Effect of the autohydrolytic treatment of Miscanthus sacchariflorus Andersson on the yield of the reducing substances during the subsequent fermentolysis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The effect of the autohydrolytic treatment of Miscanthus sacchariflorus Andersson on the yield of the reducing substances during the subsequent fermentolysis has been determined. It was established that a change in the conditions of the auto-hydrolytic treatment of Miscanthus sacchariflorus Andersson induces a formation of solid fractions containing cellulose, lignin, hemicellulose and mineral substances, the ratio of which depends on the severity factor, i.e. temperature and processing time. It was shown that at the severity factor of 5.67, almost complete hydrolysis of hemicellulose occurs, however, there is an increase in the lignin content in the solid fraction (up to 46.0 %) relative to the lignin content in the feedstock (20.8 %), which is due to lignin condensation with a consequent formation of pseudo lignin. The highest content of cellulose in the solid phase is observed as a result of hydrolytic processing of raw materials with a severity factor of 4.17 to 4.39, a temperature of 160 оС and a processing time of 25 min. At an increased temperature, an increase in the acidity of the medium catalyzes the hydrolysis of cellulose and reduces its content in the solid fraction to 60 % at a severity factor of 5.67. During the auto-hydrolytic treatment of Miscanthus sacchariflorus Andersson, an increase in the ash content in the solid fraction is observed. The solid fractions obtained after treatment with Miscanthus sacchariflorus Andersson were used as a substrate and were subjected to enzymatic hydrolysis with the enzyme preparations “Cellolux-A” and “BrewZime BGX” at an initial substrate concentration of 33 g/l. The increase in the yield of reducing substances has shown a steady increase with the removal of hemicelluloses and reached its maximum value (45.1 %) with an increase in the treatment severity factor to 4.48. The availability of the cellulose surface for the action of enzymes has decreased with an increase in the stiffness factor beyond a value of 4.48 due to the accumulation of lignin in the solid phase, as evidenced by a decrease in the yield of reducing substances in the enzyme to 31.8 %.

About the authors

I. N. Pavlov

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: pawlow-in@mail.ru

References

  1. Гладышева Е.К., Голубев Д.С., Скиба Е.А. Исследование биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы продуцентом Мedusomyces gisevii Sa-12 на ферментативном гидролизате продукта щелочной делигнификации мискантуса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 260–269. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-2-260-269
  2. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11. Issue 10. P. 1645. https://doi.org/10.3390/polym11101645
  3. Байбакова О.В., Влияние предварительной обработки энергетической культуры мискантуса на выход биоэтанола // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 3. С. 79–84. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84
  4. Mahmood H., Moniruzzaman M., Iqbal T., Khan M.J. Recent advances in the pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuels and valueadded products // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2019. Vol. 20. P. 18–24. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2019.08.001
  5. Bychkov A.L., Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. The role of mechanical action in the process of the thermome-chanical isolation of lignin // Cellulose. 2018. Vol. 25. Issue 1. P. 1–5. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1536-y
  6. Jiang K., Li L., Long L., Ding S. Comprehensive evaluation of combining hydrothermal pretreatment (autohydrolysis) with enzymatic hydrolysis for efficient release of monosaccharides and ferulic acid from corn bran // Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 113. P. 348–357. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.01.047
  7. Jiang W., Chang S., Qu Y., Zhang Z., Xu J. Changes on structural properties of biomass pretreated by combined deacetylation with liquid hot water and its effect on enzymatic hydrolysis // Bioresource Technology. 2016. Vol. 220. P. 448–456. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.087
  8. Gu B.-J., Dhumal G.S., Wolcott M.P., Ganjyal G.M. Disruption of lignocellulosic biomass along the length of the screws with different screw elements in a twin-screw extruder // Bioresource Technology. 2019. Vol. 275, P. 266–271. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.12.033
  9. Lyu H., Zhou J., Geng Z., Lyu C., Li Y. Two-stage processing of liquid hot water pretreatment for recovering C5 and C6 sugars from cassava straw // Process Biochemistry. 2018. Vol. 75. P. 202–211. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.10.003
  10. Cardona E., Llano B., Penuela M., Juan Pena J., Rios L.A. Liquid-hot-water pretreatment of palm-oil residues for ethanol production: An economic approach to the selection of the processing conditions // Energy. 2018. Vol. 160. P. 441–451. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.045
  11. Da Costa R.M.F., Pattathil S., Avci U., Winters A., Hahn M.G., Bosch M. Desirable plant cell wall traits for higher-quality miscanthus lignocellulosic biomass // Biotechnology for Biofuels. 2019. Vol. 12. Issue 1. Article:85. 18 p. https://doi.org/10.1186/s13068-019-1426-7
  12. Pavlov I.N., Denisova M.N., Makarova E.I., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Versatile thermobaric setup and production of hydrotropic cellulose therein // Cellulose Chemistry and Technology. 2015. Vol. 49. Issue 9-10. P. 847–852
  13. Batista G.O., Souza R.B.A., Pratto B., Dos Santos-Rocha M.S.R, Cruz A.J.G. Effect of severity factor on the hydrothermal pretreatment of sugarcane straw // Bioresource Technology. 2019. Vol. 275. P. 321–327. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.12.073
  14. Sabanci K., Buyukkileci A.O. Comparison of liquid hot water, very dilute acid and alkali treatments for enhancing enzymatic digestibility of hazelnut tree pruning residues // Bioresource Technology. 2018. Vol. 261. P. 158–165. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.03.136
  15. Кащеева Е.И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. N 10. С. 5–11. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11
  16. Miller G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar // Analytical Chemistry. 1959. Vol. 31. N 3. P. 426–428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030
  17. Michelin M., Teixeira J.A. Liquid hot water pretreatment of multi feedstocks and enzymatic hydrolysis of solids obtained thereof // Bioresource Technology. 2016. Vol. 216. P. 862–869. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.018
  18. Moniz P., Pereira H., Duarte L.C., Carvalheiro F. Hydrothermal production and gel filtration purification of xylo-oligosaccharides from rice straw // Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 62. P. 460–465. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.09.020
  19. Liu L., Liu W., Hou Q., Chen J., Xu N. Understanding of pH value and its effect on autohydrolysis pretreatment prior to poplar chemithermomechanical pulping // Bioresource Technology. 2015. Vol. 196. P. 662–667. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.034
  20. Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Bychkov A.L., Lomovskii O.I. Changes in structure of cell wall polymers in thermomechanical treatment of highly lignified plant feedstock // Doklady Physical Chemistry. 2017. Vol. 473. Issue 1. P. 49–51. https://doi.org/10.1134/S0012501617030046
  21. Ko J.K., Kim Y., Ximenes E., Ladisch M.R. Effect of liquid hot water pretreatment severity on properties of hardwood lignin and enzymatic hydrolysis of cellulose // Biotechnology and Bioengineering. 2015. Vol. 112. Issue 2. P. 252–262. https://doi.org/10.1002/bit.25349
  22. Gan S., Zakaria S., Chen R.S., Chia C.H., Padzil F.N.M., Moosavi S. Autohydrolysis processing as an alternative to enhance cellulose solubility and preparation of its regenerated biobased materials // Materials Chemistry and Physics. 2017. Vol. 192. P. 181–189. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.01.012
  23. Zhu R., Yadama V. Effects of hot water extraction pretreatment on physicochemical changes of Douglas fir // Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 90. P. 78–89. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.03.028
  24. Chena T.-Y., Wena J.-L., Wanga B., Wanga H.-M., Liub C.-F., Suna R.-C. Assessment of integrated process based on autohydrolysis and robust delignification process for enzymatic saccharification of bamboo // Bioresource Technology. 2017. Vol. 244. P. 717–725. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.032

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».