Madame Lelica

a lignocellulosic takarmányok elérhetősége földrajzi helytől függően változik (lásd pl., Kim és Dale), valamint a lignocellulozikus alapanyagok meglehetősen heterogének mind a szerkezet, mind a kémiai összetétel szempontjából (lásd az 1.táblázatot). Ez a heterogenitás erős hatást gyakorol a folyamat tervezése, befolyásolása szinte minden folyamat lépések, azaz a mechanikus kezelése az anyag, előkezelés feltételek, választás, enzimek, valamint az élesztő törzsek, valamint a távolság, tulajdonságok, a fennmaradó lignin. Ez nyilvánvalóvá válik az alábbi vitában.,

Előkezelés

A cél az előkezelés, hogy megváltoztassa a lignocellulóz-tartalmú szerkezet, illetve növelheti a sebességét enzimatikus hidrolízis elsősorban a cellulóz. Ezt olyan vegyületek minimális képződésével kell elvégezni, amelyek gátolják a fermentáló mikroorganizmusokat . A hozzáférhető felületet az enzimatikus cellulóz lebomlásának hatékonyságát befolyásoló egyik legfontosabb tényezőnek tekintik ., A natív fában a sejtfal kapillárisainak csak egy kis része érhető el az enzimek számára . Előkezelés, azonban növeli a rendelkezésre álló terület több szempontból is ; i) töredékek, illetve repedések képződnek hozamú nagyobb területen , ii) a hemicellulose frakció hidrolizált, amely csökkenti árnyékoló hatása , iii.) a lignin is megy a strukturális változások, a fa delignified különböző mértékben, attól függően, hogy a előkezelés technológia . Így a lignin által okozott mikroszálak árnyékolása és a pórusok elzáródása eltávolítható., Az SSF-ben az emészthetőséget befolyásoló egyéb tényezők a szubsztrát kristályossága és a polimerizáció mértéke (DP) .

az előkezelési módszerek fizikai és kémiai módszerekre oszthatók, és ezek kombinációit gyakran használják (lásd például a Mosier et al. ). Az alapanyag típusa erősen befolyásolja az előkezelési módszer kiválasztását. A hemicellulóz például nagy mértékben acetilált xilánban gazdag anyagokban., Mivel az acetát felszabadul a hidrolízis során, ezeknek az anyagoknak az előkezelése bizonyos mértékig autokatalitikus, és kevesebb hozzáadott savat és enyhébb folyamatfeltételeket igényel. A felszabadult acetát azonban növeli a hemicellulóz-hidrolizátumok toxicitását.

az Ammóniaszál / fagyasztórobbanás (AFEX) előkezelését vonzó módszernek tekintik a mezőgazdasági maradékok előkezelésére, amely jól emészthető cellulózt eredményez . Az AFEX depolimerizálja a lignint, eltávolítja a hemicellulózt és decrystallizálja a cellulózt ., A mérsékelt hőmérséklet és a pH szintén minimalizálja a cukor bomlástermékeinek képződését. Azonban a módszer szenved a magas költségek ammónia, ammónia hasznosítás . Ebben az összefüggésben meg kell említeni a kalcium (vagy nátrium) hidroxidon alapuló mész-módszert is. Az alkáli pretreatmenteket alacsonyabb hőmérsékleten, hosszú tartózkodási idő alatt futtatják, az AFEX-módszert illetően pedig a biomassza delignifikációját kapjuk.

A Gőzrobbanás intenzíven tanulmányozott előkezelési módszer ., A nem katalizált gőzrobbanás – és a folyékony melegvíz előkezelésének – a biomasszára gyakorolt hatását elsősorban a hemicellulózisok eltávolításának tulajdonítják. Savas katalizátor hozzáadásával a hidrolízis tovább javítható . A H2SO4 vagy SO2 alkalmazásával történő hígított savas előkezelések a leginkább vizsgált előkezelési módszerek hatékonyságuk és olcsóságuk miatt. Ezeket a módszereket kísérleti üzemekben alkalmazták, ezért közel állnak a kereskedelmi forgalomba hozatalhoz . A savas katalizált kezelés javítja a hemicellulóz eltávolítását, részleges hidrolízist ad a cellulóznak és megváltoztatja a lignin szerkezetét ., A fő hátrányok a technológiai berendezések követelményeivel és az inhibitorok kialakulásával kapcsolatosak . Eddig az alkáli, AFEX és folyékony forró víz sikeres előkezelése a mezőgazdasági maradványokra és a lágyszárú növényekre korlátozódott , míg a savas katalizált gőz előkezelése magas cukortartalmat eredményezett ezekből az anyagokból, valamint a puhafa alapanyagokból .

a gőz előkezelési folyamat keménységének egyszerű számszerűsítése az úgynevezett súlyossági tényező, a 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@ ., A savas katalizált előkezeléseknél a kombinált súlyossági tényezőt, a log(CS) – t valamikor használják. Ez figyelembe veszi a pH-t is, a log(CS) = log(R0) – pH, valamint a savkatalizált gőzrobbanás tipikus értékei a puhafa előkezelése a 2-4 tartományban vannak .

az SSF-folyamat optimális előkezelési feltételei nem feltétlenül különböznek nagyban a LIGNOCELLULOSIC biomasszát használó SHF-folyamatokétól. Azonban az előkezelési hidrolizátumokban jelen lévő számos vegyületet, amelyek gátolják az enzimatikus hidrolízist, az erjedő szervezetek átalakítják., Ez egy valószínű magyarázat mögött a magasabb jelentett etanol hozamok SSF képest SHF . Ezért az előkezelésből származó inhibitorképződés nagyobb mértékben tolerálható egy SSF-folyamatban. A gátló vegyületek három fő csoportba sorolhatók: furaldehidek, gyenge savak és fenolok. A két leggyakoribb furaldehid, a HMF (5-hidroxi-metil-2-furaldehid) és a furfurol (2-furaldehid) súlyos körülmények között hexózokból, illetve pentózokból alakul ki ., A lignocellulozikus anyagokból, például ecetsavból, hangyasavból és levulinsavból származó gyenge savakat elsősorban hemicellulóz vagy HMF lebontás acetilezésével alakítják ki . A fenolos vegyületek elsősorban a lignin lebontása során képződnek, és számos változatban megtalálhatók, a lignin típusától függően . A gátlásról részletesebben lásd például Almeida et al.

enzimes hidrolízis

a sikeres előkezelés nagymértékben eltávolította a hemicellulózt, így a cellulóz hidrolízisre rendelkezésre áll., Mivel az etanol előállításához leggyakrabban használt mikroorganizmusok kizárólag cukor-monomereket használnak, a cellulózt hidrolizálni kell, ami egy SSF-ben egyidejűleg történik az erjedéssel. Történelmileg az ipari cellulóz emésztést savas hidrolízissel végezték, és különböző lignocellulozikus anyagok savas hidrolízisének optimalizálását etanolgyártási célokra végezték ., A savas hidrolízis azonban olyan hidrolizátumokat termel, amelyek viszonylag mérgezőek az erjedő mikroorganizmusokra, és a maximális glükózhozam kinetikai okokból egy tételfolyamatban körülbelül 60% – ra korlátozódik . A cellulózfrakció enzimatikus lebomlása viszont viszonylag nem toxikus hidrolizátumokat eredményezhet magasabb cukortartalommal.

A β lebontására szakosodott enzimek-1-4-a glükán glikozidkötéseit együttesen cellulázoknak nevezik. 1950-ben Reese et al bemutatta a több enzimen (C1 és CX) alapuló enzimatikus cellulóz hidrolízis modelljét., Feltételezték, hogy a C1 enzim rövidebb polianhidro-glükózláncokat termel, míg a szolubilizációt a CX enzimnek tulajdonították. Alapvetően ugyanaz a kép érvényes ma, de óriási előrelépés történt az összes érintett specifikus enzimkomponens ismeretében. A cellulázok három alkategóriára oszthatók, amelyek háromféle aktivitást képviselnek: endoglukanázok, exoglukanázok (cellobiohidrolázok) és β-glükózidázok., Az endoglukanázok jelentősen csökkentik a szubsztrát polimerizációjának mértékét azáltal, hogy véletlenszerűen megtámadják a belső részeket, elsősorban a cellulóz amorf régióiban. Az exoglukanázok (vagy cellobiohidrolázok) viszont fokozatosan lerövidítik a glükánmolekulákat azáltal, hogy a glükán végeihez kötődnek, és főként cellobiózegységeket szabadítanak fel. Végül a β-glükozidázok a diszacharid cellobiózt két egység glükózra osztják.,

többféle mikroorganizmus képes celluláz-rendszereket előállítani, beleértve az aerob fonalas gombákat, az aerob aktinomyceteket, az anaerob hipertermofil baktériumokat és az anaerob gombákat (lásd pl. a Lynd et al. ). Intenzív kutatás az aerob fonalas gombák T. reesei az elmúlt évtizedekben eredményezett hatékony celluláz termelő szervezet, amely jelenleg uralja az ipari celluláz termelés .

mint már említettük, az SSF-nél az SHF-hez képest fontos előny a végtermék gátlásának csökkentése a hidrolízis során képződött cukrokkal., A fermentációs termék etanol gátolja a hidrolízist is, de kisebb mértékben, mint a cellobióz vagy a glükóz . Egy másik előnye, hogy az előkezelés inhibitorai a mikroorganizmusok által metabolizálhatók . Ugyanakkor az SSF-folyamat is szenvedhet a szilárd lignocellulosikus frakció hiányos hidrolízisétől. A végtermékek vagy más komponensek általi gátlás kivételével ez az enzim deaktiválásának, a terméketlen enzimadszorpciónak, a láncvégek csökkenő elérhetőségének, valamint az előkezelt cellulóz átalakításával növekvő kristályosságnak tudható be .,

ipari SSF-ben az enzim-és sejtkoncentrációt megfelelő egyensúlyban kell tartani az élesztő és az enzimtermelés költségeinek minimalizálása érdekében. Az enzimkeverékek összetételének beállításával optimalizálni kell az enzimek közötti szinergiákat , például az endo-exo szinergizmust , az exo-exo szinergizmust , valamint az endo – vagy exoglukanázok és a β-glükozidázok közötti szinergizmust. Az optimális összetétel minden bizonnyal a lignocellulozikus nyersanyagtól függ.,

Erjedő mikroorganizmusok

Az általános követelményeket egy szervezet felhasználható etanol előállítás, hogy meg kell adni egy magas etanol hozam, magas termelékenység, s képes lesz arra, hogy ellenálljon a magas etanol koncentráció megtartása érdekében lepárlás költségek alacsony . Ezen Általános követelmények mellett az SSF alkalmazásokhoz elengedhetetlen az inhibitor tolerancia, a hőmérséklet tolerancia, valamint a több cukor hasznosításának képessége. Az alacsony pH-értékekkel szembeni tolerancia minimálisra csökkenti a szennyeződés kockázatát., A keményítő-vagy szacharózalapú etanolgyártásban a közönséges pékek élesztője, a Saccharomyces cerevisiae. Ez a szervezet etanolt termel magas hozam mellett (optimális körülmények között 0,45 g-1-nél magasabb) és magas fajlagos sebességgel (legfeljebb 1,3 g-1 sejttömeg h-1 ). Nagyon magas etanol-toleranciával is rendelkezik, egyes törzsek és közegek esetében több mint 100 g L-1-et jelentettek . Ezenkívül a szervezet robusztusnak bizonyult más inhibitorokkal szemben, ezért alkalmas lignocellulozikus anyagok fermentálására .,

a keményfából származó hemicellulóz és a mezőgazdasági maradékok jellemzően xilánokban gazdagok (vö. 1. táblázat-elsősorban O-acetil-4-O-metil-glükuronoxilánt tartalmazó keményfa, míg a füvek arabinoxilánt tartalmaznak . A puhafa hemicellulóz viszont több mannánt tartalmaz-elsősorban galaktoglukomannán formájában -, és kevesebb xilánt. A mannóz fermentáció általában hatékony S., cerevisiae, míg a galaktóz erjedésének képessége törzsfüggő, a galaktóz hasznosítására szolgáló géneket továbbá elnyomja a glükóz, ami a cukrok tipikus szekvenciális hasznosításához vezet. Nyilvánvaló, hogy a xilóz erjedés fontosabb kérdés a mezőgazdasági maradványok és a keményfa esetében, mint a puhafa esetében. A xilóz nem metabolizálódik a vad típusú S. cerevisiae által, kivéve, ha a xilitol kisebb mértékben csökken. Ez, valamint egyes részeiben a hőmérséklet-tolerancia volt a fő oka annak, hogy más mikroorganizmusokat is tesztelni kellett az SSF-ben a lignocellulóz átalakítására.,

Természetesen xilóz-erjesztő élesztő, mint a Pichia stipitis a Candida shehatae , potenciálisan előnyös használni a SSF anyagok, magas xylan tartalmát. A nem oxidált lignocellulóz-hidrolizátumokban a gátló vegyületekkel szembeni toleranciájuk azonban meglehetősen alacsony, ráadásul a hatékony xilóz erjedéshez nagyon alacsony és jól szabályozott oxigénellátásra van szükség . Az élesztő fő “versenytársai” a Zymomonas mobilis és a genetikailag módosított Escherichia coli baktériumok voltak. Z., a mobilis, egy kötelezően anaerob baktérium, amely nem rendelkezik az oxidatív foszforiláció funkcionális rendszerével, etanolt és szén-dioxidot állít elő fő fermentációs termékként. Érdekes módon A Z. mobilis az Entner-Duodoroff utat használja, amely katabolizált glükózonként alacsonyabb ATP termelést eredményez . Ez viszont alacsonyabb biomassza-hozamot és magasabb etanol-hozamot eredményez a glükózon, mint az S. cerevisiae . A vad típusú Z. mobilis azonban nem képes pentózcukor erjedésére, és nagy hátránya, hogy nem túl robusztus organizmus., Általában úgy tűnik, hogy a baktériumok kevésbé toleránsak a lignocellulóz-eredetű inhibitorokkal szemben, és az erjedés előtt méregtelenítési lépésre lehet szükség. A pékek élesztőjével és a Z. mobilis-szal ellentétben az E. coli számos szubsztrátot (beleértve a hexózokat, pentózokat és laktózt) képes metabolizálni, de a vad típusú organizmus vegyes fermentációs utat mutat, így gyenge etanoltermelő. Egy mérföldkő hozzájárulás, elnyerte az Egyesült Államok szabadalmi száma 5000000, törzs E., a coli-t genetikailag etanoltermelővé alakították a PDC (piruvát-dekarboxiláz kódolása) és az Adhb (alkohol-dehidrogenáz kódolása) Z. mobilis általi túlzott expressziójával . Kiváló eredményeket értek el a rekombináns E. coli, pl. a KO11 törzs, amely kimutatta, etanol hozamot 86-ról közel 100% – át, az elméleti, illetve a végső etanol koncentráció 40 g L-1 hemicellulose hidrolizátumok a kipréselt cukornád, kukorica stover a kukoricát, törzsön ., Azonban csak a folyékony frakciót alkalmazták a jelentett vizsgálatokban, és a hidrolizátumokat továbbá méregtelenítették használat előtt, kalcium-hidroxiddal 9-es pH-ra történő túllicitálással, majd HCl-lel 6,0-6,5 pH-ra módosították. Továbbá, mivel az optimális pH 6,5, az E. coli kevésbé alkalmas T. reesei cellulázokkal végzett SSF-folyamatokra, amelyek általában 4,8 körüli pH-optimumnak tekinthetők .

pentóz fermentáció S. cerevisiae által

az S nagyon vonzó tulajdonságai miatt., cerevisiae az ipari fermentációkban az elmúlt évtizedekben jelentős erőfeszítéseket tettek ennek az élesztőnek a rekombináns xilóz és arabinóz fermentáló törzseinek megtervezésére. Xilóz erjedő törzsek S. cerevisiae lehet a fő kialakítani, vagy bevezetésével gének kódoló xilóz isomerase (XI) a baktériumok, gombák , vagy a gének kódoló xilóz-reduktáz (XR), valamint a xilit dehidrogenáz (XDH) a gombák . A xilulokinázt (XK) kódoló endogén XKS1 gént is túlexpresszálni kell, hogy jelentős xilóz fermentációt kapjunk ., Transzportfehérjék szükségesek a xilóz, valamint az élesztőben lévő Egyéb Cukrok felvételéhez. Az S. cerevisiae-ban kimutatták, hogy a xilózt a hexóz transzporterek szállítják, de a xilóz iránti affinitás körülbelül 200-szor alacsonyabb, mint a glükóz esetében . Következésképpen a xilóz felvételét a glükóz kompetitíven gátolja.

20 különböző gén kódolja a cukor transzporthoz kapcsolódó fehérjéket, 18 egyedi rendszert (Hxt1-17 és Gal2) és két kapcsolódó jelfehérjét (Snf3p és Rgt2p)., A transzporterek különböző affinitást mutatnak a cukrokra vonatkozóan, és a megfelelő gének expresszióját a cukorkoncentráció, azaz a szénforrás rendelkezésre állása szabályozza . Korábban azt javasolták, hogy a xilózt mind a magas, mind az alacsony affinitású glükózszállítók rendszerei vegyék fel (2 .ábra), de a felvétel alacsony glükózkoncentráció jelenlétében növekszik. Tanulmányok kimutatták, hogy a nagy – és közepes affinitású hexóz transzporterek; a hxt4, a Hxt5 Hxt7 és a Gal2 valójában a xilóz legfontosabb transzporterei ., Továbbá kimutatták, hogy a tápközegben alacsony (de nem nulla) glükózkoncentrációra van szükség a hatékony xilózfelvételhez . Ezt azzal magyarázták , hogy glükózra van szükség a glikolítikus enzimek és intermedierek expressziójához, valamint a közvetítő metabolitok előállításához a xilóz metabolizmus és a pentóz-foszfát út kezdeti lépéseihez . Egy másik lehetséges magyarázat, amely mind a kísérletekből, mind a számítógépes modellezésből származik, az, hogy a glükóz szükséges a kedvező xilóz szállítási tulajdonságokkal rendelkező hexóz transzporterek, például a Hxt4 kifejezéséhez ., Következésképpen, annak érdekében, hogy hatékony társ-erjedés, xilóz, illetve glükóz SSF (néha jelöli SSCF – egyidejű saccharification and co-erjedés) a rekombináns S. cerevisiae, meg kell tartani a glükóz koncentráció alacsony, amelyek kimutatták, hogy a gyakorlatban az elmúlt SSF tanulmányok .