ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗАЛЫҚ БИОМАССАНЫҢ ИНГИБИТОРЛАРЫ: ӘСЕР ЕТУ МЕХАНИЗМДЕРІ ЖӘНЕ СУТЕГІНІ БИОЛОГИЯЛЫҚ ӨНДІРУ ТИІМДІЛІГІНЕ ӘСЕРІ (ШОЛУ)
https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-4(20)-54
Аңдатпа
Бұл мақалада лигноцеллюлозалық биомассаны (ЛЦБ) өңдеу кезінде биосутегінің тиімді өндірілуіне кедергі келтіретін ингибиторлық факторлар талданады. Бұл тұрғыда қараңғы ферментация сутегін алудың ең перспективалы биологиялық әдістерінің бірі болып саналады, себебі ол сыртқы энергия көзін қажет етпейді, заманауи реакторлық технологиялармен үйлесімді және субстраттардың кең спектрін пайдалануға мүмкіндік береді. Оны өнеркәсіпте қолданудағы негізгі кедергі ЛЦБ алдын ала өңдеу және ферментация кезінде түзілетін улы қосылыстардың жинақталуы болып табылады. Мақалада негізгі ингибиторлардың құрамы мен әрекеті туралы ақпарат жинақталған. Талдау нәтижелері көрсеткендей, қараңғы ферментацияда H₂ шығымы 2-4 моль/моль қантқа жетеді (максималды ~3,8 моль/моль гексоза), бірақ (i) фурандар (фурфурол 0,03–8,23 г/л; 5-ГМФ 0,09-1,59 г/л), (ii) лигниндік фенолдар (ванилин, сирингальдегид), (iii) органикалық қышқылдар (құмырсқа, сірке, левулин қышқылы), (iv) бейорганикалық иондар мен ауыр металдар (Zn, Cu, Cr, Ni және т.б.), (v) аммиак пен сульфаттар болған кезде айтарлықтай төмендейді.
Сондай-ақ дозаға тәуелді әсерлер мен микробтық қауымдастықтың құрамындағы өзгерістер, мысалы, pH әсері, фурфуролдың Clostridium санының азаюына ықпалы немесе 5-HMP қосылғанда Clostridium мен Ruminococcaceae санының артуы талқыланады. Осылайша, ингибиторлардың әсер ету механизмдерін түсіну және олардың әсерін азайту жолдарын табу қараңғы ашытудың тиімділігін арттыру және оны лигноцеллюлозалық биомассаны биосутекке айналдырудың тұрақты технологиясы ретінде жүзеге асырудың негізгі бағыттары болып табылады.
Авторлар туралы
А. Е. ДанияроваҚазақстан
Аяулым Ермекқызы Даниярова – PhD докторант
071412, Қазақстан Республикасы, Семей қ., Глинки к-сі, 20 А
К. С. Бекбаев
Қазақстан
Кайрат Серикжанович Бекбаев – техника ғылымдарының кандидаты, қауымдастырылған профессор
071412, Қазақстан Республикасы, Семей қ., Глинки к-сі, 20 А
А. Төлеуғазықызы
Қазақстан
Ақерке Төлеуғазықызы – PhD
010011, Қазақстан Республикасы, Астана қ., Жеңіс даңғылы, 62
Ж. Қалибекқызы
Қазақстан
Жанар Қалибекқызы – биология ғылымдарының кандидаты, қауымдастырылған профессор
071412, Қазақстан Республикасы, Семей қ., Глинки к-сі, 20 А
К. П. Молдақашев
Қазақстан
Қуаныш Панарбекұлы Молдакашев – PhD докторант
071412, Қазақстан Республикасы, Семей қ., Глинки к-сі, 20 А
Әдебиет тізімі
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
Дәйектеу үшін:
Даниярова А.Е., Бекбаев К.С., Төлеуғазықызы А., Қалибекқызы Ж., Молдақашев К.П. ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗАЛЫҚ БИОМАССАНЫҢ ИНГИБИТОРЛАРЫ: ӘСЕР ЕТУ МЕХАНИЗМДЕРІ ЖӘНЕ СУТЕГІНІ БИОЛОГИЯЛЫҚ ӨНДІРУ ТИІМДІЛІГІНЕ ӘСЕРІ (ШОЛУ). Шәкәрім Университетінің Хабаршысы. Техникалық ғылымдар сериясы. 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
JATS XML















