«Тағам инженериясы және биотехнология», «Химиялық технология», "Техникалық физика және Жылу энергетикасы" және «Автоматтандыру және ақпараттық технологиялар» бағыттары бойынша үшінші нөмірге жарияланымдар қабылдау жабылды!

Прием публикаций на третий номер по направлениям «Пищевая инженерия и биотехнология», «Химическая технология», «Техническая физика и теплоэнергетика» и «Автоматизация и информационные технологии» закрыт!

Submissions for the third issue in the fields of “Food Engineering and Biotechnology”, “Chemical Technology”, "Technical physics and thermal power engineering" and “Automation and Information Technologies” are closed!

Preview

Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки

Расширенный поиск

ИНГИБИТОРЫ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ: МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ И ВЛИЯНИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА (ОБЗОР)

https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-4(20)-54

Аннотация

В данной статье проводится анализ ингибирующих факторов, которые препятствуют эффективному производству биоводорода при переработке лигноцеллюлозной биомассы (ЛЦБ). В этом контексте темная ферментация рассматривается как один из наиболее перспективных биологических методов получения водорода, поскольку не требует внешнего источника энергии, совместимо с современными реакторными технологиями и позволяет использовать широкий спектр субстратов. Основным препятствием для его промышленного применения является накопление токсичных соединений, образующихся в процессе предварительной обработки и самой ферментации ЛЦБ. В статье обобщена информация о составе и действии основных ингибиторов. Результаты анализа показывают, что при темной ферментации выход H₂ достигает 2-4 моль/моль сахара (максимум ~3,8 моль/моль гексозы), но значительно снижается в присутствии: (i) фуранов (фурфурол 0,03-8,23 г/л; 5-ГМФ 0,09-1,59 г/л), (ii) лигновых фенолов (ванилин, сиреневый альдегид), (iii) органических кислот (муравьиная, уксусная, левулиновая кислота), (iv) неорганических ионов и тяжелых металлов (Zn, Cu, Cr, Ni и др.), (v) аммиака и сульфатов. Также обсуждаются дозозависимые эффекты и изменения в составе микробного сообщества, такие как влияние pH, снижение численности Clostridium из-за фурфурола или увеличение численности Clostridium и Ruminococcaceae при добавлении 5-HMP. Таким образом, понимание механизмов действия ингибиторов и поиск способов снижения их воздействия являются ключевыми направлениями для повышения эффективности темной ферментации и её внедрения в качестве устойчивой технологии преобразования лигноцеллюлозной биомассы в биоводород.

Об авторах

А. Е. Даниярова
Шәкәрім университет
Казахстан

Аяулым Ермекқызы Даниярова – PhD докторант по образовательной программе 8D07101-Технологические машины и оборудование

071412, Республика Казахстан, г. Семей, ул. Глинки, 20 А



К. С. Бекбаев
Шәкәрім университет
Казахстан

Кайрат Серикжанович Бекбаев – кандидат технических наук, ассоциированный профессор

071412, Республика Казахстан, г. Семей, ул. Глинки, 20 А



А. Төлеуғазықызы
Казахский агротехнический исследовательский университет имени С. Сейфуллина»
Казахстан

Ақерке Төлеуғазықызы – PhD

010011, г. Астана, проспект Женис, 62



Ж. Қалибекқызы
Шәкәрім университет
Казахстан

Жанар Қалибекқызы – кандидат биологических наук, ассоциированный профессор

071412, Республика Казахстан, г. Семей, ул. Глинки, 20 А



К. П. Молдақашев
Шәкәрім университет
Казахстан

Қуаныш Панарбекұлы Молдакашев – PhD докторант

071412, Республика Казахстан, г. Семей, ул. Глинки, 20 А



Список литературы

1. A review on bioconversion processes for hydrogen production from agro-industrial residues / А. Saravanan et al // Int J Hydrogen Energy. – 2022. – Т. 47, № 88.

2. Agri-Food Industry Waste as Resource of Chemicals: The Role of Membrane Technology in Their Sustainable Recycling / Е.Н. Papaioannou et al // Sustainability (Switzerland). – 2022. – Т. 14, № 3.

3. Ojo A. An Overview of Lignocellulose and Its Biotechnological Importance in High-Value Product Production / A. Ojo // Fermentation. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2023. – Т. 9, № 11. – Р. 990.

4. Honarmandrad Z. Processing of Biomass Prior to Hydrogen Fermentation and Post-Fermentative Broth Management / Z. Honarmandrad, K. Kucharska, J. Gębicki // Molecules. – 2022. – Т. 27, № 21.

5. Recent advances in biotechnological valorization of agro-food wastes (AFW): Optimizing integrated approaches for sustainable biorefinery and circular bioeconomy / T.P.C. Ezeorba et al // Bioresour Technol Rep. Elsevier. – 2024. – Р. 101823.

6. Molecular hydrogen: a sustainable strategy for agricultural and food production challenges / D. Alwazeer et al // Frontiers in Food Science and Technology. Frontiers Media SA. – 2024. – Т. 4. – Р. 1448148.

7. Recent knowledge on the applications of molecular hydrogen in plant physiology, crop production, and food processing / D. Alwazeer et al // Frontiers in Food Science and Technology. Frontiers Media SA. – 2024. – Т. 4. – Р. 1501046.

8. Sharma S. Significance of hydrogen as economic and environmentally friendly fuel / S. Sharma, S. Agarwal, A. Jain // Energies. – 2021. – Т. 14, № 21.

9. Bio-hydrogen production through dark fermentation: an overview / R. Jain et al // Biomass Conversion and Biorefinery. – 2024. – Т. 14, № 12.

10. Hitam C.N.C. A review on biohydrogen production through photo-fermentation of lignocellulosic biomass / C.N.C. Hitam, A.A. Jalil // Biomass Conversion and Biorefinery. – 2023. – Т. 13, № 10.

11. Application of nanotechnology in dark fermentation for enhanced biohydrogen production using inorganic nanoparticles / G. Kumar et al // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Т. 44, № 26.

12. Biological Hydrogen Production from Biowaste Using Dark Fermentation, Storage and Transportation / D. Talapko et al // Energies. – 2023. – Т. 16, № 8.

13. A Review on Biohydrogen Sources, Production Routes, and Its Application as a Fuel Cell / A.V. Samrot et al // Sustainability (Switzerland). – 2023. – Т. 15, № 16.

14. A Review of the Anaerobic Digestion of Fruit and Vegetable Waste / C. Ji et al // Applied Biochemistry and Biotechnology. – 2017. – Т. 183, № 3.

15. A critical review on factors influencing fermentative hydrogen production / R. Kothari et al // Frontiers in Bioscience – Landmark. – 2017. – Т. 22, № 8.

16. Bundhoo Z.M.A. Coupling dark fermentation with biochemical or bioelectrochemical systems for enhanced bio-energy production: A review / Z.M.A. Bundhoo // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Т. 42, № 43.

17. Novel strategies towards efficient molecular biohydrogen production by dark fermentative mechanism: present progress and future perspective / V. Jayachandran et al // Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2022. – Т. 45, № 10.

18. A critical review on inhibition of dark biohydrogen fermentation / Elbeshbishy, E. et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Т. 79.

19. Bioconversion of lignocellulosic biomass to hydrogen: Potential and challenges / N. Ren et al // Biotechnology Advances. – 2009. – Т. 27, № 6.

20. Recent developments in pretreatment technologies on lignocellulosic biomass: Effect of key parameters, technological improvements, and challenges / S.K. Bhatia et al // Bioresource Technology. – 2020. – Т. 300.

21. Lignocellulosic waste biomass for biohydrogen production: future challenges and bio-economic perspectives / L. Bhatia et al // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. – 2022. – Т. 16, № 3.

22. Lignocellulose biohydrogen: Practical challenges and recent progress / G. Kumar et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Т. 44, № 1.

23. Stability problems in the hydrogen production by dark fermentation: Possible causes and solutions / E. Castelló et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2020. – Т. 119.

24. Crigler J. Characterization of the Furfural and 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) Metabolic Pathway in the Novel Isolate Pseudomonas putida ALS1267 / J. Crigler, M.A. Eiteman, E. Altman // Appl Biochem Biotechnol. – 2020. – Т. 190, № 3.

25. Identification and characterization of the furfural and 5-(hydroxymethyl) furfural degradation pathways of Cupriavidus basilensis HMF14 / F. Koopman et al // Proc Natl Acad Sci U S A. – 2010. – Т. 107, № 11.

26. Olatunji K.O. Optimization of biogas yield from lignocellulosic materials with different pretreatment methods: a review / K.O. Olatunji, N.A. Ahmed, O. Ogunkunle // Biotechnology for Biofuels. – 2021. – Т. 14, № 1.

27. Saha R. Enhanced production of biohydrogen from lignocellulosic feedstocks using microorganisms: A comprehensive review / R. Saha, D. Bhattacharya, M. Mukhopadhyay // Energy Conversion and Management: X. – 2022. – Т. 13.

28. Singhvi M. Sustainable Strategies for the Conversion of Lignocellulosic Materials into Biohydrogen: Challenges and Solutions toward Carbon Neutrality / M. Singhvi, S. Zinjarde, B.S. Kim // Energies. – 2022. – Т. 15, № 23.

29. Jönsson L.J. Bioconversion of lignocellulose: Inhibitors and detoxification / L.J. Jönsson, B. Alriksson, N.O. Nilvebrant // Biotechnology for Biofuels. – 2013. – Т. 6, № 1.

30. Ledakowicz S. Biochemical Processes of Lignocellulosic Biomass Conversion / S. Ledakowicz // Energies (Basel). – 2025. – Т. 18, № 13. – Р. 3353.

31. A review on bioconversion of lignocellulosic biomass to H2: Key challenges and new insights / N.Q. Ren et al // Bioresource Technology. – 2016. – Т. 215.

32. Kumari D. Pretreatment of lignocellulosic wastes for biofuel production: A critical review / D. Kumari, R. Singh // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Т. 90.

33. Chen Y. Recent advance in inhibition of dark fermentative hydrogen production / Y. Chen, Y. Yin, J. Wang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Т. 46, № 7.

34. Pretreatment of food waste for methane and hydrogen recovery: A review / О. Parthiba Karthikeyan et al // Bioresource Technology. – 2018. – Т. 249.

35. Outlook of fermentative hydrogen production techniques: An overview of dark, photo and integrated dark-photo fermentative approach to biomass / Р. Mishra et al // Energy Strategy Reviews. – 2019. – Т. 24.

36. Bundhoo M. A. Z., Mohee R. Inhibition of dark fermentative bio-hydrogen production: A review / M.A.Z. Bundhoo, R. Mohee // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Т. 41, № 16.

37. Jönsson L.J. Pretreatment of lignocellulose: Formation of inhibitory by-products and strategies for minimizing their effects / L.J. Jönsson, C. Martín // Bioresource Technology. – 2016. – Т. 199.

38. Thermophilic Anaerobic Digestion: An Advancement towards Enhanced Biogas Production from Lignocellulosic Biomass / R. Singh et al // Sustainability (Switzerland). – 2023. – Т. 15, № 3.

39. Wang W. Lignocellulosic biomass pretreatment by deep eutectic solvents on lignin extraction and saccharification enhancement: A review / W. Wang, D.J. Lee // Bioresource Technology. – 2021. – Т. 339.

40. Dark fermentative hydrogen production from pretreated lignocellulosic biomass: Effects of inhibitory byproducts and recent trends in mitigation strategies / B. Basak et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2020. – Т. 133.

41. Microbiological insights into anaerobic digestion for biogas, hydrogen or volatile fatty acids (VFAs): a review / S. Harirchi et al // Bioengineered. – 2022. – Т. 13, № 3.

42. Effects of anaerobic digestion of food waste on biogas production and environmental impacts: a review / K.R. Chew et al // Environmental Chemistry Letters. – 2021. – Т. 19, № 4.

43. Insights into Biohydrogen Production Through Dark Fermentation of Food Waste: Substrate Properties, Inocula, and Pretreatment Strategies / D. Gbiete et al // Energies (Basel). – 2024. – Т. 17, № 24. – Р. 6350.

44. Kamperidou V. Anaerobic digestion of lignocellulosic waste materials / V. Kamperidou, P. Terzopoulou // Sustainability. – 2021. – Т. 13, № 22. – Р. 12810.

45. From waste to sustainable industry: How can agro-industrial wastes help in the development of new products? / L.C. Freitas et al // Resour Conserv Recycl. Elsevier. – 2021. – Т. 169. – Р. 105466.

46. Lignocellulosic Agricultural Waste Valorization to Obtain Valuable Products: An Overview / A. Blasi et al // Recycling. – 2023. – Vol. 8, № 4. – Р. 61.

47. A review on dark fermentative biohydrogen production from organic biomass: Process parameters and use of by-products / A. Ghimire et al // Applied Energy. – 2015. – Т. 144.

48. Trchounian K. Improving biohydrogen productivity by microbial dark-and photo-fermentations: novel data and future approaches / K. Trchounian, R.G. Sawers, A. Trchounian // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier. – 2017. – Т. 80. – Р. 1201-1216.

49. A critical review on limitations and enhancement strategies associated with biohydrogen production / J.R. Banu et al // Int J Hydrogen Energy. – 2021. – Т. 46, № 31.

50. Biohydrogen Production from Organic Waste – A Review / Р. Sampath et al // Chemical Engineering and Technology. – 2020. – Т. 43, № 7.


Рецензия

Для цитирования:


Даниярова А.Е., Бекбаев К.С., Төлеуғазықызы А., Қалибекқызы Ж., Молдақашев К.П. ИНГИБИТОРЫ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ: МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ И ВЛИЯНИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА (ОБЗОР). Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. 2025;1(4(20)):455-466. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-4(20)-54

For citation:


Daniyarova A.E., Bekbayev K.S., Toleugazykyzy A., Kalibekkyzy Zh., Moldakashev K.P. INHIBITORS OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS: MECHANISMS OF ACTION AND IMPACT ON THE EFFICIENCY OF BIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION (REVIEW). Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2025;1(4(20)):455-466. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-4(20)-54

Просмотров: 191

JATS XML


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


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