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 PostFermentative 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: 12

JATS XML


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


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