Madame Lelica

SSF käsite

ajatus suorittaa entsymaattinen hydrolyysi ja käyminen samanaikaisesti esitti Gauss et al. patentissa vuodelta 1976 ., Kirjoittajat totesi, että glukoosin tuotto perinteinen erillinen entsymaattinen hydrolyysi (käyttäen entsyymejä valmistettu sieni Trichoderma reesei) oli alhainen, mikä johtuu luultavasti end-tuote estää glukoosin hydrolyysin ja cellobiose. Kirjoittajat voivat kuitenkin osoittavat, että ne on saatu korkeampi yleinen etanolin tuotto, kun käytät SSF, ne johtuvan poistaminen glukoosi ja cellobiose, jonka käyminen, ja seurauksena vapauttamista end-tuote esto., Termi SSF (lyhenne SSF käytetään usein myös solid-state-käyminen) ei käytetty kirjoittajien aikaan, mutta tuli yleinen merkintätapa tämän prosessin kuluessa vain pari vuotta alkuperäisen keksintö. Lopputuotteen eston välttäminen lienee edelleen tärkein syy SSF: n käyttöön, mutta mahdollisia lisäetuja on useita. Gauss-ja co-työntekijät, mainittiin esimerkiksi se etu, että glukoosi ei tarvitse olla erotettu ligniini murto seuraavat erillinen entsymaattinen hydrolyysi vaihe, jolloin vältetään mahdollinen menetys sokeria., Lisäksi hydrolyysin ja käymisen yhdistelmä vähentää tarvittavien alusten määrää ja sitä kautta investointikustannuksia. Pääomasijoitusten laskun on arvioitu olevan yli 20 prosenttia. Tämä on varsin tärkeää, sillä pääomakustannusten voidaan olettaa olevan verrattavissa lignoselluloosasta etanolin tuotannon raaka-ainekustannuksiin . Muita etuja, jotka liittyvät co-kulutus pentoo-ja heksoosi sokereita, ja vieroitus on tullut ilmi viime aikoina, kun käsitellään myöhemmin tässä katsauksessa.,

Väistämättä, on olemassa myös haittoja SSF verrattuna erillinen hydrolyysi ja fermentointi (SHF) prosessi. Entsymaattisen hydrolyysin optimaalinen lämpötila on tyypillisesti korkeampi kuin käymislämpötila – ainakin käytettäessä hiivaa käymiselimenä. SHF-prosessissa entsymaattisen hydrolyysin lämpötila voidaan optimoida riippumatta käymislämpötilasta, kun taas SSF-prosessissa on löydettävä kompromissi. Hiivaa ei myöskään voida käyttää uudelleen SSF-prosessissa, koska hiivan erottaminen ligniinistä käymisen jälkeen on ongelmallista., Siksi, hiiva ei välttämättä edusta tuotto tappio on SSF-prosessi, jos hiivaa on valmistettu hiilihydraatteja sisällä prosessi (ks. Kuva 1) tai käynnissä kustannukset, jos se on ulkoisesti syötetty. Entsyymejä on yhtä vaikea käyttää uudelleen myös SHF-prosessissa. Entsyymit ovat joko sisällä tuotettu prosessi (ks. Kuva 1), mikä edustaa menetys substraatti – tai ulkoisesti syötetty ja siten lisätä kemiallisia kustannuksia., Entsyymien takaisinkierrätys on yhtä vaikeaa, koska entsyymit sitoutuvat substraattiin, vaikka pinta-aktiivisten aineiden lisäämisen jälkeen voidaan saada osittainen desorptio .

saatavuus lignoselluloosa raaka-aineet, vaihtelee riippuen maantieteellisestä sijainnista (ks. esim., Kim ja Dale), ja lignoselluloosan raaka-aineet ovat melko heterogeenisiä sekä rakenteeltaan että kemialliselta koostumukseltaan (KS.Taulukko 1). Tämä heterogeenisuus on suuri vaikutus prosessin suunnittelu, joka vaikuttaa lähes kaikki prosessin vaiheet, eli mekaaninen käsittely materiaalin esikäsittely ehdot, valinta-entsyymien ja hiivan kantoja, sekä erottaminen ja ominaisuuksia jäljellä oleva ligniini. Tämä käy ilmi alla olevasta keskustelusta.,

Esikäsittely

tarkoitus esikäsittely on muuta lignoselluloosa-rakenne ja nostamaan entsymaattinen hydrolyysi pääasiassa selluloosaa. Tämä olisi tehtävä vähintään muodostumista yhdisteitä, jotka estävät käymisen mikro-organismeja . Esteetöntä pinta-alaa pidetään yhtenä tärkeimmistä entsymaattisen selluloosan hajoamisen tehokkuuteen vaikuttavista tekijöistä ., Alkuperäispuussa entsyymit pääsevät käsiksi vain murto-osaan soluseinän hiussuonista . Esikäsittely kuitenkin lisää käytettävissä oleva ala monin tavoin ; i) fragmentit ja halkeamat muodostuvat saadaan laajemmalla alueella , ii) hemiselluloosa osa on hydrolysoitu, joka vähentää suojaus vaikutukset , iii) ligniini myös läpi rakenteellisia muutoksia, ja puu on delignified eri astetta, riippuen esikäsittely-tekniikkaa . Näin voidaan poistaa ligniinin aiheuttama mikrokuitujen suojaus ja huokosten tukkeutuminen., Muita tekijöitä, joiden uskotaan vaikuttavan SSF: n sulavuuteen, ovat substraatin kiteytyminen ja polymeroitumisaste (DP) .

esikäsittelymenetelmät voidaan jakaa fysikaalisiin ja kemiallisiin menetelmiin, ja näiden kahden yhdistelmiä käytetään yleisesti (KS.esim. mosierin ym. kirjoittama katsaus. ). Raaka-aineen tyyppi vaikuttaa voimakkaasti esikäsittelymenetelmän valintaan. Hemiselluloosa asetyloituu esimerkiksi runsaasti ksylaanipitoisissa materiaaleissa., Koska asetaatti vapautuu hydrolyysin aikana, näiden materiaalien esikäsittely on jossain määrin autokatalyyttinen ja vaatii vähemmän lisättyä happoa ja miedompia prosessiolosuhteita. Vapautunut asetaatti lisää kuitenkin hemiselluloosan hydrolysaattien myrkyllisyyttä.

Ammoniakki kuitua/jäätyä räjähdys (AFEX) esikäsittely pidetään houkutteleva menetelmä esikäsittely maatalouden jäämiä, jolloin saadaan hyvin sulavaa selluloosaa . AFEX depolymeroi ligniinin, poistaa hemiselluloosan ja dekrystalisoi selluloosan ., Maltillinen lämpötila ja pH myös minimoivat sokerin hajoamistuotteiden muodostumisen. Menetelmä kärsii kuitenkin korkeista ammoniakin ja ammoniakin talteenoton kustannuksista . Tässä yhteydessä on myös mainittava kalkin menetelmä, joka perustuu kalsium – (tai natriumhydroksidiin). Alkali pretreatments ajetaan alhaisemmissa lämpötiloissa pitkiä oleskeluaikoja, ja kuten AFEX-menetelmä, delignification biomassan saadaan.

Höyryräjähdys on intensiivisesti tutkittu esikäsittelymenetelmä ., Vaikutukset uncatalyzed höyryä, räjähdys – ja neste kuumaa vettä esikäsittelyt – biomassasta ovat ensisijaisesti johtuvan poistaminen hemiselluloosat. Lisäämällä happokatalyytin hydrolyysiä voidaan edelleen parantaa . Laimenna happo esikäsittelyt käyttää H2SO4 tai SO2 ovat eniten tutkittu esikäsittely menetelmiä, koska niiden tehokkuutta ja inexpensiveness. Näitä menetelmiä on käytetty pilottilaitoksissa, ja siksi ne ovat lähellä kaupallistamista . Happo katalysoi hoito parantaa hemiselluloosa poisto , antaa osittainen hydrolyysi selluloosan ja muuttaa ligniinin rakennetta ., Tärkeimmät haitat liittyvät prosessilaitteiden vaatimuksiin ja inhibiittorien muodostumiseen . Toistaiseksi onnistunut esikäsittelyt alkalilla, AFEX ja neste kuumaa vettä on rajattu maatalouden jäämiä ja nurmikasvien kasveja , kun taas happo katalysoi steam esikäsittelyt ovat tuottaneet runsaasti sokeria saadaan näistä materiaaleista sekä havupuusta raaka-aineita .

yksinkertainen määrällisesti suurien steam-esikäsittely-prosessi on ns Vakavuus Tekijä, log(R0)., This factor combines the time and the temperature of a process into a single entity, R 0 = t ⋅ e T r − 100 14.75 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacPC6xNi=xH8viVGI8Gi=hEeeu0xXdbba9frFj0xb9qqpG0dXdb9aspeI8k8fiI+fsY=rqGqVepae9pg0db9vqaiVgFr0xfr=xfr=xc9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaaeqabiWaaaGcbaGaemOuai1aaSbaaSqaaiabicdaWaqabaGccqGH9aqpcqWG0baDcqGHflY1cqWGLbqzdaahaaWcbeqcfayaamaalaaabaGaemivaq1aaSbaaeaacqWGYbGCaeqaaiabgkHiTiabigdaXiabicdaWiabicdaWaqaaiabigdaXiabisda0iabc6caUiabiEda3iabiwda1aaaaaaaaa@403B@ ., Happokatalysoiduissa pretreatmenteissa käytetään joskus yhdistettyä Vakavuuskerrointa, logia(CS). Tämä vie myös pH huomioon, log(CS) = log(R0) – pH, ja tyypillisiä arvoja happo katalysoi höyryn räjähdys esikäsittely havu ovat välillä 2-4 .

SSF-prosessin optimaaliset esikäsittelyolosuhteet eivät välttämättä eroa paljonkaan lignoselluloosaa hyödyntävien SHF-prosessien olosuhteista. Kuitenkin, useita yhdisteitä läsnä esikäsittely hydrolysaatit, joka estää entsymaattinen hydrolyysi on muuntaa käymisen organismeja., Tämä on todennäköinen selitys takana korkeampi raportoitu etanolin tuotot SSF verrattuna SHF . Estäjien muodostumista esikäsittelystä voidaan sen vuoksi sietää suuremmassa määrin SSF-prosessissa. Inhibitorisia yhdisteitä voidaan sijoittaa kolmeen pääryhmään: furaldehydeihin, heikkoihin happoihin ja fenolisteihin. Kaksi yleisintä furaldehydes, HMF (5-hydroksimetyyli-2-furaldehydi) ja furfuraali (2-furaldehydi), muodostetaan vaikeissa olosuhteissa alkaen hexoses ja pentoses, vastaavasti ., Heikkoja happoja alkaen lignoselluloosa-aineet, kuten etikka -, muurahais-ja levuliinihappoa, ovat pääasiassa muodostuu de-asetylaation kautta ja hemiselluloosa tai HMF-erittely . Fenoliset yhdisteet muodostuvat pääasiassa aikana ligniinin hajoaminen, ja löytyy lukuisia muunnelmia, riippuen ligniini . Perusteellisempaa keskustelua inhibitiosta on esimerkiksi Almeida et Alm .

Entsymaattinen hydrolyysi

onnistunut esikäsittely on suurelta osin poistettu hemiselluloosaa, jolloin selluloosa saatavilla hydrolyysi., Koska yleisimmin käytetty mikro-organismeja etanolin tuotantoon yksinomaan käyttää sokeria monomeerit, selluloosa on oltava hydrolysoitu, jonka SSF tapahtuu samanaikaisesti käyminen. Historiallisesti, teollisuus -, selluloosa, ruoansulatusta on tehty happo hydrolyysi ja optimointi happo hydrolyysi eri lignoselluloosa-materiaalit on tehty etanoli tuottaa tarkoituksiin ., Happo hydrolyysi on kuitenkin tuottaa hydrolysaatit, jotka ovat suhteellisen myrkyllisiä käymisen mikro-organismeja, ja maksimi glukoosin tuotto on vain noin 60% erän prosessi kineettinen syistä . Entsymaattinen hajoaminen selluloosa murto, toisaalta, on mahdollista tuottaa suhteellisen myrkytön hydrolysaatit kanssa enemmän sokeria tuotot.

β: n hajoamiseen erikoistuneet entsyymit-1-4-glukaanin glykosidisidoksia kutsutaan yhdessä sellulaaseiksi. Vuonna 1950 Reese et al esitteli entsymaattisen selluloosahydrolyysin mallin, joka perustui useisiin entsyymeihin (C1 ja CX)., C1-entsyymin oletettiin tuottavan lyhyempiä polyanhydro-glukoosiketjuja, kun taas solubilisaation katsottiin johtuvan CX-entsyymistä. Periaatteessa sama kuva pätee tänään, mutta on ollut valtava edistyminen tietoa kaikki eri erityinen entsyymi osat mukana. Sellulaasit on jaettu kolmeen alaryhmään, jotka edustavat kolmea aktiivisuustyyppiä: endoglukanaaseja, eksoglukanaaseja (sellobiohydrolaaseja) ja β-glukosidaaseja., Endoglukanaasit vähentävät merkittävästi substraatin polymeroitumisastetta hyökkäämällä satunnaisesti sisäosiin, lähinnä selluloosan amorfisilla alueilla. Eksoglukanaasit (tai sellobiohydrolaasit) taas lyhentävät glukaanimolekyylejä vähitellen sitoutumalla glukaanin päihin ja vapauttamalla pääasiassa sellobioosiyksiköitä. Lopulta β-glukosidaasit pilkkovat disakkaridisellobioosin kahdeksi glukoosiyksiköksi.,

Useita erilaisia mikro-organismit voivat tuottaa sellulaasi järjestelmissä, mukaan lukien aerobinen rihmasienet, aerobinen actinomycetes, anaerobinen hyperthermophilic bakteerit ja sienet, anaerobiset (ks. esim. arvostelu yrityksestä Lynd et al. ). Intensiivinen tutkimus aerobinen rihmasienet T. reesei viime vuosikymmenten aikana on johtanut siihen, että tehokas sellulaasi tuottaa organismin, joka on tällä hetkellä hallitseva teollisuuden sellulaasi tuotanto .

Kuten jo mainittiin, tärkeä etu SSF verrattuna SHF on vähentää lopputuotteen esto sokereita muodostuu hydrolyysin., Käymistuote etanoli estää myös hydrolyysiä, mutta vähäisemmässä määrin kuin sellobioosi tai glukoosi . Toinen etu on, että esikäsittelyn estäjät voivat metaboloitua mikro-organismien välityksellä . Myös SSF-prosessi voi kuitenkin kärsiä kiinteän lignoselluloosan epätäydellisestä hydrolyysistä. Paitsi estämällä end-tuotteita tai muita osia , tämä voi johtua entsyymin deaktivointi, tuottamatonta entsyymi adsorptio , vähentää saatavuus ketju päättyy , ja lisäämällä kiteisyys kanssa muuntaminen esikäsitelty selluloosa .,

teollisen SSF: n entsyymi-ja solupitoisuudet olisi tasapainotettava asianmukaisesti hiivan ja entsyymituotannon kustannusten minimoimiseksi. Synergiaa entsyymejä, esim. endo-exo synergismi , exo-exo synergismi , ja synergia välillä endo – tai exoglucanases ja β-glucosidases , pitäisi myös olla optimoitu tuning koostumus entsyymi seokset. Optimaalinen koostumus riippuu varmasti lignoselluloosaraaka-aineesta.,

Käymisen mikro-organismeja

yleiset vaatimukset organismi voidaan käyttää etanolin tuotannossa on se, että se pitäisi antaa korkea etanolin tuotto, korkea tuottavuus ja kestettävä korkeita pitoisuuksia etanolia pitääkseen tislaus kustannukset alhaisina . Näiden lisäksi yleisiä vaatimuksia, estäjä suvaitsevaisuus, lämpötila suvaitsevaisuutta ja kyky hyödyntää useita sokerit ovat välttämättömiä SSF-sovelluksia. Toleranssi alhaisten pH-arvojen suhteen minimoi saastumisriskin., Työ-hevonen tärkkelystä tai sakkaroosi-etanolin tuotanto on yhteinen leivontahiiva, Saccharomyces cerevisiae. Tämä organismi tuottaa etanolia suurella tuotoksella (yli 0,45 g-1 optimaalisissa olosuhteissa) ja suurella spesifisellä nopeudella (enintään 1,3 g-1 solumassa h-1). Sillä on myös erittäin korkea etanolin sietokyky, yli 100 g L-1 on raportoitu joidenkin kantojen ja väliaineiden osalta . Lisäksi organismi on osoittautunut vankka muihin estäjät, ja näin ollen se on sopiva käyminen lignoselluloosa materiaaleja .,

kovapuusta ja maatalousjäännöksistä peräisin olevassa Hemiselluloosassa on tyypillisesti runsaasti ksylaaneja (vrt. Taulukko 1) – puu, joka sisältää pääasiassa O-asetyyli-4-O-metyyli-glucuronoxylan, kun taas heinäkasvit sisältävät arabinoksylaani . Havupuu hemiselluloosa taas sisältää enemmän mannaaneja-pääasiassa muodossa galaktoglukomannaani-ja vähemmän ksylaania. Mannoosi käyminen on yleensä tehokas S., cerevisiae, kun taas kyky käydä galaktoosi-kanta on riippuvainen , ja geenit galaktoosi-käyttöaste ovat lisäksi tukahdutettu glukoosia , mikä johtaa tyypillisen juokseva hyödyntäminen sokeria. Ksyloosikäyminen on selvästi merkittävämpi asia maatalouden jäämille ja lehtipuulle kuin havupuu. Ksyloosi ei metaboloidu villi-tyyppi S. cerevisiae, lukuun ottamatta pieniä vähennys ksylitoli. Tämä, ja jotkut osat lämpötila suvaitsevaisuutta, on ollut tärkein syy kiinnostusta testata myös muiden mikro-organismien lignoselluloosan muuntaminen SSF.,

Luonnollisesti ksyloosi-käymisen hiivat, kuten Pichia stipitis ja Candida shehatae , saattaa olla edullista käyttää SSF-materiaaleja, joissa on korkea lämpötila sisältöä. Kuitenkin, niiden sietokyky estävä yhdisteiden undetoxified lignoselluloosan hydrolysaatit on melko alhainen , ja lisäksi, hyvin pieni ja hyvin kontrolloituja happea tarvitaan tehokas ksyloosia käyminen . Tärkein ”kilpailijat” hiiva ovat olleet bakteerit Zymomonas mobilis ja geenitekniikalla Escherichia coli. Z., Mobilis, joka on velvoittavasti anaerobinen bakteeri, jolla ei ole hapettavan fosforylaation funktionaalista järjestelmää, tuottaa pääasiallisina käymistuotteina etanolia ja hiilidioksidia. Mielenkiintoista on, että Z. mobilis hyödyntää Entner-Duodoroff-reittiä, joka antaa alhaisemman ATP-tuotannon katabolisoitua glukoosia kohti . Tämä puolestaan vähentää biomassan tuottoa ja lisää glukoosin etanolituottoa verrattuna S. cerevisiae-valmisteeseen . Kuitenkin, villi-tyyppi Z. mobilis puuttuu kyky käydä pentoo sokereita, ja merkittävä haitta on myös se, että se ei ole kovin vahva organismi., Yleensä, bakteerit näyttävät olevan vähemmän suvaitsevainen lignoselluloosan-johdettu estäjät , ja vieroitus vaihe saattaa olla tarpeen ennen käymisen. Toisin kuin leivontahiiva ja Z. mobilis, E. coli pystyy metaboloivien monenlaisia substraatteja (mukaan lukien hexoses, pentoses ja laktoosi-intoleranssi), mutta villi-tyyppi organismi on sekoitettu fermentatiiviset koulutusjakson, ja on näin ollen huono etanolin tuottaja. Vuonna maamerkki panos, myönnetty Yhdysvaltain patentin numero 5000000, kanta E., coli oli geneettisesti osaksi etanoli tuottaja, jonka yli-ilmentymä PDC (koodaus pyruvaatti dekarboksylaasi) ja adhB (koodaus alkoholidehydrogenaasin) alkaen Z. mobilis . Erinomaisia tuloksia on saavutettu yhdistelmä E. coli, esim. KO11 kanta, joka on esitetty etanolin tuotot 86: sta lähes 100% teoreettinen, ja lopullinen etanoli pitoisuus enintään 40 g L-1 hemiselluloosa hydrolysaatit ja sokeriruokojäte, maissi stoverin ja maissi kuoret ., Kuitenkin, vain nestemäinen osa käytettiin raportoitu tutkimuksissa, ja hydrolysaatit olivat lisäksi detoksifioitu ennen käyttöä overliming pH 9 kalsiumhydroksidia ja sitten säätää pH on 6.0–6.5 HCl: llä. Lisäksi, koska optimaalinen pH on 6,5, E. coli soveltuu vähemmän SSF-prosesseihin T. reesei-sellulaasien kanssa, joiden pH yleensä katsotaan olevan optimaalinen noin 4,8 .

Pentoo käyminen suunniteltu S. cerevisiae

Koska erittäin houkutteleva ominaisuudet S., cerevisiae in industrial fermentations, on tehty merkittäviä ponnisteluja viime vuosikymmeninä suunnitella rekombinantti ksyloosi ja arabinoosi fermentointi kantoja tämän hiiva. Ksyloosia käymisen kantoja S. cerevisiae voi periaatteessa olla rakennettu joko ottamalla käyttöön koodaavat geenit ksyloosia isomeraasi (XI) bakteerien ja sienten , tai koodaavat geenit ksyloosi-reduktaasin (XR) ja ksylitoli dehydrogenaasi (XDH) sienistä . Myös endogeenisen XKS1 geeni, joka koodaa xylulokinase (XK) on yli-ilmennetään saada merkittäviä ksyloosia käyminen ., Kuljetusproteiineja tarvitaan ksyloosin sekä muiden hiivan sokereiden sisäänottoon. S. cerevisiae, ksyloosi on todettu kuljetetaan heksoosi siirtimiä , mutta affiniteetti ksyloosi on noin 200 kertaa pienempi kuin glukoosin . Tämän vuoksi glukoosi estää ksyloosin soluunottoa kilpailevasti.

On olemassa 20 eri geenit koodaavat sokeria liikenteeseen liittyviä proteiineja, 18 yksittäisten järjestelmien (Hxt1-17 ja Gal2) ja kaksi, jotka liittyvät signaalin proteiineja (Snf3p ja Rgt2p)., Kuljettajat näyttely eri samansuuntaiset koskee sokereita, ja ilmaus heidän vastaavien geenien säätelee sokerin pitoisuudet, eli saatavuus hiilen lähde . Se on aiemmin ollut suositeltavaa, että ksyloosi on tarttunut sekä korkea – ja matala-affiniteetti järjestelmien glukoosin kuljettajaproteiinien (Kuva 2), mutta otto on lisääntynyt ollessa alhainen glukoosipitoisuus . Tutkimukset ovat osoittaneet, että korkea – ja väli-affiniteetti heksoosi kuljettajat; Hxt4, Hxt5 Hxt7 ja Gal2 ovat itse asiassa tärkein kuljettajat varten ksyloosia ., Lisäksi on osoitettu, että alhainen (mutta ei nolla), glukoosi pitoisuus tarvitaan keskipitkällä tehokkaan ksyloosia käyttöönottoa . Tämä on selitetty tarve glukoosin ilmaus glykolyyttisiä entsyymejä ja välituotteita , sekä sukupolven välittäjä aineenvaihduntatuotteiden alkuperäisen vaiheet ksyloosia aineenvaihduntaa ja pentoosifosfaattireitin . Toinen mahdollinen selitys, päätellä molempien kokeiden ja tietokone mallinnus, on se, että glukoosi on tarpeen ilmaus heksoosi kuljetusyritysten kanssa suotuisa ksyloosia liikenteen ominaisuuksia, esim. Hxt4 ., Näin ollen, jotta saadaan tehokas co-käymisen ksyloosia ja glukoosi SSF (joskus merkitään SSCF – samanaikainen sokeroinnin ja co-käyminen) laimennetulla rekombinantti-S. cerevisiae, se on tarpeen pitää glukoosin pitoisuus alhainen, mikä käytäntö on osoittanut viime SSF tutkimukset .