Ферменты используются в целлюлозно-бумажной промышленности для сокращения затрат и воздействия на окружающую среду за счет разрыва или разложения полимерных компонентов древесины, таких как целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, на более мелкие молекулы. Существуют и другие виды ферментов, которые могут модифицировать целлюлозное сырье и химические группы таким образом, чтобы сделать материалы более подходящими для дальнейшего использования в других процессах.

В чем преимущество ферментов? Вместо того чтобы применять механические нагрузки при повышенных температурах или использовать агрессивные химические реагенты при высоком давлении для преобразования древесного сырья в целлюлозные продукты, природные ферменты могут работать в более мягких условиях. Они способны направленно катализировать реакции расщепления сложных биохимических соединений при умеренных температурах, нейтральных значениях pH и в водных средах, что снижает потребность в энергозатратах и химикатах. Эти катализаторы ускоряют химические реакции и в итоге производят продукты с меньшими энергетическими затратами и в более мягких условиях.

В то время как традиционные технологии используют грубую силу — сильные механические напряжения, высокие температуры или агрессивные химикаты под высоким давлением — для преобразования древесного сырья в полезные продукты, природа создала ферменты, которые действуют в значительно более мягких условиях. Эти катализаторы представляют собой природные молекулы, которые ускоряют химические реакции и, в конечном счете, производят продукты с меньшими затратами энергии и в более мягких условиях.

Некоторые из этих ферментов известны нам. Например, целлюлазы — это ферменты, расщепляющие целлюлозу, в результате чего получаются волокна наноразмерного уровня. Они используются для превращения древесного сырья в микро- и наноразмерную целлюлозу, а также в производстве биоразлагаемых полимеров. Гемицеллюлазы работают аналогично, разлагая гемицеллюлозу, что улучшает текстуру и свойства получаемых материалов.

Ферменты уже применяются в целлюлозно-бумажной промышленности более 40 лет, но ученые только начинают осознавать их потенциал. Новые методы генетической инженерии позволяют разрабатывать ферменты с заданными свойствами, повышенной стабильностью и активностью.

Одним из перспективных направлений является использование ферментов для производства микро- и наноразмерной целлюлозы (MFC и CNC). Эти материалы обладают уникальными свойствами и находят применение в упаковке, медицинских изделиях и даже в строительстве.

Ксиланазы применяются в сочетании с целлюлазами при отбеливании бумаги, снижая потребность в химикатах на 30%. Данные ферменты также могут разлагать гемицеллюлозу, что делает процесс более эффективным. Липазы используются для превращения остатков глицеридов в свободные жирные кислоты, которые в дальнейшем можно применять для производства биополимеров.

Спрос на биополимеры продолжает расти, и ожидается, что рынок этого сырья достигнет 250 миллионов долларов в ближайшие годы. В отличие от традиционных технологий переработки лигноцеллюлозного сырья, которые связаны с высокой энергоемкостью и использованием агрессивных химических соединений, ферментативные технологии позволяют получать материалы с улучшенными характеристиками при меньшем воздействии на окружающую среду.

Целлюлоза является самым распространенным биополимером на Земле. Модифицированные ферментами формы целлюлозы обладают улучшенной растворимостью и высокой механической прочностью, что делает их перспективными для создания новых материалов.

Ферменты также могут использоваться для переработки отходов. Более 2 миллиардов тонн сельскохозяйственных отходов ежегодно выбрасываются без утилизации, но эти материалы богаты целлюлозой и могут стать источником новых продуктов. Использование ферментов позволяет снижать объем отходов и уменьшать выбросы углекислого газа.

Таким образом, ферменты представляют собой ключ к устойчивому развитию и экологически чистым технологиям. Они уже изменили целлюлозно-бумажную промышленность, и в будущем их применение будет только расширяться.

Рисунок 1. Основные компоненты древесной биомассы.

Synbiomics исследует ферменты, способные добавлять новые химические функциональные группы к основным лигноцеллюлозным фракциям. 

Компания изучает монооксигеназы для селективной модификации поверхностей целлюлозных волокон, α-трансаминазы и целлюлазы для улучшения растворимости целлюлозы, а также тестирует децолоризирующие пероксидазы, лакказы и О-деметилазы как ферменты, способствующие увеличению реакционной способности лигнина. В дополнение к этим исследованиям Synbiomics изучает неполярные протеины, происходящие из грибов, включая гидрофобины и связывающие белки, которые могут влиять на такие физические свойства целлюлозных материалов, как межфазное поведение, пористость и прочность.

На рисунке 2 представлена схема фракционирования биомассы на биорафинирующемзаводе. В ней показаны основные этапы переработки древесных щепок, включая экстракцию гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина. Молнии на схеме обозначают стадии, в которых происходит высвобождение энергии. Этот процесс позволяет использовать все компоненты древесного сырья максимально эффективно, минимизируя отходы и увеличивая выход полезных веществ.

Недавние достижения включают прямую конверсию неиспользуемых компонентов гемицеллюлозы в функциональные сшивающие молекулы, а также активацию промышленных лигнинов с помощью ферментативного прививания. Эти технологические усовершенствования оцениваются совместно с промышленными партнёрами Synbiomics для определения их влияния и практической ценности. Итоговой целью является создание биокаталитической платформы, результаты которой будут внесены в стандартную базу данных CLAE (Characterized Lignocellulosic-Active Enzymes Database, http://claefungalgenomics.ca), включающую информацию о генетике, активности ферментов и их оптимальных условиях работы.

Компания Synbiomics интегрирует генерацию анаэробных биореакторов совместно с партнёрами, использующими аналогичные микробные сообщества, чтобы оптимизировать процесс масштабирования и максимизировать его эффективность. Для этой цели применяются многовариантные методы анализа, которые позволяют проводить полноразмерные испытания в биореакторах и оценивать стабильность процессов.

На рисунке 3 представлены семейства белков, изучаемые Synbiomics (обозначены зелёным цветом), которые применяются для улучшения свойств лигноцеллюлозных фракций. Эти ферменты изменяют химическую структуру целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, делая их более пригодными для использования в производстве биоматериалов, таких как покрытия, клеи, пластмассы и другие продукты. Ферменты, обозначенные синим цветом, будут применяться партнёрами компании Synbiomics для создания конечных продуктов.

На данный момент Synbiomics сосредоточена на масштабировании производства и тестировании наиболее перспективных ферментов. Используя анализ новых последовательностей ДНК, компания продвигает исследование новых биокатализаторов для производства экологически чистых биопродуктов. Synbiomics также стремится сформировать сообщество ученых в Канаде для поддержки развития биокатализаторов и их промышленного применения.