Биоконверсия целлюлозосодержащих фракций упаковочных материалов в простые сахара

Поиск дешевого сырья для ферментативного получения простых сахаров является одной из основных проблем при планировании крупнотоннажного производства. Некоторые целлюлозосодержащие бытовые отходы, переработка которых затруднена, могут быть использованы в качестве сырья. Источником целлюлозы могут стать упаковочные материалы из серии EloPak, TetraPak, PurePak. Для их производства используется бумажная масса, прошедшая достаточно глубокую химическую переработку, следовательно, лигнин как один из основных факторов снижения производительности ферментативного получения сахаров в значительной степени удален. Однако композитная структура упаковок создает дополнительные трудности биоконверсии целлюлозосодержащих фракций [1].

Для выделения целлюлозы из упаковок, включающих алюминий и полиэтилен, наиболее часто применяют механический размол [2, 3]. Выделенные таким образом целлюлозные волокна могут быть применены в качестве различных композитов, однако требуют дополнительной переработки. В работе [4] для наилучшего разделения компонентов упаковок применяется алкилбензолы или ионные жидкости. При этом требовалась регенерация растворителей. Интенсивное гидропульпирование в соче- тании с селективным растворение также эффективно, но может быть энергозатратным и также требует регенерации растворителей [5]. Таким образом, в зависимости от дальнейшего использования, требуется экономически обоснованный подбор технологии переработки упаковок.

Цель работы – оценка возможности переработки целлюлозной фракции из упаковок EloPak и TetraPak с помощью ферментативного гидролиза до простых сахаров.

Материалы и методы

В качестве целлюлозосодержащих материалов были использованы упаковки EloPak и TetraPak. Первые состоят из слоя беленой или небеленой целлюлозы, покрытого с обеих сторон полиэтиленом. Упаковка TetraPak, помимо слоев полиэтилена, содержит слой алюминия, поэтому требует более сложного подхода к выделению целлюлозосодержащих слоев. Далее были отработаны несколько вариантов предобработки целлюлозосодержащих субстратов с последующим ферментативным гидролизом для получения восстанавливающих сахаров (далее – ВС) (табл. 1).

Механическая обработка упаковок включала размол на ножевой мельнице или перфорацию. Обработку 1, 10, 20%-ным раствором NaOH при 10 ºС осуществляли в тече-

Таблица 1 трацию ВС определяли методом Шо-

Различные режимы предобработки целлюлозосодержащих упаковок           моди-Нельсона [6]

Table 1                             .

Результаты и их обсуждение

Various pretreatment modes of cellulose-containing packages

Вид субстрата	Особенности предварительной обработки целлюлозосодержащего субстрата перед ферментативным гидролизом	Условное обозначение
EloPak небеленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена	Р
EloPak небеленая	Перфорация упаковки с отделением полиэтилена	П
EloPak небеленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена, 10 % NaOH	РЩ10
EloPak небеленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена, 10 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	РЩО10
EloPak небеленая	Перфорация упаковки с отделением полиэтилена, 20 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	ПЩО20
EloPak беленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена, замачивание в 1 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	РЩО1
EloPak беленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена, замачивание в 20 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	РЩО20
EloPak беленая	Перфорация упаковки с отделением полиэтилена, 20 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 часов процесса	ПЩО20
EloPak (смесь 50/50) беленая и небеленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена, 20 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	РЩО20
TetraPak небеленая	Размол упаковки без отделения полиэтилена и алюминия, 20% NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	РЩО20
TetraPak небеленая	Перфорация упаковки с отделением полиэтилена и алюминия, 20% NaOH отделение продуктов гидролиза после 6 часов процесса	ПЩО20
Непрогидролизован-ные остатки EloPak	20 % NaOH, отделение продуктов гидролиза после 6 ч процесса	ЩО20

В ходе серии экспериментов выявлено, что важным этапом предобработки сырья является отделение слоя полиэтилена от целлюлозосодержащего слоя, приводящее к большему выходу сахаров (табл. 2). Простой размол приводил к тому, что в целлюлозной суспензии оставалось много балластных компонентов, вызывающих сложности для последующего ферментативного гидролиза и дальнейшей переработки непроги-дролизованного остатка. Существенный вклад в общий выход сахаров достигался за счет предварительной обработки сырья раствором щелочи. Вероятно, за счет этого из бумажной массы удаляли наполнители, которые ингибировали гидролазы, а также снижали степень кристалличности самой целлюлозы. Максимальные выходы достигались за счет обработки

ние 12 ч. Далее щелочной раствор удаляли и промывали целлюлозосодержащую суспензию до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз 5%-ной целлюлозосодержащей суспензии осуществляли в термостатируемых сосудах объемом 150 см³ при 55 ºС и постоянном перемешивании. В качестве источника целлюлолитических ферментов был использован импортный ферментный препарат на основе селекционного штамма Thrichoderma reesei (SanSon, Китай). Общая целлюлазная активность по фильтровальной бумаге (FPA активность) – 1500 ед/г. Единица активности соответствовала 1 микромолю ВС (в пересчете на глюкозу), образующихся за 1 мин реакции.

Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащей суспензии, приготовленной из 5 г упаковки, осуществляли в термостатируемых сосудах объемом 150 см3 при 55 ºС и постоянном перемешивании. Среда для ферментативного гидролиза – 100 см3 0,1 М ацетатного буфера (рН 4,7) с добавлением неионогенного поверхностно-активного вещества лаурилглюкозида. Дозировка ферментативного препарата целлюлаз составляла 5 ед на 1 г абсолютно сухой массы субстрата. Дополнительно вносили 10 мг ферментного препарата амилаз Глюколюкс-F (Россия) на 1 г субстрата для гидролиза остаточного катионного крахмала. В некоторых вариантах после 6 ч от начала процесса целлюлозосодержащий остаток промывали ацетатным буфером от ВС, готовили новую суспензию из непрогидро-лизованного остатка и продолжали процесс биоконверсии за счет иммобилизованных на субстрате ферментов. Реакционную способность целлюлозосодержащих образцов оценивали по степени гидролиза за 24 ч, степень конверсии – весовым методом по массе сухого остатка. Концен-

20%-ным раствором NaOH. Отделение продуктов ферментативного гидролиза от непрогидролизованного остатка обеспечивало дополнительный выход сахаров. Следует отметить, что беленая целлюлоза из упаковок способствовала большему выходу сахаров, который достигал 25–30 % от массы субстрата за первые сутки. На вторые сутки процесс накопления сахаров был незначителен, поэтому продолжать ферментативный гидролиз после 24 ч было нецелесообразно. Приготовление субстрата из непроги-дролизованных остатков давало значительно меньший выход сахаров по сравнению с первичной целлюлозой из упаковок. Следовательно, требовалась более глубокая предобработка либо ориентация на другой продукт. К примеру, одним из вариантов дальнейшей переработки трудногидролизуемого остатка может быть процесс получения нанокристаллов целлюлозы с надмолекулярной структурой I и II кислотным гидролизом [7]. Оставшиеся полиэтилен, алюминий, а также бумажный остаток за счет термических воздействий могут быть преобразованы в биотопливо, нанокомпозиты, содержащие оксид алюминия [8]. С другой стороны, высокотемпературная переработка остатков способствует получению высокоэффективных сорбентов, например, мышьяка [9]. Таким образом, сочетание методов механической, химической и биохимической переработки упаковочных материалов позволяет конвертировать значительную часть целлюлозосодержащей фракции в простые сахара. В дальнейшем полученные продукты, не требуя специальной очистки, могут быть применены в составе питательных сред для выращивания целевых микроорганизмов [10].

Таблица 2

Результаты выхода восстанавливающих сахаров в ходе переработки упаковочных материалов

Table 2

Yield of reducing sugars during processing of packaging materials

Вид упаковки, 5 г	Условное обозначение	Выход ВС через 24 ч гидролиза, г	Масса в.с. остатка после гидролиза, г
EloPak небеленая	Р	0,24	4,6
EloPak небеленая	П	0,41	4,4
EloPak небеленая	РЩ10	0,68	3,6
EloPak небеленая	РЩО10	1,09	3,4
EloPak небеленая	РЩО20	1,15	3,1
EloPak небеленая	ПЩО20	1,27	2,9
EloPak беленая	РЩО1	1,16	3,6
EloPak беленая	РЩО20	1,48	2,8
EloPak беленая	ПЩО20	1,53	2,6
EloPak (смесь 50/50) беленая и небеленая	РЩО20	1,35	3,2
TetraPak небеленая	РЩО20	0,91	-
TetraPak небеленая	ПЩО20	1,15	-
Непрогидролизованные остатки EloPak	ЩО20	0,82	2,8

Заключение

Бумажный слой из композитных упаковочных материалов является перспективным сырьем для получения сахаров. Для каждого типа упаковок требуется подбор наиболее оптимальных методов выделения целлюлозосодержащей массы. Предпочтительней делать перфорацию упаковки, так как при дальнейшей переработке в сырье практически нет балластного полиэтилена и алюминия, однако для этого требуется более сложное оборудование. В процессе ферментативной конверсии целлюлозосодержащих слоев основные трудности связаны с наполнителями, ингибированием продуктами гидролиза, а также необходимостью снижения индекса кристалличности целлюлозы.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.