Статья в журнале. Kinetics of the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials at different concentrations of the substrate

Подробности: Создано: 10.12.2016 05:42; Обновлено: 12.05.2018 10:25

Kinetics of the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials at different concentrations of the substrate
Budaeva V.V., Skiba E.A., Baibakova O.V., Makarova E.I., Orlov S.E., Kukhlenko A.A., Udoratina E.V., Shcherbakova T.P., Kuchin A.V., Sakovich G.V.
Catalysis in Industry, 2016, Volume 8, Issue 1, Pages 81-87.

DOI: 10.1134/S2070050416010025

РИНЦ: http://elibrary.ru/item.asp?id=27151465 https://elibrary.ru/item.asp?id=24300631

Кинетика ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов при различных концентрациях субстрата
Будаева В.В., Скиба Е.А., Байбакова О.В., Макарова Е.И., Орлов С.Е., Кухленко А.А., Удоратина Е.В., Щербакова Т.П., Кучин А.В., Сакович Г.В.
Катализ в промышленности. - 2015. - Т. 15. - № 5. - С. 60-66.

Abstract:
The kinetics of the enzymatic hydrolysis of two substrates—lignocellulosic materials from Miscanthus and oat hulls—in an acetate buffer is studied at different concentrations of the substrates. The substrates are obtained via single-step treatment with a dilute solution of nitric acid. The content of a nonhydrolyzable component—acid-insoluble lignin—for Miscanthus and oat hulls was 11 and 14%, respectively. A multi-enzyme composition of commercially available enzyme preparations CelloLux-A and BrewZyme BGX was used as a catalyst. It is shown that treatment with the nitric acid solution produces reactive substrates for the enzymatic hydrolysis. The innovative science of the results is confirmed by Russian patent 2533921. Kinetics of the enzymatic hydrolysis of these substrates in an acetate buffer can be described by a mathematical model based on a modified Michaelis–Menten equation. The main kinetic constants for both substrates are determined from the experimental data. The equilibrium concentrations of reducing substances (RSes) for the substrates are calculated from the initial substrate concentrations. It is found that within the studied range of substrate concentrations (33.3–120.0 g/L), the initial rate of enzymatic hydrolysis for the lignocellulosic material from oat hulls is higher than that for the lignocellulosic material from Miscanthus by 1 g/(L h). It is shown that the yield of RS depends of the initial concentration of the substrates: as the concentration rises from 33.3 to 120 g/L, the yield of RS falls 1.5–2.0 times, due to substrate inhibition. At low initial concentrations, the yields of RS are similar for the substrates from Miscanthus and oat hulls. When the initial concentration of the substrate reaches 120 g/L, the yield of reducing substances for the lignocellulosic material from Miscanthus is approximately 20% higher than that for the lignocellulosic material from oat hulls. The established dependences and the proposed mathematical model allow us to optimize the initial concentration of the substrate for efficient enzymatic hydrolysis.

Реферат:
Изучена кинетика ферментативного гидролиза в ацетатном буфере двух субстратов - лигноцеллюлозного материала из мискантуса и плодо- вых оболочек овса (ПОО) - при различных концентрациях субстрата. Субстраты получены одностадийной обработкой разбавленным раство- ром азотной кислоты, содержание негидролизуемого компонента - кислотонерастворимого лигнина - составляет 11 и 14 % для мискантуса и ПОО соответственно. В качестве катализатора была применена мультиэнзимная композиция из промышленно доступных ферментных пре- паратов «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Показано, что обработка раствором азотной кислоты позволяет получать реакционноспособные субстраты для ферментолиза. Научная новизна результатов подтверждена патентом РФ 2533921. Кинетика ферментолиза данных субстратов в ацетатном буфере может быть описана математической моделью на основе модифицированного уравнения Михаэлиса - Ментен. Из экс- периментальных данных определены основные кинетические константы ферментолиза для обоих субстратов. Рассчитаны значения равно- весных концентраций редуцирующих веществ (РВ) для субстратов в зависимости от их начальной концентрации. Установлено, что начальная скорость ферментолиза для лигноцеллюлозного материала из ПОО выше на 1 г/(л·ч), чем для лигноцеллюлозного материала из мискантуса во всем изученном диапазоне концентраций субстратов (33,3-120,0 г/л). Показано, что выход РВ зависит от начальной концентрации субстра- тов: при ее увеличении от 33,3 до 120,0 г/л выход РВ снижается в 1,5-2,0 раза, что обусловлено субстратным ингибированием. При низких начальных концентрациях выходы РВ для субстратов из мискантуса и ПОО близки. При повышении начальной концентрации субстрата до 120,0 г/л выход РВ из лигноцеллюлозного материала мискантуса примерно на 20 % выше выхода РВ для лигноцеллюлозного материала ПОО. Установленные зависимости и построенная математическая модель позволяют оптимизировать значения начальных концентраций субстрата для эффективного проведения ферментолиза.