Madame Lelica

SSF 개념

수행하는 아이디어 가수분해 효소 및 발효 동시에 앞으로 넣어 가우스 et al. 1976 년 특허에서., 저자는 포도 수확량에서 전통적인 별도의 효소적 가수분해(사용하여 효소의 생산에 의해 균 트리코더마 reesei)었다 낮은,때문에 아마 최종 제품의 저해 가수분해에 의한 포도당과 cellobiose. 저자 수,그러나,보여 얻은 그들은 더 높은 전반적인 에탄올 수확량을 사용할 때 SSF,그들에 기인하거의 포도당과 cellobiose 에 의해 발효작용,그리고 그에 따른 릴리스의 최종 제품을 억제., 기 SSF(약어 SSF 자주 사용한 솔리드 스테이 발효)을 사용하지 않는 저자가 시간이었지만 일반적인 표기법에 대한 이 프로세스에서는 몇 년에서 원본의 발명품이다. 회의 최종 제품을 저해 여전히 아마도 가장 중요한 이유 사용을 위한 SSF 지만,거기에 몇 가지 추가 잠재적인 이점이 있습니다. Gauss and co-workers,인스턴스에 대해 언급하는 장점이 포도당하지 않에서 분리되는 리그닌 일부 다음과 같은 별도의 효소적 가수분해 단계를 피하고,잠재적 손실 설탕이다., 또한,가수 분해와 발효의 조합은 필요한 용기의 수와 이에 따른 투자 비용을 감소시킨다. 자본 투자의 감소는 20%보다 큰 것으로 추산되었습니다. 이것은 매우 중요하기 때문에,자본 비용이 될 것으로 예상 할 수있는 비교하여 원료 비용 에탄올 생산에서 lignocellulose. 다른 장점과 관련된 co-소비의 오탄 및 탄당 설탕,그리고 해독되고 있는 명백한 더 많은 최근에 논의 될 것이다 나중에 이를 검토합니다.,

필연적으로,별도의 가수분해 및 발효(SHF)공정과 비교하여 SSF 의 단점도 있다. 효소 가수 분해를위한 최적 온도는 일반적으로 발효의 온도보다 높습니다–적어도 효모를 발효 유기체로 사용하는 경우. SHF 공정에서 효소 가수 분해를위한 온도는 발효 온도와 독립적으로 최적화 될 수있는 반면,절충안은 SSF 공정에서 발견되어야한다. 또한,발효 후 리그닌으로부터 효모를 분리하는 문제로 인해 ssf 공정에서 효모를 재사용 할 수 없다., 따라서,효모 반드시 나타낼 수확량 감소에서 SSF 면,프로세스를 효모에서 생산된 탄수화물 프로세스에서(그림 1 참조)또는 실행하는 비용은 경우 외부에 제공합니다. 효소는 shf 공정에서도 똑같이 재사용하기가 어렵습니다. 이 효소는 생산 중에 과정(그림 1 참조)–그로 인하여 나타내는 기판의 손실 또는 외부에 공급함으로써 추가하는 화학 비용., 재순환의 효소가 똑같이 어려운 이 효소 바인딩 기판하지만,일부 탈 얻을 수 있습 후의 계면 활성제이다.

의 가용성 lignocellulosic 공급 원료에 따라 다양 지리적 위치를(예보, 김 데일),그리고 lignocellulosic 공급 원료 오히려 이기종에서 모두의 측면 구조 및 화학적 조성(표 1 참조). 이 이종에 강한 영향을 미치는 프로세스 설계에 영향을 미치는,사실상 모든 과정을 단계,즉 기계적 처리,재료의 전처리 조건을 선택 및 효소의 효 모 종자뿐만 아니라,분리 및 특성을의 나머지 리그닌. 이것은 아래의 토론에서 분명해질 것입니다.,

전처리

목적의 전처리를 변경 lignocellulosic 구조와 증가하는 속도의 효소적 가수분해에 주로 셀룰로오스이다. 이것은 발효 미생물을 억제하는 화합물의 최소 형성으로 수행되어야한다. 액세스할 수 있는 표면적의 하나로 간주에 영향을 미치는 가장 중요한 요소의 효율성을 효소는 셀룰로오스 저하될 수 있습니다., 토종 나무에서는 세포벽 모세 혈관의 작은 부분 만이 효소에 접근 할 수 있습니다. 전처리,그러나,증가한 사용할 수 있는 영역에는 몇 가지 방법;i)조각 균열이 형성되고수익 증가,지역 ii)헤미셀룰로오스의 일부분 가수분해하는 감소 차폐 효과,iii)리그닌 또한 구조적인 변화를 겪고 나무가 delignified 을 다양한 각도에 따라 전처리 기술입니다. 따라서,리그닌에 의해 유발 된 미세 섬유의 차폐 및 기공의 폐색이 제거 될 수있다., SSF 에서 소화율에 영향을 미치는 것으로 여겨지는 다른 요인은 기질 결정도 및 중합 정도(DP)입니다.

전처리 방법으로 나눌 수 있습 물리적 및 화학적 방법,그리고 조합의 이러한 두 가지 일반적으로 사용하십시오(예:리뷰에 의해 작성 Mosier et al. ). 공급 원료의 유형은 전처리 방법의 선택에 강하게 영향을 미친다. 상기 헤미셀룰로오스는 예를 들어 자일란이 풍부한 물질에서 높은 정도로 아세틸화된다., 이후 아세테이트 중에 해방 분해,전처리의 이러한 자료는 어느 정도는 촉매가 적게 필요가 산과 더 온화한 프로세스 조건입니다. 그러나,해방 된 아세테이트는 헤미셀룰로오스 가수 분해물의 독성을 추가한다.

암모니아 섬유/동결 폭발(AFEX)전처리로는 매력적인 방법에 대한 전처리의 농산물 잔류물 산출,매우 소화 셀룰로오스이다. AFEX 는 리그닌을 탈중합하고,헤미셀룰로오스를 제거하고 셀룰로오스를 탈결정화시킨다., 적당한 온도 및 pH 는 또한 설탕 분해 생성물의 형성을 최소화한다. 그러나이 방법은 암모니아 및 암모니아 회수 비용이 높습니다. 이러한 맥락에서 칼슘(또는 나트륨)수산화물에 기초한 석회 방법도 언급되어야한다. 알칼리 전처리제는 더 낮은 온도에서 긴 체류 시간 동안 실행되며,AFEX 방법에 관해서는 바이오 매스의 탈리그니즘이 얻어진다.

증기 폭발은 집중적으로 연구 된 전처리 방법입니다., 바이오 매스에 대한 코팅되지 않은 증기 폭발 및 액체 온수 전처리 물 효과는 주로 헤미셀룰로오스 제거에 기인합니다. 산 촉매를 첨가함으로써 가수 분해를 더욱 향상시킬 수있다. H2so4 또는 SO2 를 사용하는 묽은 산 전처리 방법은 그 효과와 저렴성 때문에 가장 많이 조사 된 전처리 방법입니다. 이러한 방법은 파일럿 플랜트에 적용되어 왔으며 따라서 상용화에 가깝습니다. 산성 촉매 처리는 헤미셀룰로오스 제거를 개선하고 셀룰로오스의 부분 가수 분해를 제공하며 리그닌 구조를 변경합니다., 주요 단점은 공정 장비 요구 사항 및 억제제 형성과 관련이 있습니다. 지금까지 성공적인 전처리과 알칼리,AFEX 및 액체 뜨거운 물에 국한 되었습 농산물 잔여물과 초본 농작물,반면 산 촉매 증기 전처리가 생성 높은 설탕 수익률은 이러한 재료들로부터 뿐만 아니라에서 침엽수에서 구할 수 있는 원재료입니다.

증기 전처리 공정의 가혹함에 대한 간단한 정량화는 소위 심각도 계수 인 log(R0)입니다., 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@ ., 산성 촉매 전처리제의 경우 결합 된 심각도 계수 인 log(CS)가 언젠가 사용됩니다. 이것은 또한 pH 계정으로 로그(CS)=log(R0)-pH,그리고 일반적인 값을 위해 산 촉매 증기 폭발 전처리의 침엽수는 범위에서 2~4.

SSF 공정에서의 최적 전처리 조건은 반드시 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스를 이용하는 SHF 공정의 조건과 크게 다르지 않다. 그러나 효소 가수 분해를 억제하는 전처리 가수 분해물에 존재하는 여러 화합물은 발효 유기체에 의해 전환된다., 이것은 SHF 에 비해 SSF 에서 더 높은보고 된 에탄올 수율 뒤에 가능한 설명이다. 따라서 전처리로부터의 억제제 형성은 SSF 공정에서 더 높은 정도로 용인 될 수있다. 억제 화합물은 3 개의 중요한 그룹으로 끼워넣을 수 있습니다;furaldehydes,약산 및 phenolics. 가장 일반적인 두 가지 furaldehyde 인 HMF(5-hydroxymethyl-2-furaldehyde)와 furfural(2-furaldehyde)은 각각 hexoses 와 pentoses 로부터 심한 조건에서 형성됩니다., 약산에서 lignocellulosic 재료와 같은 아세트산,포름과 levulinic 산,주로에 의해 형성된 de-아세틸화의 헤미셀룰로오스 또는 HMF 을 분석합니다. 페놀 화합물은 리그닌 분해 동안 주로 형성되며,리그닌의 유형에 따라 수많은 변형에서 발견되어야한다. 억제에 대한보다 심층적 인 논의는 예를 들어 알메이다 등의 검토를 참조하십시오.

효소적 가수분해

성공적인 전처리가 큰 범위를 제거 헤미셀룰로오스를 떠나,셀룰로오스로 사용한 가수분해., 이는 가장 일반적으로 사용되는 미생물을 위한 에탄올 생산 전적으로 활용 설탕 단량체,셀룰로오스 필요를 가수분해되는지에 SSF 발생하는 부수적으로 발효된다. 역사적으로,산업용 셀룰로오스 소화했으로 산 가수분해 및 최적화산의 가수분해 다양한 lignocellulosic 재료에 수행되었 에탄올 생산을 목적입니다., 산 가수분해,그러나,생산 hydrolyzates 는 상대적으로 독성이 발효하는 미생물,그리고 포도당 최대 수율은 제한을 약 60%일괄 처리 프로세스에 대한 운동 이유입니다. 반면에 셀룰로오스 분획의 효소 분해는 더 높은 당 수율로 상대적으로 독성이없는 가수 분해물을 산출 할 잠재력을 가지고있다.

β 를 끊기를 전문화된 효소-1-4-글루칸의 글리코 시드 결합은 집합 적으로 셀룰라아제라고합니다. 1950 년 Reese et al 은 다중 효소(c1 및 CX)에 기초한 효소 셀룰로오스 가수 분해 모델을 제시했다., C1 효소는 더 짧은 폴리 안 하이드로-글루코오스 사슬을 생성하는 것으로 가정 된 반면,가용화는 CX 효소에 기인 한 것이다. 기본적으로 동일한 그림이 오늘 적용되지만 관련된 모든 다른 특정 효소 성분에 대한 지식에 큰 진전이있었습니다. 는 셀룰라아제로 나누어져 있는 세 가지 하위 카테고리를 나타내는 세 가지 유형의 활동:endoglucanases,exoglucanases(cellobiohydrolases)and β-glucosidases., Endoglucanases 크게 줄 정도의 중합의 기판으로 공격한 내부 부분에서 주로 무정형 지역의 셀룰로오스이다. Exoglucanases(또는 cellobiohydrolases),다른 한편으로,점진적으로 단축 glucan 분자에 바인딩하여 글루칸 종료되고 해 주로 cellobiose 단위입니다. 마지막으로,β-글루코시다 제는 이당류 셀로 비오 오스를 두 단위의 포도당으로 분할합니다.,

몇 가지 유형 미생물의 생산할 수 있는 셀룰라아제 시스템을 포함하여 에어로빅 filamentous 곰팡이,에어로빅 방선균,혐기성 hyperthermophilic 세균과 곰팡이 혐기성(예를 들어 볼 검토 린드 et al. ). 집중적인 연구에서는 에어로빅 filamentous 곰팡이 T.reesei 지난 수십 년 동안은 결과에서 효율적인 셀룰라아제 생산하는 생물은 현재 지배하는 산업용 셀룰라아제 생산입니다.

이미 언급했듯이,중요한 장점을 가진 SSF 에 비해 SHF 감소의 최종 제품에 의해 억제하는 설탕을 형성에 가수분해., 발효 생성물 에탄올은 또한 가수 분해를 억제하지만 셀로 바이오 오스 또는 포도당보다 적은 정도로 억제한다. 또 다른 이점은 전처리로부터의 억제제가 미생물에 의해 대사 될 수 있다는 것이다. 그러나,또한 SSF 공정은 고체 리그 노 셀룰로오스 분획의 불완전한 가수 분해로 고통받을 수있다. 를 제외하고 억제를 통해 최종 제품 또는 다른 구성 요소를 이해할 수 있는 효소를 비활성화,비생산적인 효소 흡착,가용성 감소 체인의 끝이 증가하고,결정성과 변환기의 전처리 셀룰로오스이다.,

에서는 산업 SSF,효소 및 세포 농도 있어야 적절한 균형을 잡기 위해 비용을 최소화 하기 위한 효과 효소의 생산이다. 간의 시너지 효소,예를 들어,엔도 exo 성분,exo exo 성분 및 성분 사 엔도 또는 exoglucanases 및 β-glucosidases 해야한다,또한 최적화 조정하여 구성 효소의 혼합물. 최적의 조성은 리그 노 셀룰로오스 원료에 가장 확실하게 의존 할 것이다.,

발효 미생물

일반 요구 사항에 유기체에서 사용되는 에타놀 생산은 그것을 주어야한다 높은 에탄올 생산량,높은 생산성과를 견딜 수 있어 높은 에탄올 농도를 유지하기 위해서는 증류 비용을 낮습니다. 이러한 일반적인 요구 사항 외에도 억제제 내성,온도 내성 및 다중 당을 활용하는 능력은 SSF 응용 분야에 필수적입니다. 낮은 pH 값을 향한 허용 오차는 오염의 위험을 최소화합니다., 전분 또는 자당 근거한 에타놀 생산에 있는 일 말은 일반적인 빵 굽는 사람의 효모,Saccharomyces cerevisiae 입니다. 이는 유기체 에탄올 생산에는 높은 수익률(보다 더 높은 0.45g g-1 에서 최적의 조건)그리고 높은 비율(1.3g g-1 세포 질량 h-1)입니다. 또한 에탄올 내성이 매우 높으며 일부 균주 및 배지에 대해 100g l-1 이상이보고되었습니다. 또한,유기체는 다른 억제제에 견고하다는 것이 입증되었으며,따라서 리그 노 셀룰로오스 물질의 발효에 적합합니다.,

경재 및 농업 잔류물로부터의 헤미셀룰로오스는 전형적으로 자일란이 풍부하다(참조. 표 1)-주로 O-아세틸-4-O-메틸-글루 쿠로 녹실란을 함유하는 경재 인 반면,풀은 아라비녹실란을 함유한다. 침엽수 헤미셀룰로오스,다른 한편으로는,포함되어 더 mannans–에서 주로 양식을 galactoglucomannan–고 적 xylan 으. 만노스 발효는 일반적으로 S 에서 효율적입니다., cerevisiae,반면 능력을 발효하 갈락토오스는 변형에 따라,그리고 유전자에 대한 갈락토오스를 이용하는 게다가 억압하여 포도당,지도하는 일반적인 순차적 이용의 설탕이다. 분명히,크 실로 오스 발효는 연목보다 농업 잔류 물 및 경재에 더 중요한 문제입니다. 자일로 오스는 자일리톨에 대한 사소한 환원과는 별도로 야생형 S.cerevisiae 에 의해 대사되지 않습니다. 이며,일부 부품의 온도가 포용력,주요 이유로 뒤에 관심을 테스트하는 또 다른 대한 미생물 lignocellulose 변환 in SSF.,

Pichia stipitis 및 Candida shehatae 와 같은 자연적으로 xylose-fermenting 효모는 xylan 함량이 높은 물질의 SSF 에서 사용하는 것이 잠재적으로 유리할 수 있습니다. 그러나,그들의성을 억제 화합물에서 undetoxified lignocellulose hydrolyzates 히 낮은,그리고에,또한 매우 낮고 잘 통제되는 산소의 공급을 위해 필요한 효율적인 xylose 발효입니다. 효모에 대한 주요”경쟁자”는 박테리아 인 Zymomonas mobilis 와 유전자 조작 된 Escherichia coli 였습니다. Z., 모빌 이야기,야 obligately 혐기성 박테리아가 부족하는 시스템 기능에 대한 산화적 인 산화 에탄올 생산 및 이산화탄소 같은 주요 발효 제품입니다. 흥미롭게도,Z.mobilis 는 이화 된 포도당 당 더 낮은 ATP 생산을 제공하는 Entner-Duodoroff 경로를 이용합니다. 이것은 차례로 S.cerevisiae 에 비해 포도당에 대한 낮은 바이오 매스 수율과 높은 에탄올 수율을 제공합니다. 그러나,wild-type Z. 모빌 이야기 부족한 능력을 발효 오탄 설탕,그리고 주요 단점은 또한 그것은 매우 견고한 생명체이다., 일반적으로,박테리아는 리그 노 셀룰로스 유래 억제제에 덜 내성을 갖는 것으로 보이며,발효 전에 해독 단계가 필요할 수있다. 에 대비하는 빵 굽는 사람은’효모와 Z. 모빌 이야기,E.coli 할 수 있 metabolizing 의 다양한 기판을(를 포함하여 hexoses,pentoses 및 유당)지만,wild-type 생물체에는 혼합효 통로이며,따라서 가난한 에탄올 생산자이다. 랜드 마크 기여에서,미국 특허 번호 5000000,E 의 변형을 수여., coli 는 z.mobilis 에서 PDC(pyruvate decarboxylase 를 인코딩)및 adhB(알코올 탈수소 효소를 인코딩)의 과발현에 의해 에탄올 생산자로 유전자 조작되었다. 우수한 결과를 달성되었으로 재조합이 대장균,e.g.KO11 변형는 다음과 같 에탄올 수익률이에서 86 가깝 100%의 이론적,그리고 최종 에탄올 농도가 최대 40g L-1 에는 헤미셀룰로오스 hydrolyzates 의 사탕수수,옥수수 여물며 옥수수 선체., 그러나,액체 일부분이었에서 사용되는 연구보고,그리고 hydrolyzates 었다 게다가 해독하기 전에 사용 overliming 하여 pH 를 9 과 수산화칼슘과 조정한 다음 pH6.0–6.5HCl. 또한,최적의 pH 가 6.5 이기 때문에,E.coli 는 T.reesei 셀룰라아제와의 SSF 공정에 덜 적합하며,일반적으로 ph 최적은 약 4.8 인 것으로 간주된다.

엔지니어링 S.cerevisiae 에 의한 펜토스 발효

S 의 매우 매력적인 특성으로 인해., cerevisiae 산업 fermentations 가 있었 상당한 노력은 지난 수십 년 동안을 디자인하는 재조합 크실로오스와 arabinose 발효 이의 긴장을 효모입니다. Xylose 발효의 종자 S.cerevisiae 수 있습에서 주요 건설 중 하나를 도입하여 유전자가 인코딩 xylose isomerase(XI)에 세균과 곰팡이,또는 유전자가 인코딩 xylose reductase(XR)및 자일리톨 dehydrogenase(XDH)에서 곰팡이. 또한 크 실룰로 키나아제(XK)를 코딩하는 내인성 XKS1 유전자는 상당한 크 실로 오스 발효를 얻기 위해 과발현되어야한다., 수송 단백질은 크 실로 오스의 흡수뿐만 아니라 효모의 다른 당의 흡수에 필요합니다. In S.cerevisiae,크실로오스 발견 되었습니다 이송에 의해 탄당 운송,지만,선호도에 대한 크실로오스 약 200 배 더 낮에 대한 포도당입니다. 결과적으로,크 실로 오스 흡수는 글루코오스에 의해 경쟁적으로 억제된다.

있는 20 개의 다른 유전자에 인코딩 설탕을 전송과 관련된 단백질,18 개별 시스템(Hxt1-17Gal2)및 관련 신호 단백질(Snf3p 및 Rgt2p)., 운송을 전시 다른 유사성에 대한 설탕,그리고 표현의 자신의 해당하는 유전자가에 의해 규제 설탕 농도,즉,가용성 탄소의 소스입니다. 그것은 이전에 제안하는 크실로오스에 의해 촬영 모두 높은 낮은 선호도 시스템의 운송 포도당(그림 2)지만,통풍관 증가에 존재하는 저가의 포도당농도. 연구는 고고급-탄당 선호도 운송;Hxt4,Hxt5Hxt7 및 Gal2 사이에서 가장 중요한 운송을 위한 xylose., 또한,효율적인 크 실로 오스 흡수를 위해 배지에서 낮은(그러나 0 이 아닌)포도당 농도가 필요하다는 것이 입증되었습니다. 이 설명되었을 위한 필요에 의해 포도당을 위한 식분해 효소 및 중간체뿐만 아니라,세대의 중간 대사 산물에 대한 초기 단계가 크실로오스 물질 대사와 pentose 인산 경로. 또 다른 설명에서 유추를 모두 실험 및 컴퓨터 모델링,그 포도당을 위해 필요한 표현의 탄당 운송으로 유리한 크실로오스의 전송 특성,예를 들어,Hxt4., 결과적으로 얻기 위해서는 효율적인 공동의 발효목당과 포도당에서 SSF(때로는 로 표시된 SSCF 동시에 젖과 공동 발효)와 재조합 S.cerevisiae,그것은 유지하는 데 필요한 포도당은 농도가 낮고,표시 되었습니다 실제로 최근에 SSF 연구이다.