RU2391402C2 - Biocatalyst for producing ethanol from pentose - Google Patents

Biocatalyst for producing ethanol from pentose Download PDF

Info

Publication number
RU2391402C2
RU2391402C2 RU2008135918/13A RU2008135918A RU2391402C2 RU 2391402 C2 RU2391402 C2 RU 2391402C2 RU 2008135918/13 A RU2008135918/13 A RU 2008135918/13A RU 2008135918 A RU2008135918 A RU 2008135918A RU 2391402 C2 RU2391402 C2 RU 2391402C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biocatalyst
ethanol
pentoses
spores
polyvinyl alcohol
Prior art date
Application number
RU2008135918/13A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008135918A (en
Inventor
Елена Николаевна Ефременко (RU)
Елена Николаевна Ефременко
Ольга Витальевна Сенько (RU)
Ольга Витальевна Сенько
Николай Алексеевич Степанов (RU)
Николай Алексеевич Степанов
Сергей Дмитриевич Варфоломеев (RU)
Сергей Дмитриевич Варфоломеев
Original Assignee
Учреждение Российской Академии Наук Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Ран (Ибхф Ран)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской Академии Наук Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Ран (Ибхф Ран) filed Critical Учреждение Российской Академии Наук Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Ран (Ибхф Ран)
Priority to RU2008135918/13A priority Critical patent/RU2391402C2/en
Publication of RU2008135918A publication Critical patent/RU2008135918A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2391402C2 publication Critical patent/RU2391402C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry; biochemistry.
SUBSTANCE: invention relates to biotechnology and is meant for increasing efficiency of biotechnical production of ethanol from cellulose-containing material. The biocatalyst for producing ethanol from pentose is immobilised miscella of microfungus capable of fermenting pentose into ethanol, contained in a cryogel based on polyvinyl alcohol, with the following ratio of initial components in wt %: miscella of microfungus - 7.5-20.0, polyvinyl alcohol - 2.5-5.0 and water - up to 100. The biocatalyst can be reused to produce ethanol from pentose in periodic conditions.
EFFECT: biocatalyst is characterised by semi-inactivation period of up to 36 days, provides rate of conversion of pentose to ethanol of up to 0,34 g/l/h and output of the desired product of up to 50% from the deposited substrate.
1 dwg, 6 ex

Description

Изобретение относится к биотехнологии, конкретно к биокатализаторам на основе клеток мицелиальных грибов, включенных в матрицу полимерного гелевого носителя, катализирующих конверсию пентоз в этиловый спирт, и предназначено для повышения эффективности биотехнологического получения этанола из целлюлозосодержащего сырья.The invention relates to biotechnology, specifically to biocatalysts based on cells of mycelial fungi included in the matrix of a polymer gel carrier, catalyzing the conversion of pentoses to ethyl alcohol, and is intended to increase the efficiency of biotechnological production of ethanol from cellulose-containing raw materials.

В современных промышленных процессах этанол получают микробиологическим способом ферментацией глюкозы с использованием клеток дрожжей в качестве биокатализаторов. В качестве источника глюкозы используют химические или ферментативные гидролизаты крахмало- или целлюлозосодержащих продуктов, отходов сельскохозяйственного или промышленного производства. Помимо глюкозы, они содержат до 25 г/л пентоз (ксилоза, арабиноза и рибоза), не сбраживаемых традиционно применяемыми в промышленности спиртовыми расами дрожжей. Для повышения экономической привлекательности процесса получения этанола из целлюлозосодержащего сырья целесообразно использовать биокатализаторы, обеспечивающие получение этанола из пентоз.In modern industrial processes, ethanol is obtained microbiologically by fermentation of glucose using yeast cells as biocatalysts. As a source of glucose, chemical or enzymatic hydrolysates of starch or cellulose-containing products, agricultural or industrial wastes are used. In addition to glucose, they contain up to 25 g / l pentose (xylose, arabinose and ribose), not fermented by the traditionally used in industrial alcoholic races of yeast. To increase the economic attractiveness of the process of producing ethanol from cellulose-containing raw materials, it is advisable to use biocatalysts that provide ethanol from pentoses.

В качестве таких биокатализаторов применяют природные штаммы мицелиальных грибов родов Rhizopus Aspergillus, Fuzarium и Mucor, способные сбраживать различные сахара, в том числе и пентозы, в этанол [Olsson L., Hahn-Hägerdal В. (1996) Fermentation of lignoellulosic hydrolysates for ethanol production. // Enzyme Microb. Technol., V.18, p.312-331]. Биокатализаторы, представляющие собой развитый метаболически активный мицелий гриба, получают культивированием спор в богатых питательных средах в аэробных условиях с последующим их применением для получения этанола из пентоз в анаэробных условиях. В качестве источника сбраживаемых сахаров могут быть использованы как растворы индивидуальных пентоз, так и среды, содержащие пентозы в составе сложных смесей сахаров, в частности химические и ферментативные гидролизаты целлюлозосодержащего сырья [Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J. (2005) Performance of Rhizopus, Rhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose, xylose, and wood hydrolyzates. // Enz. Microb. Technol., V.36, p.294-300].As such biocatalysts, natural strains of mycelial fungi of the genera Rhizopus Aspergillus, Fuzarium and Mucor are used, which are able to ferment various sugars, including pentoses, into ethanol [Olsson L., Hahn-Hägerdal B. (1996) Fermentation of lignoellulosic hydrolysates foranol . // Enzyme Microb. Technol., V.18, p. 312-331]. Biocatalysts, which are a developed metabolically active fungal mycelium, are obtained by culturing spores in rich nutrient media under aerobic conditions, followed by their use to produce ethanol from pentoses under anaerobic conditions. As a source of fermentable sugars, both solutions of individual pentoses and media containing pentoses as part of complex mixtures of sugars, in particular chemical and enzymatic hydrolysates of cellulose-containing raw materials [Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J., can be used. (2005) Performance of Rhizopus, Rhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose, xylose, and wood hydrolyzates. // Enz. Microb. Technol., V.36, p. 294-300].

Эффективность биокатализаторов, предназначенных для конверсии пентоз в этанол, удобно сравнивать по следующим показателям:The effectiveness of biocatalysts designed for the conversion of pentoses to ethanol is conveniently compared by the following indicators:

- длительность процесса конверсии (ч);- the duration of the conversion process (h);

- выход этанола в расчете на исходный субстрат (%);- ethanol yield based on the starting substrate (%);

- продуктивность процесса или скорость конверсии (сбраживания), определяемая как концентрация целевого продукта - этанола, отнесенная к длительности процесса конверсии (г/л/ч).- the productivity of the process or the rate of conversion (fermentation), defined as the concentration of the target product, ethanol, referred to the duration of the conversion process (g / l / h).

Известен биокатализатор для получения этанола из пентоз, представляющий собой мицелий гриба Aspergillus terreus [Pushalkar S., Rao K.K. (1998) Short communication: Ethanol fermentation by a cellulolytic fungus Aspergillus terreus. II World J. Microbiol. Biotechn., V.14, p.289-291]. Для получения биокатализатора 108 спор/мл вносят в питательную среду, содержащую 1% глюкозы и набор солей, необходимых для роста клеток, затем проводят культивирование клеток в аэробных условиях при 28°С при постоянном перемешивании в течение 24 ч. Полученный биокатализатор в анаэробных условиях обеспечивает выход этанола из ксилозы 5,6% за 144 ч, а из арабинозы - 8% за 120 ч. Продуктивность процесса конверсии (скорость сбраживания) составляет соответственно 0,02 и 0,03 г/л/ч. Основным недостатком этого биокатализатора является крайне низкая продуктивность процесса, которую он обеспечивает.Known biocatalyst for the production of ethanol from pentoses, which is the mycelium of the fungus Aspergillus terreus [Pushalkar S., Rao KK (1998) Short communication: Ethanol fermentation by a cellulolytic fungus Aspergillus terreus. II World J. Microbiol. Biotechn., V.14, p. 289-291]. To obtain a biocatalyst, 10 8 spores / ml are introduced into a nutrient medium containing 1% glucose and a set of salts necessary for cell growth, then cells are cultured under aerobic conditions at 28 ° C with constant stirring for 24 hours. The obtained biocatalyst under anaerobic conditions provides ethanol yield from xylose of 5.6% in 144 hours, and from arabinose - 8% in 120 hours. The productivity of the conversion process (fermentation rate) is 0.02 and 0.03 g / l / h, respectively. The main disadvantage of this biocatalyst is the extremely low productivity of the process that it provides.

Известен биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Mucor indicus для получения этанола из пентоз, присутствующих в среде в качестве единственного источника сбраживаемых сахаров, или входящих в состав смесей сахаров в кислотных гидролизатах древесины [Sues A., Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J. (2005) Ethanol production from hexoses, pentoses, and dilute-acid hydrolyzate by Mucor indicus.11 FEMS Yeast Research, V.5, p.669-676]. Для получения биокатализатора 1 мл суспензии спор с концентрацией (5-6)×106 спор/мл вносят в 150 мл питательной среды, содержащей 33 г/л глюкозы и необходимый набор солей и органических компонентов. Проводят культивирование клеток до формирования метаболически активного мицелия при 30°С в аэробных условиях при постоянном перемешивании в течение 24 ч. При конверсии индивидульных пентоз выход этанола составляет: из ксилозы 18% за 88 ч, из арабинозы 15% за 93 ч, что соответствует скорости сбраживания - 0,068 или 0,053 г/л/ч соответственно. Выход этанола при конверсии ксилозы, присутствующей в составе кислотных гидролизатов отходов переработки древесины хвойных пород, составляет 13,3%, а скорость сбраживания 0,025 г/л/ч. К недостаткам биокатализатора следует отнести невысокую скорость сбраживания пентоз и относительно невысокие выходы целевого продукта.Known biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Mucor indicus for the production of ethanol from pentoses present in the medium as the sole source of fermentable sugars, or as part of sugar mixtures in acid wood hydrolysates [Sues A., Millati R., Edebo L., Taherzadeh MJ (2005) Ethanol production from hexoses, pentoses, and dilute-acid hydrolyzate by Mucor indicus. 11 FEMS Yeast Research, V.5, p.669-676]. To obtain a biocatalyst, 1 ml of a spore suspension with a concentration of (5-6) × 10 6 spores / ml is added to 150 ml of a nutrient medium containing 33 g / l of glucose and the necessary set of salts and organic components. Cells are cultured until a metabolically active mycelium is formed at 30 ° C under aerobic conditions with constant stirring for 24 hours. When converting individual pentoses, the ethanol yield is: from xylose 18% in 88 hours, from arabinose 15% in 93 hours, which corresponds to the speed fermentation - 0,068 or 0,053 g / l / h, respectively. The yield of ethanol in the conversion of xylose, which is present in the composition of acid hydrolysates of coniferous wood waste, is 13.3%, and the fermentation rate is 0.025 g / l / h. The disadvantages of the biocatalyst are the low speed of the fermentation of pentoses and the relatively low yields of the target product.

Применение аналогичного катализатора, полученного в условиях повышенной температуры (37°С) при контроле рН среды (5,0±0,7), позволяет повысить выход целевого продукта до 22% от внесенного субстрата, а скорость сбраживания до 0,11 г/л/ч. [Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J. (2005) Performance of Rhizopus, Rhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose, xylose, and wood hydrolyzates.// Enz. Microb. TechnoL, V. 36, p.294-300]. Однако использование повышенных температур и необходимость контроля рН технологически и экономически усложняет процесс. Повышение температуры способствует снижению продуктивности биокатализатора под действием накапливающегося этанола.The use of a similar catalyst obtained under conditions of elevated temperature (37 ° C) while controlling the pH of the medium (5.0 ± 0.7) allows to increase the yield of the target product to 22% of the introduced substrate, and the fermentation rate to 0.11 g / l / h [Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J. (2005) Performance of Rhizopus, Rhizomucor, and Mucor in ethanol production from glucose, xylose, and wood hydrolyzates.// Enz. Microb. TechnoL, V. 36, p. 294-300]. However, the use of elevated temperatures and the need to control pH technologically and economically complicate the process. An increase in temperature reduces the productivity of the biocatalyst under the action of accumulating ethanol.

Известны биокатализаторы, представляющие собой клетки мицелиальных грибов Rhizopus javanicus или Rhizopus oryzae, предназначенные для получения этанола из ксилозы [Skory C.D., Freer S.N., Bothast R.J. (1997) Screening for ethanol-producing filamentous fungi. // Biotechn. Lett., V.19, p.203-206]. Для получения биокатализатора 108 спор вносят в 20 мл питательной среды, содержащей 0,3% дрожжевого экстракта, 0,5% пептона, 0,3% солодового экстракта и 50 г/л ксилозы. Проводят культивирование клеток до формирования метаболически активного мицелия в аэробных условиях при постоянном перемешивании в течение 24 ч. Выход этанола составляет 23,4% (Rhizopus javanicus) и 21,6% (Rhizopus oryzae) от внесенного субстрата, а скорость сбраживания соответственно - 0,16 или 0,15 г/л/ч.Biocatalysts are known, which are cells of the mycelial fungi Rhizopus javanicus or Rhizopus oryzae, designed to produce ethanol from xylose [Skory CD, Freer SN, Bothast RJ (1997) Screening for ethanol-producing filamentous fungi. // Biotechn. Lett., V.19, p.203-206]. To obtain a biocatalyst, 10 8 spores are added to 20 ml of culture medium containing 0.3% yeast extract, 0.5% peptone, 0.3% malt extract and 50 g / l xylose. Cells are cultured until a metabolically active mycelium is formed under aerobic conditions with constant stirring for 24 hours. Ethanol yield is 23.4% (Rhizopus javanicus) and 21.6% (Rhizopus oryzae) of the introduced substrate, and the fermentation rate is 0, respectively. 16 or 0.15 g / l / h.

Общим недостатком всех описанных биокатализаторов является то, что все они рассчитаны на однократное применение. Невозможность повторного использования связана с быстрым ухудшением первоначальных характеристик биокатализатора под воздействием накапливающегося в среде этанола и вследствие снижения рН среды за счет растворения выделяющегося в процессе брожения СО2 и накопления побочных продуктов, в частности уксусной кислоты и других органических кислот. Невозможность повторного использования биокатализатора создает проблему постоянного наращивания свежей биомассы и утилизации отработанных клеток и делает процесс экономически неэффективным.A common drawback of all the described biocatalysts is that they are all designed for single use. The inability to reuse is associated with a rapid deterioration of the initial characteristics of the biocatalyst under the influence of ethanol accumulating in the medium and due to a decrease in the pH of the medium due to the dissolution of CO 2 released during fermentation and the accumulation of by-products, in particular acetic acid and other organic acids. The inability to reuse the biocatalyst creates the problem of the constant build-up of fresh biomass and the disposal of waste cells and makes the process economically inefficient.

Улучшить характеристики биокатализатора и повысить его привлекательность для использования в промышленных процессах позволяет его получение в иммобилизованном виде.Improving the characteristics of the biocatalyst and increasing its attractiveness for use in industrial processes allows its production in an immobilized form.

Иммобилизация позволяет повысить устойчивость клеток мицелиальных грибов по отношению к отрицательным воздействиям вышеуказанных факторов и увеличить время, в течение которого биокатализатор сохраняет свою активность.Immobilization allows you to increase the resistance of mycelial fungal cells in relation to the negative effects of the above factors and increase the time during which the biocatalyst remains active.

Биокатализаторы на основе иммобилизованных клеток обладают большей технологической и экономической привлекательностью за счет возможности их многократного использования, упрощения процедуры отделения биомассы клеток от среды культивирования, а также элиминирования необходимости утилизации отработанной биомассы после каждого рабочего цикла.Immobilized cell-based biocatalysts have greater technological and economic attractiveness due to the possibility of their repeated use, simplification of the procedure for separating cell biomass from the culture medium, and eliminating the need to utilize spent biomass after each working cycle.

Известен биокатализатор для получения этанола из ксилозы, представляющий собой клетки мицелиального гриба Mucor circinelloides АТСС 1216 В, распределенные в матрице белкового полимера поли-D-лизина [Lubbehusen T.L., Nielsen. J., Mclntyre M. (2004) Aerobic and anaerobic ethanol production by Mucor circinelloides during submerged growth.//Appl. Microbiol. Biotechnol, V.63, p.543-548]. Для получения биокатализатора в ячейку, представляющую собой два покрывных стекла (26 мм × 76 мм), разделенных между собой тонкой прокладкой и помещенных в металлический корпус с отверстиями для подвода субстрата и отвода культуральной жидкости, заливают 1 мл 0,1% раствора полимера поли-D-лизина, обладающего свойствами поликатионита. Далее в ячейку вносят споры до их конечной концентрации 50-80 спор в ячейке. Иммобилизация спор основана на адсорбции спор на стекле за счет множественных электростатических взаимодействий между отрицательно заряженными химическими группами, находящимися на поверхности спор, и покрывающим стекло положительно заряженным белковым полимером. Далее через ячейку прокачивают со скоростью 3 мл/ч питательную среду, содержащую 20 г/л ксилозы, 4,83 г/л клейстеризованной рисовой муки, 60 г/л никотиновой кислоты, 60 г/л тиамина, 60 г/л Na2HPO4 30 г/л KH2PO4 5 г/л NaCl, 10 г/л (NH4)Cl. Культивирование клеток проводят при рН среды около 5,0 при 28°С в аэробных условиях в течение 40 ч до формирования метаболически активного мицелия. Такой биокатализатор обеспечивает в течение 40 ч получение 0,08 г/л этанола при конверсии 20 г/л ксилозы. Выход целевого продукта составляет 0,4% от внесенного субстрата, а скорость сбраживания - 0,002 г/л/ч. На арабинозе активность биокатализатора не исследована. В отличие от приведенных аналогов данный катализатор может быть использован в проточном реакторе, то есть многократно в объеме одного и того же реактора.Known biocatalyst for producing ethanol from xylose, which is a cell of the mycelial fungus Mucor circinelloides ATCC 1216 B, distributed in the matrix of the protein polymer poly-D-lysine [Lubbehusen TL, Nielsen. J., Mclntyre M. (2004) Aerobic and anaerobic ethanol production by Mucor circinelloides during submerged growth.//Appl. Microbiol. Biotechnol, V. 63, p. 543-548]. To obtain a biocatalyst in a cell, which consists of two coverslips (26 mm × 76 mm), separated by a thin gasket and placed in a metal case with holes for supplying the substrate and draining the culture fluid, pour 1 ml of a 0.1% polymer solution of poly- D-lysine with the properties of polycationite. Further, spores are introduced into the cell to their final concentration of 50-80 spores in the cell. Spore immobilization is based on the adsorption of spores on glass due to multiple electrostatic interactions between negatively charged chemical groups located on the surface of spores and a positively charged protein polymer covering the glass. Then, a nutrient medium containing 20 g / l xylose, 4.83 g / l gelatinized rice flour, 60 g / l nicotinic acid, 60 g / l thiamine, 60 g / l Na 2 HPO is pumped through the cell at a speed of 3 ml / h 4 30 g / l KH 2 PO 4 5 g / l NaCl, 10 g / l (NH 4 ) Cl. Cell cultivation is carried out at a pH of about 5.0 at 28 ° C under aerobic conditions for 40 hours before the formation of a metabolically active mycelium. Such a biocatalyst provides 0.08 g / l ethanol for 40 hours at a conversion of 20 g / l xylose. The yield of the target product is 0.4% of the introduced substrate, and the fermentation rate is 0.002 g / l / h. On arabinose, the activity of the biocatalyst has not been studied. Unlike the given analogues, this catalyst can be used in a flow reactor, that is, repeatedly in the volume of the same reactor.

Данное техническое решение как наиболее близкое к заявляемому по типу биокатализатора, представляющего собой иммобилизованные клетки микроскопического гриба, способного сбраживать пентозы в этанол, принято за прототип.This technical solution, as the closest to the claimed type of biocatalyst, which is immobilized cells of a microscopic fungus that can ferment pentoses into ethanol, is taken as a prototype.

Основным недостатком биокатализатора, принятого за прототип, является его низкая продуктивность, обусловленная следующими причинами:The main disadvantage of the biocatalyst adopted for the prototype is its low productivity, due to the following reasons:

1. Применяемый способ иммобилизации позволяет исходно ввести в биокатализатор очень низкую концентрацию спор, распределенных по поверхности носителя. Количество активных иммобилизованных клеток биокатализатора, определяющее его продуктивность, лимитировано геометрическими размерами реактора, поскольку иммобилизация осуществляется за счет электростатических взаимодействий спор с полимером, распределенным на поверхности стеклянных пластин. Вследствие этого возможность повышения продуктивности процесса ограничена возможностью увеличения геометрических размеров реактора. Это обстоятельство затрудняет масштабирование процесса.1. The applied method of immobilization allows you to initially enter into the biocatalyst a very low concentration of spores distributed over the surface of the carrier. The number of active immobilized cells of the biocatalyst, which determines its productivity, is limited by the geometric dimensions of the reactor, since immobilization is carried out due to electrostatic interactions of spores with a polymer distributed on the surface of glass plates. As a result, the possibility of increasing the productivity of the process is limited by the possibility of increasing the geometric dimensions of the reactor. This circumstance makes it difficult to scale the process.

2. Зависимость от рН прочности электростатического взаимодействия между иммобилизованными клетками и полилизином в составе биокатализатора. При сдвиге рН в кислую область в результате накопления метаболитов и частичного растворения образующегося при брожении СО2 прочность электростатического комплекса уменьшается, часть иммобилизованных клеток выходит из биокатализатора, что приводит к снижению его продуктивности. Необходимость поддержания рН на постоянном уровне усложняет технологию и удорожает получение целевого продукта.2. The pH dependence of the strength of the electrostatic interaction between immobilized cells and polylysine in the biocatalyst. When the pH shifts to the acidic region as a result of the accumulation of metabolites and partial dissolution of the CO 2 formed during fermentation, the strength of the electrostatic complex decreases, part of the immobilized cells leaves the biocatalyst, which leads to a decrease in its productivity. The need to maintain the pH at a constant level complicates the technology and increases the cost of obtaining the target product.

3. Функционирование биокатализатора рассчитано только на аэробные условия, в которых основная часть потребляемого субстрата используется клетками для накопления биомассы. Возможность функционирования данного биокатализатора в анаэробных условиях, являющихся, как известно, наиболее благоприятными для снижения скорости роста клеток и накопления целевого продукта [Шлегель Г. Общая микробиология. // М.: Мир, 1987, 567 с.], авторами разработки не предусмотрена.3. The functioning of the biocatalyst is designed only for aerobic conditions in which the bulk of the consumed substrate is used by the cells to accumulate biomass. The possibility of the functioning of this biocatalyst under anaerobic conditions, which are known to be most favorable for reducing the cell growth rate and the accumulation of the target product [Schlegel G. General Microbiology. // M .: Mir, 1987, 567 pp.], The authors of the development is not provided.

Задачей предлагаемого изобретения является получение биокатализатора на основе иммобилизованных клеток мицелиальных грибов для получения этанола из пентоз, длительно сохраняющего высокую продуктивность и пригодного для многократного использования в периодическом процессе.The objective of the invention is to obtain a biocatalyst based on immobilized cells of mycelial fungi for the production of ethanol from pentoses, which long retains high productivity and is suitable for repeated use in a batch process.

Поставленная задача решается тем, что биокатализатор для получения этанола из пентоз содержит биомассу мицелия микроскопического гриба, способного сбраживать пентозы в этиловый спирт, включенную в гелевую матрицу полимерного носителя, при этом в качестве гелевой матрицы биокатализатор содержит криогель поливинилового спирта, при следующем соотношении компонентов (мас.%):The problem is solved in that the biocatalyst for producing ethanol from pentoses contains the mycelium biomass of a microscopic fungus capable of fermenting pentoses into ethanol included in the gel matrix of the polymer carrier, while the biocatalyst contains cryogel of polyvinyl alcohol as a gel matrix in the following ratio of components (wt. .%):

биомасса мицелия микроскопического гриба - 7,5÷20,0;microscopic fungus mycelium biomass - 7.5 ÷ 20.0;

поливиниловый спирт - 2,5÷5,0;polyvinyl alcohol - 2.5 ÷ 5.0;

вода - до 100.water - up to 100.

В качестве биомассы мицелия микроскопического гриба может быть использована биомасса мицелия любых микроскопических грибов, способных к продуцированию этанола из пентоз.As the biomass of the mycelium of a microscopic fungus, the mycelium biomass of any microscopic fungi capable of producing ethanol from pentoses can be used.

Криогель ПВС, формируемый при замораживании-оттаивании водного раствора поливинилового спирта, характеризуется хорошими эксплуатационными характеристиками, а также высокой пористостью образующейся гелевой матрицы, обеспечивающей незатрудненную диффузию субстратов и продуктов [Лозинский В.И. Новое семейство макропористых и сверхмакропористых материалов биотехнологического назначения - полимерные криогели. // Известия РАН. Сер. Химическая, 2008, №5, с.1-18]. Криогель ПВС химически стабилен при низких значениях рН среды, а также в присутствии этилового спирта и других микробных метаболитов, накапливающихся в процессе получения этанола.PVA cryogel formed during freezing-thawing of an aqueous solution of polyvinyl alcohol is characterized by good performance characteristics, as well as high porosity of the resulting gel matrix, which provides easy diffusion of substrates and products [Lozinsky V.I. A new family of macroporous and supermacroporous materials for biotechnological purposes - polymer cryogels. // Proceedings of the RAS. Ser. Chemical, 2008, No. 5, p.1-18]. PVA cryogel is chemically stable at low pH values, as well as in the presence of ethanol and other microbial metabolites that accumulate during the production of ethanol.

Иммобилизация мицелиальных гиф в объеме криогеля ПВС приводит к их пространственному разобщению пористой структурой матрицы, что в отличие от прототипа позволяет создать в объеме реактора высокие концентрации клеток, равномерно распределенных и зафиксированных в носителе, и тем самым увеличить скорость накопления этанола в среде культивирования. Такое пространственное распределение клеток создает улучшенные условия для метаболизма, что обеспечивает увеличение выхода целевого продукта и повышение продуктивности процесса.The immobilization of mycelial hyphae in the volume of the PVA cryogel leads to their spatial separation by the porous structure of the matrix, which, unlike the prototype, allows the creation of high concentrations of cells uniformly distributed and fixed in the carrier in the reactor volume, and thereby increase the rate of ethanol accumulation in the culture medium. Such a spatial distribution of cells creates improved conditions for metabolism, which provides an increase in the yield of the target product and increase the productivity of the process.

Заявляемый биокатализатор обеспечивает высокую продуктивность процесса в течение длительного времени, период полуинактивации составляет от 17 до 36 суток в зависимости от культуры.The inventive biocatalyst provides high productivity of the process for a long time, the half-inactivation period is from 17 to 36 days, depending on the culture.

Удобство отделения иммобилизованной биомассы от культуральной среды в сочетании со способностью сохранять высокую продуктивность в течение длительного времени позволяет использовать заявляемый биокатализатор многократно в периодических условиях для получения этанола из пентоз.The convenience of separating the immobilized biomass from the culture medium in combination with the ability to maintain high productivity for a long time allows the inventive biocatalyst to be used repeatedly under batch conditions to produce ethanol from pentoses.

Количественные соотношения, в которых компоненты входят в состав заявляемого биокатализатора, найдены экспериментально.Quantitative ratios in which the components are part of the inventive biocatalyst are found experimentally.

Размер пор в формирующейся матрице зависит от количества в ней ПВС, которое предопределяется его концентрацией в исходной смеси со спорами, подлежащей замораживанию-оттаиванию. При содержании ПВС менее 2,5 мас.% происходит формирование слишком больших пор, через которые происходит вымывание спор из носителя, сопровождающееся снижением продуктивности биокатализатора и уменьшением его механической прочности. При содержании ПВС в биокатализаторе выше 5,0 мас.% повышается вязкость его исходных растворов в суспензии со спорами, что затрудняет равномерное диспергирование спор, а также приводит к заметному уменьшению размера пор. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению массообменных условий внутри биокатализатора и снижению его продуктивности.The pore size in the forming matrix depends on the amount of PVA in it, which is determined by its concentration in the initial mixture with spores, which must be frozen and thawed. When the PVA content is less than 2.5 wt.%, Too large pores are formed through which spores are washed out from the carrier, accompanied by a decrease in the productivity of the biocatalyst and a decrease in its mechanical strength. When the PVA content in the biocatalyst is higher than 5.0 wt.%, The viscosity of its initial solutions in suspension with spores increases, which complicates the uniform dispersion of spores, and also leads to a noticeable decrease in pore size. The latter circumstance leads to a deterioration in mass transfer conditions inside the biocatalyst and a decrease in its productivity.

Нижний предел концентрации биомассы мицелия в заявляемом составе биокатализатора определяется тем, что при концентрации ниже 7,5 мас.% получаемый биокатализатор обладает недостаточно высокой продуктивностью, а верхний предел концентрации биомассы определяется тем, что при накоплении мицелия в порах полимерной матрицы свыше 20,0 мас.% происходит закупорка пор клетками метаболически активного мицелия, ухудшающая условия массообмена внутри гранул биокатализатора и снижающая эффективность действия биокатализатора. Таким образом, превышение указанного верхнего предела концентрации клеток нецелесообразно.The lower limit of the concentration of mycelium biomass in the claimed composition of the biocatalyst is determined by the fact that at a concentration below 7.5 wt.% The resulting biocatalyst has insufficient productivity, and the upper limit of the concentration of biomass is determined by the fact that when the mycelium accumulates in the pores of the polymer matrix over 20.0 wt. .% there is clogging of the pores with cells of the metabolically active mycelium, worsening the conditions of mass transfer inside the biocatalyst granules and reducing the effectiveness of the biocatalyst. Thus, exceeding the specified upper limit of the concentration of cells is impractical.

Заявляемый биокатализатор получают следующим образом: к водному раствору ПВС, содержащему рассчитанное количество полимера, прибавляют суспензию спор мицелиального гриба, перемешивают до получения однородной массы, которую затем используют для формирования криогеля ПВС с одновременным включением спор в его пористую структуру путем замораживания этой массы, ее выдерживания в замороженном состоянии и последующего оттаивания. Для получения биокатализатора заявляемого состава полученный криогель ПВС помещают в питательную среду и проводят культивирование в аэробных условиях для прорастания спор внутри пор полимерной матрицы и формирования метаболически активного мицелия, способного в анаэробных условиях продуцировать этанол из пентоз.The inventive biocatalyst is prepared as follows: a suspension of spores of the mycelial fungus is added to an aqueous PVA solution containing the calculated amount of polymer, mixed until a homogeneous mass is obtained, which is then used to form a PVA cryogel with simultaneous inclusion of spores in its porous structure by freezing this mass and keeping it in a frozen state and subsequent thawing. To obtain a biocatalyst of the claimed composition, the obtained PVA cryogel is placed in a nutrient medium and cultivation is carried out under aerobic conditions to germinate spores inside the pores of the polymer matrix and form a metabolically active mycelium capable of producing ethanol from pentoses under anaerobic conditions.

Культивирование иммобилизованных спор осуществляют в стандартных питательных средах, содержащих компоненты, необходимые для роста мицелия по всему объему полимерной матрицы [Семенов С.М. Лабораторные среды для актиномицетов и грибов. Справочник. // М.: Агропромиздат, 1990, 240 с.]. Споровый материал для иммобилизованного биокатализатора получают с применением известных биотехнологических приемов в соответствии с частными характеристиками культуры. После накопления спор проводят их смыв с поверхности плотных питательных сред с использованием традиционных микробиологических методов, применяемых для получения суспензии спор в водных растворах [Практикум по микробиологии. (Под ред. Нетрусова А.И.). // М.: Издат. Академия, 2005, 608 с.]. Культивирование спор, включенных в полимерную матрицу, с целью наращивания мицелия внутри пор носителя и формирования биокатализатора проводят в аэробных условиях при температуре, оптимальной для культивирования соответствующей культуры микроскопического гриба. Длительность культивирования предопределяется вышеуказанными предельными концентрациями накапливающейся в гранулах мицелиальной биомассы. Накопление мицелиальной биомассы контролируют по увеличению содержания сухих веществ в составе биокатализатора стандартным методом доведения образца до постоянной массы.The cultivation of immobilized spores is carried out in standard nutrient media containing the components necessary for the growth of mycelium throughout the volume of the polymer matrix [S. Semenov Laboratory media for actinomycetes and fungi. Directory. // M .: Agropromizdat, 1990, 240 pp.]. Spore material for an immobilized biocatalyst is obtained using known biotechnological techniques in accordance with the particular characteristics of the culture. After the accumulation of spores, they are washed away from the surface of dense nutrient media using traditional microbiological methods used to obtain a suspension of spores in aqueous solutions [Workshop on Microbiology. (Ed. By Netrusov A.I.). // M.: Publ. Academy, 2005, 608 pp.]. The cultivation of spores included in the polymer matrix, in order to build up mycelium inside the pores of the carrier and form a biocatalyst, is carried out under aerobic conditions at a temperature optimal for the cultivation of the corresponding microscopic fungus culture. The duration of cultivation is determined by the above limit concentrations of mycelial biomass accumulating in the granules. The accumulation of mycelial biomass is controlled by increasing the solids content of the biocatalyst using the standard method of bringing the sample to constant weight.

В отличие от прототипа заявляемому биокатализатору может быть придана любая удобная форма, в частности форма сферических гранул, частиц неправильной формы, гелевых блоков, листов и др. Для этого суспензию спор в растворе полимера либо замораживают в соответствующей форме, либо используют предназначенное для этих целей оборудование (экструдеры, грануляторы и.т.п.). Возможность варьирования формы биокатализатора технически и технологически упрощает его практическое применение и масштабирование.In contrast to the prototype, the inventive biocatalyst can be given any convenient shape, in particular the shape of spherical granules, irregularly shaped particles, gel blocks, sheets, etc. For this, the spore suspension in the polymer solution is either frozen in the appropriate form or equipment intended for this purpose is used (extruders, granulators, etc.). The possibility of varying the shape of the biocatalyst technically and technologically simplifies its practical application and scaling.

Получение этанола с помощью заявляемого биокатализатора проводят стандартным путем, а именно - в результате культивирования иммобилизованных клеток в анаэробных условиях в реакторах с жидкими питательными средами, содержащими пентозы. Контроль потребления сахаров и накопления этанола в среде осуществляют известными методами (хроматографическими и спектрофотометрическими) с привлечением стандартного аналитического оборудования.Obtaining ethanol using the inventive biocatalyst is carried out in a standard way, namely, as a result of the cultivation of immobilized cells under anaerobic conditions in reactors with liquid nutrient media containing pentoses. Sugar consumption and ethanol accumulation in the medium are controlled by known methods (chromatographic and spectrophotometric) using standard analytical equipment.

Заявляемый биокатализатор для получения этанола из пентоз, представляющий собой мицелий микроскопического гриба, способного продуцировать этанол их пентоз, включенный в матрицу криогеля поливинилового спирта, при заявляемом соотношении компонентов является новым и обеспечивает получение технического результата, состоящего в повышении продуктивности процесса получения этанола из пентоз (повышении скорости конверсии пентоз в этанол) и повышении выхода целевого продукта - этанола. Дополнительный технический результат состоит в том, что заявляемый биокатализатор обеспечивает высокую продуктивность процесса конверсии в течение длительного времени, что позволяет его использовать многократно.The inventive biocatalyst for producing ethanol from pentoses, which is a microscopic fungus mycelium capable of producing ethanol and their pentoses, is included in the polyvinyl alcohol cryogel matrix, when the claimed ratio of components is new and provides a technical result consisting in increasing the productivity of the process for producing ethanol from pentoses (increasing the conversion rate of pentoses to ethanol) and increasing the yield of the target product, ethanol. An additional technical result is that the inventive biocatalyst provides high productivity of the conversion process for a long time, which allows it to be used repeatedly.

На Фиг.1 представлена динамика накопления этанола в периодических процессах сбраживания пентоз при многократном применении заявляемого биокатализатора на основе клеток различных мицелиальных грибов в различных средах, содержащих пентозы:Figure 1 presents the dynamics of the accumulation of ethanol in periodic processes of fermentation of pentoses with repeated use of the inventive biocatalyst based on cells of various mycelial fungi in various environments containing pentoses:

(▲) на основе клеток мицелиального гриба Aspergillus terreus F-1025 для получения этанола из ксилозы(▲) based on Aspergillus terreus F-1025 mycelial fungus cells to produce ethanol from xylose

(■) на основе клеток мицелиального гриба Mucor circinelloides F-1262 для получения этанола из арабинозы(■) based on cells of the mycelial fungus Mucor circinelloides F-1262 to produce ethanol from arabinose

(●) на основе клеток мицелиального гриба Fuzarium oxisporum F-931 для получения этанола из пентоз, входящих в состав ферментативного гидролизата кукурузных стеблей.(●) based on the cells of the mycelial fungus Fuzarium oxisporum F-931 to obtain ethanol from pentoses that are part of the corn stalk enzymatic hydrolyzate.

Нижеприведенные примеры иллюстрируют возможность практического осуществления заявляемого технического решения.The following examples illustrate the possibility of practical implementation of the proposed technical solution.

Пример 1. Биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Aspergillus terreus F-1025 для получения этанола из ксилозыExample 1. Biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Aspergillus terreus F-1025 to obtain ethanol from xylose

Для получения биокатализатора к 30 г 11%-ного водного раствора поливинилового спирта добавляют 3 мл суспензии спор мицелиального гриба Aspergillus terreus F-1025 с концентрацией 5×106 клеток/мл и перемешивают до получения однородной массы, которую затем используют для формирования с помощью криогрануляционной установки [Патент РФ №2036095] сферических гранул диаметром 1,5±0,2 мм. Гранулы замораживают при -20°С, выдерживают их в замороженном состоянии 16 ч, затем оттаивают при 8°С. Полученные гранулы криогеля поливинилового спирта (33 г) с включенными в него спорами мицелиального гриба помещают в аэробный реактор с 1 л среды, содержащей глюкозу (120 г/л), дрожжевой экстракт (5 г/л), (NH4)2SO4 (3,0 г/л), MgSO4×7H2O (0,25 г/л), ZnSO4×7H2O (0,25 г/л); NaCl (5,0 г/л), K3HPO4 (3,0 г/л), и проводят их культивирование при 28°С в течение 48 ч для прорастания спор и накопления мицелиальной биомассы в порах носителя. Сформированный таким образом биокатализатор общей массой 88,5 г имеет следующий состав (мас.%): биомасса мицелия - 10,0; поливиниловый спирт - 3,7; вода - до 100.To obtain a biocatalyst, to 30 g of an 11% aqueous solution of polyvinyl alcohol add 3 ml of a suspension of spores of Aspergillus terreus F-1025 filamentous fungus with a concentration of 5 × 10 6 cells / ml and mix until a homogeneous mass is obtained, which is then used to form using cryogranulation installation [RF Patent No. 2036095] spherical granules with a diameter of 1.5 ± 0.2 mm The granules are frozen at -20 ° C, kept in a frozen state for 16 hours, then thawed at 8 ° C. The obtained granules of polyvinyl alcohol cryogel (33 g) with the mycelial fungus spores included in it are placed in an aerobic reactor with 1 l of medium containing glucose (120 g / l), yeast extract (5 g / l), (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / l), MgSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / l), ZnSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / l); NaCl (5.0 g / L), K 3 HPO 4 (3.0 g / L), and they are cultured at 28 ° C for 48 hours to germinate spores and accumulate mycelial biomass in the pores of the carrier. Thus formed biocatalyst with a total mass of 88.5 g has the following composition (wt.%): Mycelium biomass - 10.0; polyvinyl alcohol - 3.7; water - up to 100.

Полученный биокатализатор помещают в анаэробный реактор периодического действия (1 л), заполненный средой (рН 5,0), содержащей в качестве основного сбраживаемого субстрата ксилозу (45 г/л), а также соли MgSO4×7H2O (0,25 г/л); (NH4)2SO4 (3,0 г/л); ZnSO4×7Н2О (0,25 г/л); NaCl (5,0 г/л); K2HPO4 (3,0 г/л). Процесс брожения проводят при 30°С без перемешивания. В течение 80 ч получено 20 г/л этанола, выход целевого продукта - 44,4% от внесенного субстрата, скорость сбраживания - 0,25 г/л/ч.The obtained biocatalyst is placed in a batch anaerobic reactor (1 L) filled with medium (pH 5.0) containing xylose (45 g / L) as well as the main fermentable substrate, and also MgSO 4 × 7H 2 O salt (0.25 g / l); (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / l); ZnSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / L); NaCl (5.0 g / L); K 2 HPO 4 (3.0 g / l). The fermentation process is carried out at 30 ° C without stirring. Within 80 h, 20 g / l of ethanol was obtained, the yield of the target product was 44.4% of the introduced substrate, the fermentation rate was 0.25 g / l / h.

Пример 2. Биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Mucor circinelloides F-1262 для получения этанола из арабинозыExample 2. Biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Mucor circinelloides F-1262 to obtain ethanol from arabinose

Для получения биокатализатора к 50 г 12%-ного водного раствора поливинилового спирта добавляют 5 мл суспензии спор мицелиального гриба Mucor circinelloides F-1262 с концентрацией 1×105 клеток/мл и перемешивают до получения однородной массы, которую затем разливают в 96-луночные иммунологические плашки с плоским дном (по 0,25 мл в лунку) для формирования гранул криогеля поливинилового спирта. Гранулы замораживают при -15°С, выдерживают их в замороженном состоянии 20 ч, затем оттаивают при 4°С. Полученные гранулы криогеля поливинилового спирта (55 г) с включенными в него спорами мицелиального гриба помещают в аэробный реактор с 1 л среды, содержащей глюкозу (100 г/л), дрожжевой экстракт (8 г/л), (NH4)2SO4 (3,5 г/л), MgSO4×7Н2О (0,2 г/л), ZnSO4×7H2O (0,2 г/л); NaCl (3,0 г/л), K2HPO4 (3,0 г/л), и проводят их культивирование при 30°С в течение 62 ч для прорастания спор и накопления мицелиальной биомассы в порах носителя. Сформированный таким образом биокатализатор общей массой 200 г имеет следующий состав (мас.%): биомасса мицелия - 14,5; поливиниловый спирт - 3,0; вода - до 100.To obtain a biocatalyst, 50 ml of a 12% aqueous solution of polyvinyl alcohol are added 5 ml of a suspension of spores of mycelial fungus Mucor circinelloides F-1262 with a concentration of 1 × 10 5 cells / ml and mixed until a homogeneous mass is obtained, which is then poured into 96-well immunological flat bottom plates (0.25 ml per well) to form polyvinyl alcohol cryogel granules. The granules are frozen at -15 ° C, kept in a frozen state for 20 hours, then thawed at 4 ° C. The obtained polyvinyl alcohol cryogel granules (55 g) with the mycelial fungus spores included in it are placed in an aerobic reactor with 1 l of glucose-containing medium (100 g / l), yeast extract (8 g / l), (NH 4 ) 2 SO 4 (3.5 g / l), MgSO 4 × 7H 2 O (0.2 g / l), ZnSO 4 × 7H 2 O (0.2 g / l); NaCl (3.0 g / L), K 2 HPO 4 (3.0 g / L), and they are cultured at 30 ° C for 62 hours to germinate spores and accumulate mycelial biomass in the pores of the carrier. Thus formed biocatalyst with a total mass of 200 g has the following composition (wt.%): Mycelium biomass - 14.5; polyvinyl alcohol - 3.0; water - up to 100.

Для получения спирта биокатализатор помещают в анаэробный реактор периодического действия (1 л), заполненный средой (рН 5,0), содержащей арабинозу (45 г/л) в качестве основного сбраживаемого субстрата, а также соли MgSO4×7H2O (0,25 г/л); (NH4)2SO4 (3,0 г/л); ZnSO4×7H2O (0,25 г/л); NaCl (5,0 г/л), K2HPO4 (3,0 г/л) и проводят процесс брожения при 28°С без перемешивания. В течение 46 ч получено 15,8 г/л этанола, выход целевого продукта - 35% от внесенного субстрата, скорость сбраживания - 0,34 г/л/ч.To obtain alcohol, the biocatalyst is placed in a batch anaerobic reactor (1 L) filled with medium (pH 5.0) containing arabinose (45 g / L) as the main fermentable substrate, as well as MgSO 4 × 7H 2 O salt (0, 25 g / l); (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / l); ZnSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / L); NaCl (5.0 g / l), K 2 HPO 4 (3.0 g / l) and carry out the fermentation process at 28 ° C without stirring. Within 46 h, 15.8 g / l of ethanol was obtained, the yield of the target product was 35% of the introduced substrate, the fermentation rate was 0.34 g / l / h.

Пример 3. Биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Rhizopus oryzae F-814 для получения этанола из рибозыExample 3. Biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Rhizopus oryzae F-814 to obtain ethanol from ribose

Для получения биокатализатора к 10 г 12,5%-ного водного раствора поливинилового спирта добавляют 5 мл суспензии спор мицелиального гриба Rhizopus oryzae F-814 с концентрацией 1×106 клеток/мл и перемешивают до получения однородной массы, которую затем разливают в 96-луночные иммунологические плашки со сферическим дном (по 0,3 мл в лунку) для формирования гранул криогеля поливинилового спирта. Гранулы замораживают при -15°С, выдерживают их в замороженном состоянии 14 ч, затем оттаивают при комнатной температуре. Полученные гранулы криогеля поливинилового спирта (15 г) с включенными в него спорами мицелиального гриба помещают в аэробный реактор с 300 мл среды, содержащей глюкозу (100 г/л), дрожжевой экстракт (3 г/л), (NH4)2SO4 (3,0 г/л), MgSO4×7H2O (0,2 г/л), ZnSO4×7H2O (0,2 г/л); NaCl (1,0 г/л), K2HPO4 (3,0 г/л), и проводят их культивирование при 28°С в течение 36 ч для прорастания спор и накопления мицелиальной биомассы в порах носителя. Сформированный таким образом биокатализатор общей массой 50 г имеет следующий состав (мас.%): биомасса мицелия - 20,0; поливиниловый спирт - 2,5; вода - до 100.To obtain a biocatalyst, to 10 g of a 12.5% aqueous solution of polyvinyl alcohol add 5 ml of a suspension of spores of mycelial fungus Rhizopus oryzae F-814 with a concentration of 1 × 10 6 cells / ml and mix until a homogeneous mass is obtained, which is then poured into 96- well immunological plates with a spherical bottom (0.3 ml per well) to form polyvinyl alcohol cryogel granules. The granules are frozen at -15 ° C, kept in a frozen state for 14 hours, then thawed at room temperature. The resulting polyvinyl alcohol cryogel granules (15 g) with the mycelial fungus spores included in it are placed in an aerobic reactor with 300 ml of glucose-containing medium (100 g / l), yeast extract (3 g / l), (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / L), MgSO 4 × 7H 2 O (0.2 g / L), ZnSO 4 × 7H 2 O (0.2 g / L); NaCl (1.0 g / l), K 2 HPO 4 (3.0 g / l), and they are cultured at 28 ° C for 36 hours to germinate spores and accumulate mycelial biomass in the pores of the carrier. Thus formed biocatalyst with a total mass of 50 g has the following composition (wt.%): Mycelium biomass - 20.0; polyvinyl alcohol - 2.5; water - up to 100.

Полученный биокатализатор помещают в анаэробный реактор периодического действия (1 л), заполненный средой (рН 5,0), содержащей рибозу (45 г/л) в качестве основного сбраживаемого субстрата, а также соли MgSO4×7H2O (0,2 г/л); (NH4)2SO4 (2,5 г/л); ZnSO4×7H2O (0,2 г/л); NaCl (3,0 г/л); K2HPO4 (3,0 г/л) и проводят процесс брожения при 28°С без перемешивания. В течение 63 ч получено 12,6 г/л этанола, выход целевого продукта - 28% от внесенного субстрата, скорость сбраживания - 0,20 г/л/ч.The obtained biocatalyst is placed in a batch anaerobic reactor (1 L) filled with medium (pH 5.0) containing ribose (45 g / L) as the main fermentable substrate, as well as MgSO 4 × 7H 2 O salt (0.2 g / l); (NH 4 ) 2 SO 4 (2.5 g / l); ZnSO 4 × 7H 2 O (0.2 g / L); NaCl (3.0 g / L); K 2 HPO 4 (3.0 g / l) and carry out the fermentation process at 28 ° C without stirring. Within 63 h, 12.6 g / l of ethanol was obtained, the yield of the target product was 28% of the applied substrate, the fermentation rate was 0.20 g / l / h.

Пример 4. Биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Fuzarium oxisporum F-931 для получения этанола из пентоз, входящих в состав ферментативного гидролизата кукурузных стеблейExample 4. Biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Fuzarium oxisporum F-931 to obtain ethanol from pentoses that are part of the enzymatic hydrolyzate of corn stalks

Для получения биокатализатора к 100 г 10%-ного водного раствора поливинилового спирта добавляют 1 мл суспензии спор мицелиального гриба Fuzarium oxisporum F-931 с концентрацией 1×108 клеток/мл и перемешивают до получения однородной массы, которую затем выливают ровным слоем толщиной 0,3 см на противень, который помещают в морозильную камеру при -13°С, где выдерживают в замороженном состоянии 18 ч, оттаивание проводят при 4°С. Получают криогель поливинилового спирта в виде листового материала (100 г) с включенными в него спорами мицелиального гриба, который с помощью шнекового экструдера и резака измельчают на гранулы произвольной формы с линейным размером не более 2,5 мм. Полученные гранулы помещают в аэробный реактор с 1 л среды, содержащей солодовое сусло (100 г/л), (NH4)2SO4 (3,0 г/л), MgSO4×7Н2О (0,25 г/л), ZnSO4×7Н2О (0,1 г/л); NaCl (2,0 г/л), K2HPO4 (3,0 г/л), и проводят их культивирование при 28°С в течение 52 ч для прорастания спор и накопления мицелиальной биомассы в порах носителя. Сформированный таким образом биокатализатор общей массой 200 г имеет следующий состав (мас.%): биомасса мицелия - 7,5; поливиниловый спирт - 5,0; вода - до 100.To obtain a biocatalyst, to 100 g of a 10% aqueous solution of polyvinyl alcohol add 1 ml of a suspension of spores of mycelial fungus Fuzarium oxisporum F-931 with a concentration of 1 × 10 8 cells / ml and mix until a homogeneous mass is obtained, which is then poured with an even layer with a thickness of 0. 3 cm on a baking sheet, which is placed in a freezer at -13 ° C, where it is kept frozen for 18 hours, thawing is carried out at 4 ° C. A cryogel of polyvinyl alcohol is obtained in the form of a sheet material (100 g) with the spores of the mycelial fungus included in it, which is crushed into granules of arbitrary shape with a linear size of no more than 2.5 mm using a screw extruder and a cutter. The granules obtained are placed in an aerobic reactor with 1 l of medium containing malt wort (100 g / l), (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / l), MgSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / l ), ZnSO 4 × 7H 2 O (0.1 g / L); NaCl (2.0 g / l), K 2 HPO 4 (3.0 g / l), and they are cultured at 28 ° C for 52 hours to germinate spores and accumulate mycelial biomass in the pores of the carrier. Thus formed biocatalyst with a total mass of 200 g has the following composition (wt.%): Mycelium biomass - 7.5; polyvinyl alcohol - 5.0; water - up to 100.

Полученный биокатализатор помещают в анаэробный реактор периодического действия (1 л), заполненный средой (рН 4,5), представляющей собой ферментативный гидролизат кукурузных стеблей, содержащий пентозы (ксилозу 7,9 г/л и арабинозу 0,1 г/л) и гексозы (глюкозу 2,4 г/л и галактозу 0,6 г/л), и проводят процесс брожения при 30°С без перемешивания. В течение 24 ч получено 5,5 г/л этанола из всех сахаров, присутствующих в среде, при этом выход целевого продукта из потребленных пентоз составляет 50%, скорость сбраживания - 0,23 г/л/ч.The obtained biocatalyst is placed in a batch anaerobic reactor (1 l) filled with medium (pH 4.5), which is an enzymatic hydrolyzate of corn stalks containing pentoses (xylose 7.9 g / l and arabinose 0.1 g / l) and hexoses (glucose 2.4 g / l and galactose 0.6 g / l), and carry out the fermentation process at 30 ° C without stirring. Within 24 hours, 5.5 g / l of ethanol was obtained from all sugars present in the medium, while the yield of the target product from consumed pentoses was 50%, the fermentation rate was 0.23 g / l / h.

Пример 5. Биокатализатор на основе клеток мицелиального гриба Aspergillus terreus F-2036 для получения этанола из пентоз, входящих в состав ферментативного гидролизата свекловичного жомаExample 5. Biocatalyst based on cells of the mycelial fungus Aspergillus terreus F-2036 to obtain ethanol from pentoses that are part of the beet pulp enzymatic hydrolyzate

Для получения биокатализатора к 100 г 13%-ного водного раствора поливинилового спирта добавляют 15 мл суспензии спор мицелиального гриба Aspergillus terreus F-2036 с концентрацией 2×107 клеток/мл и перемешивают до получения однородной массы, которую затем разливают в 96-луночные иммунологические плашки со сферическим дном (по 0,15 мл в лунку) для формирования гранул криогеля поливинилового спирта. Гранулы замораживают при -20°С, выдерживают их в замороженном состоянии 10 ч, затем оттаивают при 4°С. Полученные гранулы криогеля поливинилового спирта (115 г) с включенными в него спорами мицелиального гриба помещают в аэробный реактор с 1 л среды, содержащей глюкозу (120 г/л), дрожжевой экстракт (8 г/л), (NH4)2SO4 (3,0 г/л), MgSO4×7H2O (0,25 г/л), ZnSO4×7H2O (0,25 г/л); NaCl (2,0 г/л), K2HPO4 (3,0 г/л), и проводят их культивирование при 30°С в течение 32 ч для прорастания спор и накопления мицелиальной биомассы в порах носителя. Сформированный таким образом биокатализатор общей массой 320 г имеет следующий состав (мас.%): биомасса мицелия - 12,8; поливиниловый спирт - 4,1; вода - до 100.To obtain a biocatalyst, 100 ml of a 13% aqueous solution of polyvinyl alcohol add 15 ml of a suspension of spores of Aspergillus terreus F-2036 mycelium fungus with a concentration of 2 × 10 7 cells / ml and mix until a homogeneous mass is obtained, which is then poured into 96-well immunological dies with a spherical bottom (0.15 ml per well) to form polyvinyl alcohol cryogel granules. The granules are frozen at -20 ° C, kept them frozen for 10 hours, then thawed at 4 ° C. The obtained polyvinyl alcohol cryogel granules (115 g) with the mycelial fungus spores included in it are placed in an aerobic reactor with 1 l of medium containing glucose (120 g / l), yeast extract (8 g / l), (NH 4 ) 2 SO 4 (3.0 g / l), MgSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / l), ZnSO 4 × 7H 2 O (0.25 g / l); NaCl (2.0 g / l), K 2 HPO 4 (3.0 g / l), and they are cultured at 30 ° C for 32 hours to germinate spores and accumulate mycelial biomass in the pores of the carrier. Thus formed biocatalyst with a total weight of 320 g has the following composition (wt.%): Mycelium biomass - 12.8; polyvinyl alcohol - 4.1; water - up to 100.

Полученный биокатализатор помещают в анаэробный реактор периодического действия (1 л), заполненный средой (рН 4,65), представляющей собой ферментативный гидролизат неосветвленных волокон свекловичного жома, содержащий пентозы (арабинозу 10,4 г/л и ксилозу 0,2 г/л) и гексозы (глюкозу 13,0 г/л и фруктозу 2,2 г/л), и проводят процесс брожения при 28°С без перемешивания. В течение 42 ч получено 12,2 г/л этанола из всех сахаров, присутствующих в среде, при этом выход целевого продукта из потребленных пентоз составляет 43,4%, скорость сбраживания - 0,29 г/л/ч.The obtained biocatalyst is placed in a batch anaerobic reactor (1 l) filled with medium (pH 4.65), which is an enzymatic hydrolyzate of unclarified beet pulp fibers containing pentoses (arabinose 10.4 g / l and xylose 0.2 g / l) and hexoses (glucose 13.0 g / l and fructose 2.2 g / l), and carry out the fermentation process at 28 ° C without stirring. Within 42 hours, 12.2 g / l of ethanol was obtained from all sugars present in the medium, while the yield of the target product from consumed pentoses was 43.4%, the fermentation rate was 0.29 g / l / h.

Пример 6. Пример многократного использования заявляемого биокатализатора для получения этанола из пентоз в периодическом процессе.Example 6. An example of repeated use of the inventive biocatalyst to obtain ethanol from pentoses in a batch process.

При многократном использовании заявляемого биокатализатора в периодическом процессе после завершения одного цикла, осуществленного в условиях, описанных в соответствующих Примерах, содержащую целевой продукт культуральную жидкость сливают через установленный в реакторе сетчатый фильтр, после чего в реактор добавляют новую порцию субстратсодержащего раствора и проводят следующий цикл в аналогичных условиях.With repeated use of the inventive biocatalyst in a batch process after completion of one cycle, carried out under the conditions described in the corresponding Examples, the culture fluid containing the target product is poured through a mesh filter installed in the reactor, after which a new portion of the substrate-containing solution is added to the reactor and the next cycle is carried out in similar conditions.

На чертеже представлена зависимость конечной концентрации этанола, накапливающегося в среде к концу каждого рабочего цикла, осуществленного, как описано в Примерах 1 (▲), 2 (■) и 4 (●), при многократном использовании биокатализатора в периодическом процессе сбраживания пентоз. Представленные данные подтверждают возможность многократного использования заявляемого биокатализатора для получения этанола из пентоз в периодическом процессе, а также позволяют определить период полуинактивации биокатализаторов, приведенных в Примерах 1, 2 и 4, который составляет соответственно 869 ч, 810 ч и 405 ч.The drawing shows the dependence of the final concentration of ethanol accumulating in the medium at the end of each working cycle, carried out as described in Examples 1 (▲), 2 (■) and 4 (●), with repeated use of the biocatalyst in the periodic process of fermentation of pentoses. The presented data confirm the possibility of repeated use of the inventive biocatalyst to obtain ethanol from pentoses in a batch process, and also allow you to determine the half-inactivation period of the biocatalysts shown in Examples 1, 2 and 4, which is 869 hours, 810 hours and 405 hours, respectively.

Приведенные примеры показывают, что заявляемый биокатализатор может быть использован для получения этанола как однократно, так и многократно в периодических процессах для сбраживания различных пентоз (ксилозы, арабинозы, рибозы), взятых по отдельности или в смесях с другими сахарами, при этом он обеспечивает увеличение скорости конверсии до 0,34 г/л/ч и выхода целевого продукта до 50% от внесенного субстрата.The above examples show that the inventive biocatalyst can be used to produce ethanol both once and repeatedly in batch processes for the fermentation of various pentoses (xylose, arabinose, ribose), taken individually or in mixtures with other sugars, while it provides an increase in speed conversions up to 0.34 g / l / h and the yield of the target product up to 50% of the applied substrate.

Таким образом, предлагаемое техническое решение может быть использовано для повышения эффективности биотехнологического получения этанола из целлюлозосодержащего сырья.Thus, the proposed technical solution can be used to increase the efficiency of biotechnological production of ethanol from cellulose-containing raw materials.

Claims (1)

Биокатализатор для получения этанола из пентоз, характеризующийся тем, что он содержит иммобилизованный мицелий микроскопического гриба, способного сбраживать пентозы в этиловый спирт, включенный в криогель на основе поливинилового спирта, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мицелий микроскопического гриба 7,5÷20,0 поливиниловый спирт 2,5÷5,0 вода до 100
Biocatalyst for producing ethanol from pentoses, characterized in that it contains immobilized mycelium of a microscopic fungus capable of fermenting pentoses into ethanol, incorporated into a polyvinyl alcohol-based cryogel, in the following ratio, wt.%:
microscopic fungus mycelium 7.5 ÷ 20.0 polyvinyl alcohol 2.5 ÷ 5.0 water up to 100
RU2008135918/13A 2008-09-05 2008-09-05 Biocatalyst for producing ethanol from pentose RU2391402C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008135918/13A RU2391402C2 (en) 2008-09-05 2008-09-05 Biocatalyst for producing ethanol from pentose

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008135918/13A RU2391402C2 (en) 2008-09-05 2008-09-05 Biocatalyst for producing ethanol from pentose

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008135918A RU2008135918A (en) 2010-03-10
RU2391402C2 true RU2391402C2 (en) 2010-06-10

Family

ID=42134904

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008135918/13A RU2391402C2 (en) 2008-09-05 2008-09-05 Biocatalyst for producing ethanol from pentose

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2391402C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626528C2 (en) * 2015-07-07 2017-07-28 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) Immobilized bioacatalyst for fumaric acid production

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LUBBEHUSEN T.L., NIELSEN J., McINTYRE M. Aerobic and anaerobic ethanol production by Mucor circinelloides during submerged growth. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2004, v.63, p.543-548. МАРТЫНЕНКО Н.Н., ГРАЧЕВА И.М., САРИШВИЛИ Н.Г. и др. Иммобилизация шампанских дрожжей включением в криогель ПВС, новые пути предотвращения выхода клеток из матрицы носителя. Прикладная биохимия и микробиология, 2004, т.40, №2, с.186-193. *
ЛОЗИНСКИЙ В.И. и др. Реологические свойства криогелей поливинилового спирта, содержащих иммобилизованные клетки микроорганизмов. Инженерная энзимология. Материалы VI Всесоюзного симпозиума, ч.1. - Вильнюс: 1988, с.71-74. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626528C2 (en) * 2015-07-07 2017-07-28 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) Immobilized bioacatalyst for fumaric acid production

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008135918A (en) 2010-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nikolić et al. Production of bioethanol from corn meal hydrolyzates by free and immobilized cells of Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus
Yu et al. An novel immobilization method of Saccharomyces cerevisiae to sorghum bagasse for ethanol production
Karagöz et al. Ethanol production from wheat straw by Saccharomyces cerevisiae and Scheffersomyces stipitis co-culture in batch and continuous system
Favela-Torres et al. Kinetics of growth of Aspergillus niger during submerged, agar surface and solid state fermentations
Razmovski et al. Bioethanol production from sugar beet molasses and thick juice using Saccharomyces cerevisiae immobilized on maize stem ground tissue
Silva et al. Factors that affect the biosynthesis of xylitol by xylose-fermenting yeasts a review
Grootjen et al. Cofermentation of glucose and xylose with immobilized Pichia stipitis and Saccharomyces cerevisiae
Todhanakasem et al. Zymomonas mobilis biofilm reactor for ethanol production using rice straw hydrolysate under continuous and repeated batch processes
CN110713939B (en) Strain for degrading lignocellulose source inhibitor under extremely low pH condition and application
Behera et al. Ethanol fermentation of mahula (Madhuca latifolia) flowers using free and immobilized bacteria Zymomonas mobilis MTCC 92
Fujii et al. Ethanol production from starch by immobilized Aspergillus awamori and Saccharomyces pastorianus using cellulose carriers
Singh et al. Simultaneous raw starch hydrolysis and ethanol fermentation by glucoamylase from Rhizoctonia solani and Saccharomyces cerevisiae
El-Diwany et al. Effect of some fermentation parameters on ethanol production from beet molasses by Saccharomyces cerevisiae Y-7
Linko et al. Alcoholic fermentation of D-xylose by immobilized Pichia stipitis yeast
US4351905A (en) Horizontal fermenter
Todhanakasem et al. Development of corn silk as a biocarrier for Zymomonas mobilis biofilms in ethanol production from rice straw
Castellar et al. Effect of zeolite addition on ethanol production from glucose by Saccharomyces bayanus
RU2391402C2 (en) Biocatalyst for producing ethanol from pentose
US5397700A (en) Method of producing products with a bilayer pellet containing a coimmobilized enzyme system that maintains a ph difference
Giordano et al. Continuous production of ethanol from starch using glucoamylase and yeast co-immobilized in pectin gel
Behera et al. Ethanol production from mahula (Madhuca latifolia L.) flowers using free and immobilized (in Luffa cylindrical L. sponge discs) cells of Zymomonas mobilis MTCC 92
Behera et al. Comparative study of bioethanol production from mahula (Madhuca latifolia L.) flowers by immobilized cells of Saccharomyces cerevisiae and Zymomonas mobilis in calcium alginate beads
US5254468A (en) Bilayer pellet containing immobilized xylose isomerase and urease for the simultaneous isomerization and fermentation of xylose to ethanol
Amin et al. Direct alcoholic fermentation of starchy biomass using amylolytic yeast strains in batch and immobilized cell systems
Karimi et al. Mucor indicus as a biofilter and fermenting organism in continuous ethanol production from lignocellulosic hydrolyzate