Delignifikacija kukuruzne stabljike primenom zelenih rastvarača

Abstract

Lignoceluloza čini glavnu komponentu poljoprivrednog i organskog komunalnog otpada. Zahvaljujući svom sastavu, koji uključuje visok sadržaj šećera, dostupnosti i biorazgradivosti, predstavlja kvalitetnu polaznu sirovinu u biorafinerijskim procesima. Razgradnja kompleksne lignocelulozne strukture je ključni korak u njenoj valorizaciji. Konvencionalne metode za razgradnju lignoceluloze zasnivaju se na upotrebi jakih kiselina i baza i/ili visokih temperatura i pritisaka, čineći ih energetski, ekonomski i ekološki nepovoljnim. Jedan od načina da se ovaj problem prevaziđe je upotreba tzv. „zelenih“ rastvarača, poput vode i etanola. Predmet ovog rada je upotreba zelenih rastvarača u kombinaciji sa gasnom plazmom za razgradnju lignocelulozne biomase pri atmosferskim uslovima. Kukuruzna stabljika je korišćena kao model supstrat, pripremljen sa vodom ili 96% etanolom kao rastvaračima. Za tretman gasnom plazmom korišćena je netermalna gasna plazma igla. Efikasnost primenjenih tretmana praćena je sa aspekta delignifikacije kukuruzne stabljike i naknadne enzimske hidrolize tretirane frakcije. Sadržaj lignina u uzorcima nakon tretmana određivan je na osnovu njegove rastvorljivosti u acetil bromidu (ABSL – acetyl-bromide soluble lignin, engl.). Frakcije dobijene nakon tretmana su podvrgnute enzimskoj hidrolizi sa komercijalnom smešom celulaza, hemicelulaza i ?-galaktozidaza, Cellic CTec 2 (Novozymes, Danska). Nakon 48-časovne hidrolize u dobijenim hidrolizatima je određivan sadržaj heksoza i pentoza. Sadržaj lignina smanjen je za 40% tokom tretmana plazmom u trajanju od 30 minuta u etanolu. U slučaju vode razgrađeno je 20% lignina pri istoj dužini tretmana. Međutim, produžavanjem dužine tretmana na 60 minuta u vodi postignuta je značajna delignifikacija, smanjenjem sadržaja lignina za 50% u odnosu na netretiranu biomasu. Dodatno produžavanje tretmana plazmom na 90 minuta nije dovelo do povećanja stepena delignifikacije. Prinosi šećera ostvareni nakon hidrolize su u skladu sa delignifikacijom, pri čemu je najveći prinos postignut nakon plazma tretmana u etanolu tokom 30 minuta, odnosno u vodi tokom 60 minuta. Primenom kombinovanog plazma tretmana moguće je razgraditi lignin i olakšati prodor enzima do ugljeno-hidratne komponente lignoceluloze pri atmosferskim uslovima, bez upotrebe jakih kiselina, baza ili organskih rastvarača. Upotrebom navedenih zelenih rastvarača smanjuje se potreba za dodatnim koracima prečišćavanja tretirane biomase, a i naknadne faze enzimske hidrolize i fermentacije su značajno jednostavnije. Osim toga, moguća je rekuperacija iskorišćenog etanola, što je u skladu sa principima cirkularne bioekonomije.