Karakteristike ćelijskog zida kukuruzne biomase nakon oksidativnog tretmana

Abstract

Najveći deo ćelijskog zida viših biljaka se sastoji od tri polimerna molekula, celuloze, hemiceluloze i lignina. Imajući u vidu zastupljenost ova tri polimera u prirodi, lignocelulozna biomasa se danas smatra važnom sirovinom za proizvodnju biogoriva i biohemikalija. U navedenim procesima prvi i najvažniji korak je narušavanje složene strukture lignocelulozne biomase i oslobađanje polisaharidnih frakcija, čime se biomasa priprema za hidrolizu do prostih šećera. Cilj ovog rada bio je ispitati na koji način oksidativni tretman primenom vodonik peroksida u alkalnim uslovima utiče na karakteristike ćelijskog zida kukuruzne biomase i da li nastale promene u sastavu i strukturi tretirane biomase dovode do efikasnije enzimske hidrolize. Kukuruzna biomasa je tretirana alkalnim rastvorom vodonik peroksida u mikrotalasnoj pećnici u trajanju od 60 s i pri snazi od 360 W. Nakon ispiranja i sušenja, uzorci su podvrgnuti enzimskoj hidrolizi pomoću enzima Cellic® CTec2, kao i odgovarajućim analitičkim metodama za određivanje dostupnosti celuloze, kapaciteta adsorpcije enzima, indeksa kristaliničnosti i stepena delignifikacije. Efikasnost hidrolize tretirane i netretirane biomase je utvrđena merenjem koncentracije redukujućih šećera u dobijenim hidrolizatima. Dostupnost celuloze je ispitivana na osnovu adsorpcije boje Kongo crveno i izračunavanjem površine celuloze fitovanjem eksperimentalno dobijenih podataka sa jednačinom Lengmirove adsorpcione izoterme. Indeks kristaliničnosti je određen na osnovu vrednosti jodnog broja, a stepen delignifikacije acetil-bromid metodom. Takođe, ispitivanjem adsorpcije enzima Cellic® CTec2 i na osnovu konstanti Lengmirove adsorpcione izoterme utvrđen je maksimalni kapacitet adsorpcije enzima. Dobijeni rezultati su pokazali da vodonik peroksid pri ispitivanim uslovima prvenstveno reaguje sa ligninom. Udeo lignina u tretiranoj biomasi je bio za 70% manji u odnosu na netretirani uzorak. Usled smanjenja sadržaja lignina površina celuloze tretirane biomase (186,97 m2/g) je bila značajno veća u odnosu na netretiranu (57,36 m2/g), što znači da se ispitivanim tretmanom povećava površina celuloze koja je dostupna za vezivanje celulolitičkih enzima tokom hidrolize. Takođe, tretman je doveo do povećanja indeksa kristaliničnosti za 17,5%. Ispitivanjem adsorpcije enzima pokazano je da tretirana biomasa ima veći maksimalni kapacitet adsorpcije enzima u odnosu na netretirani uzorak. Konačno, hidrolizom tretirane biomase je postignuta značajno veća koncentracija redukujućih šećera (33,04 g/L) u odnosu na netretiranu biomasu (4,39 g/L). Rezultati ovog rada doprinose boljem razumevanju efekata ispitivanog tretmana i razvoju efikasnijeg procesa frakcionisanja biomase, a time i bolje hidrolize dobijenih frakcija do prostih šećera, koji se dalje mogu koristiti za fermentacionu proizvodnju biogoriva i/ili biohemikalija.