Создание и исследование нанобиокаталитических систем для переработки биомассы

Переработка биомассы, деревообработка непременно сопровождаются получением отходов с большим содержанием целлюлозы. Существующие промышленные термохимические процессы переработки целлюлозосодержащих отходов с получением разных видов топлива и базовых химических продуктов проводятся при высоких температуре, давлении с использованием экологически опасных коррозионно-активных реагентов. Использование биотехнологических методов и возобновляемых ресурсов в качестве альтернативы промышленной химии представляет большой интерес для развития «зеленой химии» и снижения углеродного следа. В настоящее время актуальным является поиск эффективных способов биотрансформации целлюлозного материала в устойчивые биохимические продукты как новейшее биотехнологическое направление. Необходимо создавать нанобиокатализаторы, которые будут стабильны при гетерогенном катализе без ущерба для их каталитической активности. Целлюлозные ферменты, включая целлюлазу, играют важную роль в биотехнологических процессах в пищевой, косметической, моющей, целлюлозно-бумажной и смежных отраслях промышленности. Низкая термическая стабильность и стабильность целлюлазы при хранении, наличие примесей, утечка фермента и невозможность повторного использования создают большие проблемы во всех этих процессах. Эти проблемы можно преодолеть путем создания эффективных нанобиокатализаторов на основе целлюлазы, иммобилизованной в порах мезопористого оксида, содержащего наночастицы магнетита. Проект направлен на создание и исследование нанобиокаталитических систем для конверсии целлюлозосодержащих отходов в продукты с повышенной добавочной стоимостью, в том числе и биотопливо. Научной новизной в данном проекте является то, что контролируемый размер пор в диапазоне мезопор позволяет иммобилизовать громоздкие молекулы фермента. Большая площадь поверхности повышает каталитическую эффективность за счет увеличения загрузки ферментов и тонкого диспергирования молекул биокатализатора. Ограничивающий эффект мезопор может улучшить стабильность фермента и его устойчивость к экстремальным значениям рН и температурам. Однако применение иммобилизванной целлюлазы может быть ограничено из-за эффективности процесса регенерации. В качестве решения этой проблемы предлагается применение магнитных наночастиц, инкорпорированных в мезопористую матрицу кремнезема. Магнитный нанобиокатализатор можно легко удалить из реакционной смеси с помощью внешнего магнита. В ходе проекта планируется фундаментальное исследование поведения иммобилизованных молекул целлюлазы на поверхности магнитных мезопристых носителей, что позволит разработать новые подходы к синтезу эффективных биокатализаторов. Дизайн нанобиокатализаторов базируется на понимании процессов как иммобилизации фермента, так и его поведении в ходе каталитического цикла. Это позволит избежать недостатков традиционных промышленных катализаторов посредством: (I) увеличения селективности процесса; (II) увеличения срока службы биокаталитической системы; (III) исключения нежелательных побочных продуктов; (IV) легкого отделения катализаторов в магнитном поле. Таким образом, разрабатываемые биокатализаторы можно охарактеризовать как перспективные объекты исследования, которые в дальнейшем могут быть использованы для реализации новых технических решений в сфере катализа. Можно с уверенностью сказать, что результаты, которые будут получены при реализации проекта, будут иметь значительные перспективы патентования и в России и за рубежом. Достижимость поставленных целей и возможность получения предполагаемых результатов обоснована высокой квалификацией исполнителя проекта. Ранее полученные результаты опубликованы в изданиях, индексируемых в Web of Science, Scopus и входящих в первый квартиль (Q1). Автор проекта имеет большой опыт и все необходимое оборудование.