Preview

Шәкәрім Университетінің Хабаршысы. Техникалық ғылымдар сериясы

Кеңейтілген іздеу

ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗА БИОМАССАСЫН ӨҢДЕУ ҮШІН ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИКАЛЫҚ МИКРООРГАНИЗМДЕРДІ ҚОЛДАНУДАҒЫ ЗАМАНАУИ ЖЕТІСТІКТЕР

https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-4(16)-32

Толық мәтін:

Аннотация

Лигноцеллюлоза биомассасы (LCB) биоотын және басқа да жоғары құнды өнімдерді алу үшін маңызды ресурс болып табылады. LCB негізгі компоненттері целлюлоза мен лигнин болып табылады, олар ыдырауы қиын. Соңғы жылдардағы зерттеулер осы компоненттерді тиімді ыдырату үшін Bacillus subtilis бактериялары, Trichoderma reesei саңырауқұлақтары және Penicillium oxalicum сияқты целлюлозолитикалық микроорганизмдерді қолдануға бағытталған. Мақалада терең эвтектикалық еріткіштерді (DES) қолдануды қоса алғанда, заманауи жетістіктерге шолу жасалады, бұл целлюлозаның қол жетімділігінің жақсарғанын және қанттың 80%-ға дейін көтерілгенін көрсетті. Күріш сабаны сияқты агроөнеркәсіптік қалдықтарды ферменттер өндірісінің субстраты ретінде пайдалану өндіріс құнын төмендетуге көмектеседі және айналмалы биоэкономиканы қолдайды.
Мультиферментті кешендер мен микроорганизмдердің генетикалық түрлендірілген штаммдарының дамуын қоса алғанда, ферментативті өңдеудің тиімділігін арттыру стратегиялары сипатталған. Мысалы, Clostridium cellulosi-ден көпфункционалды ферменттерді қолдану қанттың өнімділігін 30%-ға арттыруға мүмкіндік берді. LCB өңдеуде синергетикалық әсерді қамтамасыз ететін саңырауқұлақ дақылдары мен гидротермиялық өңдеу әдістерін біріктіру мүмкіндіктері қарастырылады.
Целлюлазалар, гемицеллюлазалар және лигниназалар сияқты негізгі ферменттерге және олардың өсімдік полимерлерін ыдыратудағы рөліне ерекше назар аударылады. Термостабильді ферменттерді әзірлеуді, экологиялық таза өңдеу әдістерін енгізуді және жаңа технологияларды өнеркәсіптік биорефинерияға біріктіруді қоса алғанда, қосымша зерттеулердің болашағы талқыланады.

Авторлар туралы

А. У. Исаева
Шымкент Университеті
Қазақстан

Ақмарал Умурбековна Исаева – биология ғылымдарының докторы, профессор. Экология және биология ҒЗИ директоры 

160031, Қазақстан Республикасы, Шымкент қаласы, Қаратау ауданы, Жібек жолы көшесі, № 6 жер учаскесі 



С. С. Каримова
Шымкент Университеті
Қазақстан

Саулет Сабитхановна Каримова – постдокторант, Экология және биология ҒЗИ аға ғылыми қызметкері 

160031, Қазақстан Республикасы, Шымкент қаласы, Қаратау ауданы, Жібек жолы көшесі, № 6 жер учаскесі 



А. И. Жұмадулаева
Шымкент Университеті
Қазақстан

Алиса Исаевна Жұмадулаева – ауыл шаруашылығы ғылымдарының кандидаты, жаратылыстану ғылымдары кафедрасының аға оқытушысы 

160031, Қазақстан Республикасы, Шымкент қаласы, Қаратау ауданы, Жібек жолы көшесі, № 6 жер учаскесі 



Р. Б. Аралбаева
Шымкент Университеті
Қазақстан

Райхан Бурахановна Аралбаева – жаратылыстану ғылымдары кафедрасының магистрі, аға оқытушысы

160031, Қазақстан Республикасы, Шымкент қаласы, Қаратау ауданы, Жібек жолы көшесі, № 6 жер учаскесі 



С. Б. Әширбаева
Шымкент Университеті

Салтанат Бибатровна Әширбаева – жаратылыстану ғылымдары кафедрасының магистрі, аға оқытушысы 

160031, Қазақстан Республикасы, Шымкент қаласы, Қаратау ауданы, Жібек жолы көшесі, № 6 жер учаскесі 



Әдебиет тізімі

1. Deep eutectic solvents as promising pretreatment agents for sustainable lignocellulosic biorefineries: a review / V. Sharma et al // Bioresour. Technol. – 2022. – Vol. 360. – P. 127631. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127631.

2. Agro-industrial food waste as a low-cost substrate for sustainable production of industrial enzymes: a critical review / V. Sharma et al // Catalysts. – 2022. – Vol. 12. – P. 1373. https://doi.org/10.3390/catal12111373.

3. Agricultural waste biorefinery development towards circular bioeconomy / M.K. Awasthi et al // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2022. – Vol. 158. – P. 112122. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112122.

4. Rojas L.F. Agro-industrial waste enzymes: perspectives in circular economy / L.F. Rojas, P. Zapata, L. Ruiz-Tirado // Curr. Opin. Green Sustain. Chem. – 2022. – Vol. 34. – P. 100585. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2021.100585.

5. Lignocellulosic biomass valorization for bioethanol production: a circular bioeconomy approach / А. Devi et al // Bioenergy Res. – 2022. https://doi.org/10.1007/s12155-022-10401-9.

6. Devi M.M. Rice straw: a major renewable lignocellulosic biomass for value-added carbonaceous materials. / M.M. Devi, N. Aggarwal, S. Saravanamurugan // Curr. Green Chem. – 2020. – Vol. 7. – P. 290-303. https://doi.org/10.2174/2213346106666191127120259.

7. Review on neoteric biorefinery systems from detritus lignocellulosic biomass: a profitable approach / N. Kaur et al // J. Clean. Prod. – 2020. – Vol. 256. – P. 120607. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120607.

8. Saini S. Fungal lignocellulolytic enzymes and lignocellulose: a critical review on their contribution to multiproduct biorefinery and global biofuel research / S. Saini, K.K. Sharma // Int. J. Biol. Macromol. – 2021. – Vol. 193. – P. 2304-2319. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.11.063.

9. Role of systematic biology in biorefining of lignocellulosic residues for biofuels and chemicals production / V. Sharma et al // Sustainable Biotechnology: Enzymatic Resources of Renewable Energy. – 2018. – Р. 5-55. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95480-6_2.

10. Nargotra P. Cellulase production from Bacillus subtilis SV1 and its application potential for saccharification of ionic liquid pretreated pine needle biomass under one-pot consolidated bioprocess / P. Nargotra, S. Vaid, B.K. Bajaj // Fermentation. – 2016. – Vol. 2. – P. 19. https://doi.org/10.3390/fermentation2040019.

11. Chapman J. Industrial applications of enzymes: recent advances, techniques, and outlooks / J. Chapman, A.E. Ismail, C.Z. Dinu // Catalysts. – 2018. – Vol. 8. – P. 238. https://doi.org/10.3390/catal8060238.

12. The carbohydrate-active enzymes database (CAZy) // V. Lombard et al // Nucleic Acids Res. – 2014. – Vol. 42. – Р. D490-D495. https://doi.org/10.1093/nar/gkt1178.

13. Synergistic cellulose hydrolysis dominated by a multi-modular processive endoglucanase from Clostridium cellulosi / M. Yang et al // Front. Microbiol. – 2016. – Vol. 7. – P. 932. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00932.

14. Production of a high-efficiency cellulase complex via β-glucosidase engineering in Penicillium oxalicum / G. Yao et al // Biotechnol. Biofuels. – 2016. – Vol. 9. – P. 78. https://doi.org/10.1186/s13068-016-0491-4.

15. Genetic modification: a tool for enhancing beta-glucosidase production for biofuel application / R.R. Singhania et Al // Bioresour. Technol. – 2017. – Vol. 245. – Р. 1352-1361. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.126.

16. Behera S.S. Solid-state fermentation for production of microbial cellulases: recent advances and improvement strategies / S.S. Behera, R.C. Ray // Int. J. Biol. Macromol. – 2016. – Vol. 86. – Р. 656-669. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2015.10.090.

17. Designing a cellulolytic enzyme cocktail for the efficient and economical conversion of lignocellulosic biomass to biofuels. Enzym / М. Adsul et al // Microb. Technol. – 2020. – Vol. 133. – P. 109442. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2019.109442.

18. Nargotra P. Consolidated bioprocessing of surfactant-assisted ionic liquid-pretreated Parthenium hysterophorus biomass for bioethanol production / P. Nargotra, V. Sharma, B.K. Bajaj // Bioresour. Technol. – 2019. – Vol. 289. – Р. 121611. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121611.

19. Insights from enzymatic degradation of cellulose and hemicellulose to fermentable sugars: a review / А.А. Houfani et al // Biomass Bioenergy. – 2020. – Vol. 134. – P. 105481. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105481.

20. Enzymatic processing of lignocellulosic biomass: principles, recent advances and perspectives / H. Ostby et al // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. – 2020. – Vol. 47. – P. 623-657. https://doi.org/10.1007/s10295-020-02301-8.

21. Iram A. Ideal feedstock and fermentation process improvements for the production of lignocellulolytic enzymes / A. Iram, D. Cekmecelioglu, A. Demirci // Processes. – 2021. – Vol. 9. – P. 38. https://doi.org/10.3390/pr9010038.

22. Bacterial enzymes involved in lignin degradation / G. De Gonzalo et al // J. Biotechnol. – 2016. – Vol. 236. – Р. 110-119. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.08.011.

23. Plácido J. Ligninolytic enzymes: a biotechnological alternative for bioethanol production / J. Plácido, S. Capareda // Bioresour. Bioprocess. – 2015. – Vol. 2. – P. 23. https://doi.org/10.1186/s40643-015-0049-5.

24. Environment friendly pretreatment approaches for the bioconversion of lignocellulosic biomass into biofuels and value-added products / S. Sharma et al // Environments. – 2023. – Vol. 10. – P. 6. https://doi.org/10.3390/environments10010006.

25. Cellulolytic and xylanolytic enzymes from yeasts: properties and industrial applications / М. Sohail et al // Molecules. – 2022. – Vol. 27. https://doi.org/10.3390/molecules27123783.

26. Bioethanol production from lignocellulosic biomass by environment-friendly pretreatment methods: a review / М. Tayyab et al // Appl. Ecol. Environ. Res. – 2017. – Vol. 16. http://dx.doi.org/10.15666/aeer/1601_225249.

27. Optimization of steam explosion parameters for improved biotechnological use of wheat straw / D. Sulzenbacher et al // Biomass Convers. Biorefinery. – 2023. – Vol. 13. – P. 1035-1046. https://doi.org/10.1007/s13399-020-01266-z.

28. Sperandio G.B. Fungal co-cultures in the lignocellulosic biorefinery context: a review / G.B. Sperandio, E.X. Ferreira Filho // Int. Biodeterioration Biodegrad. – 2019. – Vol. 142. – P. 109-123. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2019.05.014.

29. Enhanced hydrolysis of lignocellulosic biomass with doping of a highly thermostable recombinant laccase / R. Rai et al // Int. J. Biol. Macromol. – 2019. – Vol. 137. – P. 232-237. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.06.221.

30. Recent advances and challenges of inter-disciplinary biomass valorization by integrating hydrothermal and biological techniques / В. Song et al // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2021. – Vol. 135. – P. 110370. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110370.

31. Production of ethanol from municipal solid waste of India and Nepal. In: Ghosh S.K. (Ed.) / B. Thapa et al // Waste Valorisation and Recycling, Springer Singapore, Singapore. – 2019. – Р. 47-58. https://doi.org/10.1007/978-981-13-2784-1_5.

32. Tsegaye B. Alkali delignification and Bacillus sp. BMP01 hydrolysis of rice straw for enhancing biofuel yields / B. Tsegaye, C. Balomajumder, P. Roy // Bull. Natl. Res. Centre. – 2019. – Vol. 43. – P. 136. https://doi.org/10.1186/s42269-019-0175-x.

33. Tsegaye B. Alkali pretreatment of wheat straw followed by microbial hydrolysis for bioethanol production / B. Tsegaye, C. Balomajumder, P. Roy // Environ. Technol. – 2019. – Vol. 40. – Р. 1203-1211. https://doi.org/10.1080/09593330.2017.1418911.

34. Bioprospecting of functional cellulases from metagenome for second-generation biofuel production: a review / R. Tiwari et al // Crit. Rev. Microbiol. – 2018. – Vol. 44. – P. 244-257. – https://doi.org/10.1080/1040841X.2017.1337713.

35. Tushar M. Efficiency analysis of crude versus pure cellulase in industry / M. Tushar, A. Dutta // Biomass Bioenergy. – 2020. – Р. 283-298. https://doi.org/10.1007/978-981-13-8637-4_10.

36. Vasić K., Ž, Knez, Leitgeb M. Bioethanol production by enzymatic hydrolysis from different lignocellulosic sources. Molecules, 2021, vol. 26. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26030753

37. Optimization of alkali pretreatment to enhance rice straw conversion to butanol / А. Valles et al // Biomass Bioenergy. – 2021. – Vol. 150. – P. 106131. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106131.

38. Biodiesel production from lignocellulosic biomass using Yarrowia lipolytica / М. Vasaki et al // Energy Convers. Manage.: X. – 2022. – Vol. 13. – P. 100167. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2021.100167.

39. A comprehensive review on the framework to valorise lignocellulosic biomass as biorefinery feedstocks / Н.Р. Vu et al // Sci. Total Environ. – 2020. – Vol. 743. – P. 140630. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140630.

40. Lignocellulosic biomass as sustainable feedstock and materials for power generation and energy storage / F. Wang et al // J. Energy Chem. – 2021. – Vol. 57. – P. 247-280. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.08.060.

41. Solid-state fermentation parameters effect on cellulase production from empty fruit bunch / V. Wonoputri et al // Bull. Chem. React. Eng. Catal. – 2018. – Vol. 13. – P. 553-559. https://doi.org/10.9767/bcrec.13.3.1964.553-559.

42. Xiang J. Cellulase production from Trichoderma reesei RUT C30 induced by continuous feeding of steam-exploded Miscanthus lutarioriparius. / J. Xiang, X. Wang, T. Sang // Ind. Crops Prod. – 2021. – Vol. 160. – P. 113129. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.113129.

43. Bacteria-enhanced dilute acid pretreatment of lignocellulosic biomass / X. Yan et al // Bioresour. Technol. – 2017. – Vol. 245. – P. 419-425. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.037.

44. Improving the saccharification efficiency of lignocellulosic biomass using a bio-inspired twostage microreactor system loaded with complex enzymes / А. Xia et al // Green Chem. – 2022. – Vol. 24. – P. 9519-9529. https://doi.org/10.1039/D2GC02965K.

45. Changes of chemical composition and hemicelluloses structure in differently aged bamboo (Neosinocalamus affinis) culms / P.-P. Yue et al // J. Agricult. Food Chem. – 2018. – Vol. 66. – P. 9199-9208. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.8b03516.

46. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass using a novel, thermotolerant recombinant xylosidase enzyme from Clostridium clariflavum: a potential addition for biofuel industry / A. Zafar et al // RSC Adv. – 2022. – Vol. 12. – P. 14917-14931. https://doi.org/10.1039/D2RA00304J.

47. Zhang H. An insight to pretreatment, enzyme adsorption and enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass: experimental and modeling studies / H. Zhang, L. Han, H. Dong // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2021. – Vol. 140. – P. 110758. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110758.

48. Zhang F. Improvement of cellulase production in Trichoderma reesei rut-C30 by overexpression of a novel regulatory gene Trvib-1 / F. Zhang, X. Zhao, F. Bai // Bioresour. Technol. – 2018. – Vol. 247. – Р. 676-683. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.126.

49. Integrated process to produce biohydrogen from wheat straw by enzymatic saccharification and dark fermentation / J. Zhu et al // Int. J. Hydrogen Energy. – 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.056.

50. Use of bacteria for improving the lignocellulose biorefinery process: importance of pre-erosion / S. Zhuo et al // Biotechnol. Biofuels. – 2018. – Vol. 11. – P. 146. https://doi.org/10.1186/s13068-018-1146-4.

51. Lignocellulosic biomass pre-treatment using low-cost ionic liquid for bioethanol production: an economically viable method for wheat straw fractionation / Z. Ziaei-Rad et al // Biomass Bioenergy. – 2021. – Vol. 151. – P. 106140. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106140.

52. Bashir N. Enzyme immobilization and its applications in food processing: a review / N. Bashir, M. Sood, J.D. Bandral // Int. J. Chem. Stud. – 2020. – Vol. 8. – P. 254-261. https://doi.org/10.22271/chemi.2020.v8.i2d.8779.

53. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.): a versatile and sustainable crop for renewable energy production in Europe / F. Rossini et al // Agronomy. – 2019. – Vol. 9. – P. 528. https://doi.org/10.3390/agronomy9090528.

54. Biotransformation of lignocellulosic biomass to value-added bioproducts: insights into biosaccharification strategies and potential topics in catalysis / М. Jahangeer et al // Topics in Catalysis. – 2024. https://doi.org/10.1007/s11244-024-01941-9.

55. Xylitol: production strategies with emphasis on biotechnological approach, scale up, and market trends / S. Mathur et al // Sustainable Chemistry and Pharmacy. – 2023. – Vol. 35. – P. 101203. https://doi.org/10.1016/j.scp.2023.101203.

56. Utilization of agricultural wastes for co-production of xylitol, ethanol, and phenylacetylcarbinol: a review / J. Feng et al // Bioresource Technology. – 2024. – Vol. 392. – P. 129926. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129926.

57. Xylitol: bioproduction and applications-a review / D. Umai et al // Frontiers in Sustainability. – 2022. – Vol. 3. – P. 826190. https://doi.org/10.3389/frsus.2022.826190.

58. Biological pretreatment of lignocellulosic biomass: an environment-benign and sustainable approach for conversion of solid waste into value-added products / R.C. Kuhad et al // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. – 2023. – Vol. 54. – № 10. https://doi.org/10.1080/10643389.2023.2277670.

59. Получение биогаза отходов сельского хозяйства / Б. Бахтияр и др. // Вестник КАЗАТК. Энергетика. – 2023. – Том 128, № 5. https://doi.org/10.52167/1609-1817-2023-128-5-399-409.


Рецензия

Дәйектеу үшін:


Исаева А.У., Каримова С.С., Жұмадулаева А.И., Аралбаева Р.Б., Әширбаева С.Б. ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗА БИОМАССАСЫН ӨҢДЕУ ҮШІН ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИКАЛЫҚ МИКРООРГАНИЗМДЕРДІ ҚОЛДАНУДАҒЫ ЗАМАНАУИ ЖЕТІСТІКТЕР. Шәкәрім Университетінің Хабаршысы. Техникалық ғылымдар сериясы. 2024;1(4(16)):243-254. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-4(16)-32

For citation:


Issayeva A.U., Karimova S.S., Zhumadulaeva A.I., Aralbayeva R.B., Ashirbayeva S.B. MODERN ACHIEVEMENTS IN THE USE OF CELLULOLYTIC MICROORGANISMS FOR PROCESSING LIGNOCELLULOSE BIOMASS. Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2024;1(4(16)):243-254. (In Russ.) https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-4(16)-32

Қараулар: 47


ISSN 2788-7995 (Print)
ISSN 3006-0524 (Online)
X