Регенерация целлюлозы из ионных жидкостей для ускорения ферментативного гидролиза

Эффективное превращение лигноцеллюлозных материалов в топливный этанол стало одним из приоритетных направлений исследований в области производства доступной возобновляемой энергии. Предварительная обработка лигноцеллюлозы имеет ключевое значение для ускорения ферментативного гидролиза целлюлозы. Недавно было установлено, что некоторые ионные жидкости (ИЖ) способны растворять более 10 мас.% целлюлозы. Результаты предварительных исследований [Dadi, A.P., Varanasi, S., Schall, C.A., 2006. Enhancement of cellulose saccharification kinetics using an ionic liquid pretreatment step. Biotechnol. Bioeng. 95, 904–910; Liu, L., Chen, H., 2006. Enzymatic hydrolysis of cellulose materials treated with ionic liquid [BMIM]Cl. Chin. Sci. Bull. 51, 2432–2436; Dadi, A.P., Schall, C.A., Varanasi, S., 2007. Mitigation of cellulose recalcitrance to enzymatic hydrolysis by ionic liquid pretreatment. Appl. Biochem. Biotechnol. 137–140, 407–421] позволяют предположить, что целлюлоза, регенерированная из растворов ИЖ, осахаривается быстрее, чем необработанные субстраты. Эти обнадёживающие результаты открывают возможность применения ИЖ в качестве альтернативных нелетучих растворителей для предварительной обработки целлюлозы. Однако в указанных исследованиях использовали только две ИЖ на основе хлоридов: (а) 1-бутил-3-метилимидазолий хлорид ([BMIM]Cl) — коррозионно-активное, токсичное и чрезвычайно гигроскопичное твёрдое вещество с температурой плавления около 70 °C; (б) 1-аллил-3-метилимидазолий хлорид ([AMIM]Cl) — вязкое соединение с реакционноспособной боковой цепью. Поэтому для изучения этого перспективного метода предварительной обработки необходимы более глубокие исследования с использованием других ИЖ. В связи с этим мы изучили ряд ИЖ на основе хлоридов и ацетатов для регенерации целлюлозы, включая несколько ИЖ, недавно разработанных в нашей лаборатории. Это позволит выбрать недорогие, эффективные и экологически безопасные растворители для переработки целлюлозосодержащей биомассы. Полученные данные подтвердили, что все регенерированные образцы целлюлозы характеризуются меньшей степенью кристалличности (снижение на 58–75%) и более высокой доступностью для целлюлазы (более чем в 2 раза) по сравнению с необработанными субстратами. В результате регенерированная целлюлоза Avicel®, фильтровальная бумага и хлопок гидролизовались в 2–10 раз быстрее, чем соответствующие необработанные образцы целлюлозы. Полного гидролиза целлюлозы Avicel® удалось достичь за 6 ч при массовом соотношении целлюлаза/субстрат 3:20 и температуре 50 °C с использованием целлюлазы Trichoderma reesei. Кроме того, в присутствии регенерированной целлюлозы термостабильность целлюлазы повышалась при температурах до 60 °C. Систематическое исследование также показало, что присутствие различных ИЖ во время гидролиза приводило к неодинаковой степени инактивации целлюлазы. Поэтому после регенерации целлюлозы настоятельно рекомендуется тщательно удалять остатки ИЖ; этот вопрос требует систематического изучения.