Russian Federation
The efficiency of processing the paper layer of packaging materials using hydrolases to obtain reducing sugars was assessed. The maximum yield of sugars reached 30 % of the initial weight, depending on the packaging type and processing mode. Aluminum and polyethylene reduced the efficiency of enzymatic hydrolysis. The author proposed the possibilities for the further processing of packaging components into products with a high added value.
cellulose-containing waste, disposal methods, enzymatic hydrolysis, monosaccharides
Введение
Поиск дешевого сырья для ферментативного получения простых сахаров является одной из основных проблем при планировании крупнотоннажного производства. Некоторые целлюлозосодержащие бытовые отходы, переработка которых затруднена, могут быть использованы в качестве сырья. Источником целлюлозы могут стать упаковочные материалы из серии EloPak, TetraPak, PurePak. Для их производства используется бумажная масса, прошедшая достаточно глубокую химическую переработку, следовательно, лигнин как один из основных факторов снижения производительности ферментативного получения сахаров в значительной степени удален. Однако композитная структура упаковок создает дополнительные трудности биоконверсии целлюлозосодержащих фракций [1].
Для выделения целлюлозы из упаковок, включающих алюминий и полиэтилен, наиболее часто применяют механический размол [2, 3]. Выделенные таким образом целлюлозные волокна могут быть применены в качестве различных композитов, однако требуют дополнительной переработки. В работе [4] для наилучшего разделения компонентов упаковок применяется алкилбензолы или ионные жидкости. При этом требовалась регенерация растворителей. Интенсивное гидропульпирование в сочетании с селективным растворение также эффективно, но может быть энергозатратным и также требует регенерации растворителей [5]. Таким образом, в зависимости от дальнейшего использования, требуется экономически обоснованный подбор технологии переработки упаковок.
Цель работы – оценка возможности переработки целлюлозной фракции из упаковок EloPak и TetraPak с помощью ферментативного гидролиза до простых сахаров.
Материалы и методы
В качестве целлюлозосодержащих материалов были использованы упаковки EloPak и TetraPak. Первые состоят из слоя беленой или небеленой целлюлозы, покрытого с обеих сторон полиэтиленом. Упаковка TetraPak, помимо слоев полиэтилена, содержит слой алюминия, поэтому требует более сложного подхода к выделению целлюлозосодержащих слоев. Далее были отработаны несколько вариантов предобработки целлюлозосодержащих субстратов с последующим ферментативным гидролизом для получения восстанавливающих сахаров (далее – ВС) (табл. 1).
Механическая обработка упаковок включала размол на ножевой мельнице или перфорацию. Обработку 1, 10, 20%-ным раствором NaOH при 10 ºС осуществляли в течение 12 ч. Далее щелочной раствор удаляли и промывали целлюлозосодержащую суспензию до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз 5%-ной целлюлозосодержащей суспензии осуществляли в термостатируемых сосудах объемом 150 см3 при 55 ºС и постоянном перемешивании. В качестве источника целлюлолитических ферментов был использован импортный ферментный препарат на основе селекционного штамма Thrichoderma reesei (SanSon, Китай). Общая целлюлазная активность по фильтровальной бумаге (FPA активность) – 1500 ед/г. Единица активности соответствовала 1 микромолю ВС (в пересчете на глюкозу), образующихся за 1 мин реакции.
Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащей суспензии, приготовленной из 5 г упаковки, осуществляли в термостатируемых сосудах объемом 150 см3 при 55 ºС и постоянном перемешивании. Среда для ферментативного гидролиза – 100 см3 0,1 М ацетатного буфера (рН 4,7) с добавлением неионогенного поверхностно-активного вещества лаурилглюкозида. Дозировка ферментативного препарата целлюлаз составляла 5 ед на 1 г абсолютно сухой массы субстрата. Дополнительно вносили 10 мг ферментного препарата амилаз Глюколюкс-F (Россия) на 1 г субстрата для гидролиза остаточного катионного крахмала. В некоторых вариантах после 6 ч от начала процесса целлюлозосодержащий остаток промывали ацетатным буфером от ВС, готовили новую суспензию из непрогидролизованного остатка и продолжали процесс биоконверсии за счет иммобилизованных на субстрате ферментов. Реакционную способность целлюлозосодержащих образцов оценивали по степени гидролиза за 24 ч, степень конвер-
сии – весовым методом по массе сухого остатка. Концентрацию ВС определяли методом Шомоди-Нельсона [6].
Результаты и их обсуждение
В ходе серии экспериментов выявлено, что важным этапом предобработки сырья является отделение слоя полиэтилена от целлюлозосо-
держащего слоя, приводящее к большему выходу сахаров (табл. 2). Простой размол приводил к тому, что
в целлюлозной суспензии оставалось много балластных компонентов, вызывающих сложности для последующего ферментативного гидролиза и дальнейшей переработки непрогидролизованного остатка. Существенный вклад в общий выход сахаров достигался за счет предварительной обработки сырья раствором щелочи. Вероятно, за счет этого из бумажной массы удаляли наполнители, которые ингибировали гидролазы, а также снижали степень кристалличности самой целлюлозы. Максимальные вы-
ходы достигались за счет обработки 20%-ным раствором NaOH. Отделение продуктов ферментативного гидролиза от непрогидролизованного остатка обеспечивало дополнительный выход сахаров. Следует отметить, что беленая целлюлоза из упаковок способствовала большему выходу сахаров, который достигал 25–30 %
от массы субстрата за первые сутки. На вторые сутки процесс накопления сахаров был незначителен, поэтому продолжать ферментативный гидролиз после 24 ч было нецелесообразно. Приготовление субстрата из непрогидролизованных остатков давало значительно меньший выход сахаров по сравнению с первичной целлюлозой из упаковок. Следовательно, требовалась более глубокая предобработка либо ориентация на другой продукт. К примеру, одним из вариантов дальнейшей переработки трудногидролизуемого остатка может быть процесс получения нанокристаллов целлюлозы с надмолекулярной структурой I и II кислотным гидролизом [7]. Оставшиеся полиэтилен, алюминий, а также бумажный остаток за счет термических воздействий могут быть преобразованы в биотопливо, нанокомпозиты, содержащие оксид алюминия [8]. С другой стороны, высокотемпературная переработка остатков способствует получению высокоэффективных сорбентов, например, мышьяка [9]. Таким образом, сочетание методов механической, химической и биохимической переработки упаковочных материалов позволяет конвертировать значительную часть целлюлозосодержащей фракции в простые сахара. В дальнейшем полученные продукты, не требуя специальной очистки, могут быть применены в составе питательных сред для выращивания целевых микроорганизмов [10].
Заключение
Бумажный слой из композитных упаковочных материалов является перспективным сырьем для получения сахаров. Для каждого типа упаковок требуется подбор наиболее оптимальных методов выделения целлюлозосодержащей массы. Предпочтительней делать перфорацию упаковки, так как при дальнейшей переработке в сырье практически нет балластного полиэтилена и алюминия, однако для этого требуется более сложное оборудование. В процессе ферментативной конверсии целлюлозосодержащих слоев основные трудности связаны с наполнителями, ингибированием продуктами гидролиза, а также необходимостью снижения индекса кристалличности целлюлозы.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
1. Davis, G. Biodegradable packaging based on raw materials from crops and their impact on waste management / G. Davis, J. H. Song // Industrial Crops and Products. – 2006. – № 23. – P. 147–161.
2. Wong, P. K. Solvent-targeted recovery of all major materials in beverage carton packaging waste / P. K. Wong, Y. W. Lui, Q. Tao, M. Y. Lui // Resources, Conservation & Recycling. – 2024. – № 202 (107367).
3. Georgiopoulou, I. Recycling of post-consumer multilayer Tetra Pak® packaging with the Selective Dissolution-Precipitation process / I. Georgiopoulou, G. D. Pappa, S. N. Vouyiouka, K. Magoulas // Resources, Conservation & Recycling. – 2021. – № 6 (105268).
4. Polygalina, G. V. Opredelenie aktivnostey fermentov. Spravochnik [Determination of enzyme activities. Guide] / G. V. Polygalina, V. S. Cherednichenko, L. V. Rimareva. – Moscow : DeLi print, 2003. – 375 p.
5. Dave, A. Solvothermal liquefaction of Tetra Pak waste into biofuels and Al2O3-carbon nanocomposite // A. Dave, S. N. Reddy // Waste Management. – 2023. – Vol. 171. – P. 642–652.
6. Ding, Z. High adsorption performance for As(III) and As(V) onto novel aluminum-enriched biochar derived from abandoned Tetra Paks / Z. Ding, X. Xu, T. Phan, X. Hu, G. Nie // Chemosphere. – 2018. – № 208. – P. 800–807.
7. Xing, L. Cellulose I and II nanocrystals produced by sulfuric acid hydrolysis of Tetra pak cellulose I / L. Xing, J. Gu, W. Zhang, D. Tu, C. Hu // Carbohydrate Polymers. – 2018. – Vol. 192. – P. 184–192.
8. Platnieks, O. Sustainable tetra pak recycled cellulose / Poly(Butylene succinate) based woody-like composites for a circular economy / O. Platnieks, A. Barkane, N. Ijudina, G. Gaidukova, V. K. Thakur, S. Gaidukovs // Journal of Cleaner Production. – 2020. – № 270 (122321).
9. Martínez-Barrera, G. Recycled cellulose from Tetra Pak packaging as reinforcement of polyester based composites / G. Martínez-Barrera, M. Martínez-López, N. González-Rivas, J. J. del Coz-Diaz, L. Ávila-Córdoba, J. M. Laredo dos Reis, O. Gencel / Construction and Building Materials. – 2017. – № 157. – P. 1018–1023.
10. Tarabukin, D. V. Perspektivy glubokoy pererabotki bumazhnogo shlama s primeneniem fermentov, mikrovodorosley i drozhzhey [Prospects for deep processing of paper sludge using enzymes, microalgae and yeast] / D. V. Tarabukin. E. N. Patova. I. V. Novakovskaya // Izvestiya vuzov. Lesnoy zhurnal [News of Universities. Forest Journal]. – 2024. – № 2. – P. 166–177.
