендаций по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Результаты исследования
  • Разработан новый метод активации биомассы с использованием ударно-вихревых технологий. Разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию лабораторный стенд по переработке ЛЦ-биомассы.
  • Разработаны методики синтеза твердых кислотных катализаторов, на основе углеродного материала Сибунит-4 и мезопористого оксида циркония промотированного ниобием, для гидротермального гидролиза-дегидратации холлоцеллюлозы (целлюлозы и гемицеллюлоз) в ценные химические соединения фуранового ряда (5-гидроксиметилфурфурол, фурфурол) и моносахариды. Установлена высокая стабильность катализаторов в гидротермальных условиях. Обнаружена возможность получения 5-гидроксиметилфурфурола прямо из целлюлозы на твердых катализаторов с высоким выходом 20%.
  • Разработаны Ru-содержащие катализаторы на основе Сибунита, позволяющие получать из органосольвентного лигнина ароматические мономеры с высоким выходов (выше 50%).
  • Получено свыше 20 штаммов продуцирующих ферменты гликозил гидролазы, на средах, содержащих помолы лигноцеллюлозной биомассы (совместно со специалистами из Индии). Наиболее перспективными являются представители Bacillus licheniformis, обладающих целлюлазной активностью при 55-65ºС.
  •  
  • Выделены и охарактеризованы 12 штаммов термофильных дрожжей (относящихся к Kluyveromyces marxianus, Hansenula polymorpha, Clavispora lusitaniae, Pichia kudriavzevii). Скрининг чувствительности к ингибиторам ферментации (5-ГМФ, фурфурол, органические кислоты, этанол) показал, что штаммы Kluyveromyces marxianus С1 и Hansenula polymorpha CBS4732 обладают высокой устойчивостью к 5-ГМФ.
  • Получены новые штаммы термотолерантных дрожжей (на основе H.polymorpha), продуцирующих изобутанол. В целом, достигнутые показатели по продукции изобутанола соответствуют аналогичным показателям для других штаммов.
  • В ходе работы впервые показана возможность комплексной каталитической  переработки целлюлозы в 5-ГМФ с последующим сбраживанием оставшейся глюкозы в этанол с использованием дрожжей H. Polymorpha.
  • Иностранный партнер.
  • Предложены методы активации биомассы путем ультразвуковой обработки и обработки водяным паром, а также ферментативной делигнификации. Ферментативная обработка с помощью лакказ (по данным ИК-спектроскопии и ГХ-МС) позволяет достичь высокой степени деполимеризации лигнина. Выделены и охарактеризованы термофильные бактерии из термальных источников (свыше 50 °С) обладающие гидрозилгидролазной активностью (38 уникальных изолятов). Идентификация бактерий по 16s рРНК и рестрикционный анализ фрагментов показали, что изоляты генетически связаны.

 

Полученные результаты сопоставимы с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, а по разделам активации биомассы, разработки твердых катализаторов для одностадийного процесса гидролиза-дегидратации холоцеллюлозы и процесса деполимеризации органосольвентного лигнина, получения этанола на гидролизатах целлюлозы с использованием дрожжей H. polymorpha, а также ферментативной биоделигнификации существенно превосходят аналогичные работы.

 

Практическая значимость исследования
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.

Следующие результаты ПНИ являются перспективами для отдельной коммерциализации и самостоятельного практического использования:
- ударно-вихревой метод механической активации биомассы и стенд для его осуществления;
- твердые кислотные катализаторы и процесс одностадийного получения 5-ГМФ из целлюлозы. 5-ГМФ является одним наиболее перспективных исходных соединения для производства большого числа химических продуктов и моторных топлив, а его стоимость в настоящий момент составляет от 100 до 1000$;
- термофильные штаммы-продуценты изобутанола из гидролизатов целлюлозы и ксилана.

Выполнение ПНИ будет способствовать:
- расширению сырьевой базы для отечественной химической и нефтеперерабатывающей промышленности за счет вовлечения в переработку дешевого возобновляемого растительного сырья;
- снижение материало- и энергоемкости производства на существующих гидролизных предприятиях;
- реализации энергетической стратегии России на период до 2030 года;