Skip to main content

Cellulase für Bioethanol — Verzuckerung landwirtschaftlicher Reststoffe für Cellulose-Ethanol der zweiten Generation

Wandeln Sie lignocellulosische Biomasse — Maisstroh, Bagasse, Weizenstroh und Holzschnitzel — mithilfe eines hochaktiven Cellulase-Enzyms für die Verzuckerung von Bioethanol der zweiten Generation in vergärbare Glukose um.

Short answer

Ethanol der zweiten Generation benötigt Cellulase, weil sein Rohstoff Cellulose ist, nicht Stärke. Sobald die Vorbehandlung die Lignin-Hemicellulose-Matrix aufgebrochen hat, hydrolysiert ein Cellulasekomplex — Endoglucanase, Cellobiohydrolase und Beta-Glucosidase im Zusammenspiel — Cellulose zu Glukose für die Fermentation. Enzymbeladung und Vorbehandlungsintensität stehen in Wechselwirkung zueinander und bestimmen die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Bioethanol der zweiten Generation (2G) — hergestellt aus lignocellulosischen landwirtschaftlichen Reststoffen und Energiepflanzen statt aus nahrungsmittelkonkurrierenden Stärke- oder Zuckerpflanzen — hängt grundlegend von Cellulase-Enzym ab, um Cellulose in vergärbare Glukose umzuwandeln. Die für die 2G-Bioethanolproduktion eingesetzten lignocellulosischen Rohstoffe — Maisstroh, Zuckerrohrbagasse, Weizenstroh, Reisstroh, Switchgrass und holzige Biomasse — enthalten 30–50 % Cellulose bezogen auf das Trockengewicht, was das dominierende vergärbare Substrat darstellt. Diese Cellulose ist jedoch in eine Matrix aus Hemicellulose und Lignin eingebettet, die sie physisch vor enzymatischem Angriff schützt, weshalb vor der enzymatischen Verzuckerung ein Vorbehandlungsschritt (verdünnte Säure, Dampfexplosion, alkalisch oder Organosolv) erforderlich ist. Nach der Vorbehandlung, welche die Lignin-Hemicellulose-Matrix aufbricht und die Zugänglichkeit der Celluloseoberfläche erhöht, wird Cellulase-Enzym im Verzuckerungsschritt eingesetzt, um Cellulosestränge zu Glukosemonomeren zu hydrolysieren. Dieser hydrolysierte Glukosestrom wird anschließend von Saccharomyces cerevisiae oder anderen Organismen zu Ethanol vergoren. Das für eine wirksame lignocellulosische Verzuckerung erforderliche Cellulase-Enzymsystem ist ein Mehrkomponentenkomplex, der Endoglucanase (EC 3.2.1.4), Cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) und Beta-Glucosidase (EC 3.2.1.21) umfasst — die gemeinsam synergistisch kristalline Cellulose zu Cellobiose und Glukose depolymerisieren. Cellulase aus Trichoderma reesei ist der Industriestandard für 2G-Bioethanol, da T. reesei einen ausgewogenen Cellulasekomplex mit hohem Cellobiohydrolase-Anteil und starker Synergie zwischen den Komplexkomponenten erzeugt. Die Verzuckerungsbedingungen liegen typischerweise bei pH 4,5–5,5 und 45–55 °C, wobei die Enzymbeladung am Cellulosegehalt des vorbehandelten Substrats ausgerichtet wird, abhängig von Vorbehandlungsintensität, Cellulosekristallinität und Zielglukoseausbeute. Für industrielle Bioethanolanlagen und Bioraffinerien ist der Enzymkostenanteil ein wesentlicher Faktor in der Wirtschaftlichkeit von 2G-Ethanol — die Enzymkosten pro Liter Ethanol müssen durch hohe spezifische Aktivität, eine an die Vorbehandlungsintensität angepasste Beladung und eine Glukoseausbeuteoptimierung bei kommerziell tragfähigen Enzymdosen minimiert werden. Technische Einkäufer spezifizieren Cellulase-Enzym anhand der Hydrolyseleistung, die es an ihrem eigenen vorbehandelten Substrat erzielt, des benötigten Beta-Glucosidase-Zusatzes, des Proteingehalts sowie der thermischen Stabilität bei Prozesstemperatur.

Updated · cellulase

Anwendungen

Verzuckerung von Maisstroh für Cellulose-Ethanol

Maisstroh, das durch verdünnte Säure oder Dampfexplosion bei hohem Feststoffgehalt (15–25 % Trockenmasse) vorbehandelt wurde, wird mit einer an die Vorbehandlung angepassten Cellulase-Enzymbeladung, ergänzt durch Beta-Glucosidase, bei pH 4,8–5,2 und 50 °C für 48–72 Stunden verzuckert. Unter diesen Bedingungen sind Glukoseausbeuten von 80–92 % der theoretischen Celluloseumwandlung erreichbar, wodurch das vergärbare Substrat für die Ethanolfermentation bei 50–60 g/L Glukose im Hydrolysat bereitgestellt wird. Die Hydrolyse erfolgt typischerweise bei hohem Feststoffgehalt, um den Wasserverbrauch zu minimieren und die Glukosekonzentration für die nachgelagerte Fermentation zu maximieren.

Cellulase-Hydrolyse von Zuckerrohrbagasse für Ethanol und Glukose

Zuckerrohrbagasse, der faserige Rückstand aus der Saftgewinnung, enthält 35–45 % Cellulose und ist der wichtigste Rohstoff für 2G-Ethanol in zuckerrohrerzeugenden Regionen. Nach Vorbehandlung mit verdünnter Säure oder alkalisch/Dampf bei 180–200 °C wird Bagasse mit einer an die Vorbehandlung angepassten Cellulase-Beladung bei pH 4,8–5,0 und 48–50 °C für 48–72 Stunden verzuckert. Eine hochkonzentrierte Trichoderma-reesei-Cellulase-Qualität liefert die für eine effiziente Hydrolyse der kristallinen Cellulose in der Bagassematrix erforderliche Endoglucanase- und Cellobiohydrolase-Aktivität.

Verzuckerung von Weizenstroh und landwirtschaftlichen Reststoffen

Weizenstroh, Reisstroh und andere landwirtschaftliche Getreidereststoffe, die mit alkalischem Wasserstoffperoxid, Organosolv oder Dampfexplosion bei 10–20 % Trockenmasse-Feststoffgehalt vorbehandelt wurden, werden mit einer an die Vorbehandlung angepassten Cellulase-Beladung bei pH 5,0–5,5, 50 °C, für 48–96 Stunden verzuckert. Landwirtschaftliche Strohsorten weisen eine geringere Cellulosekristallinität als holzige Biomasse auf und erreichen unter diesen Bedingungen mit T.-reesei-Cellulase-Enzym typischerweise 75–90 % Celluloseumwandlung, was je nach anfänglicher Trockenmassebeladung Glukosekonzentrationen von 40–70 g/L in der Verzuckerungslauge ergibt.

Simultane Verzuckerung und Fermentation (SSF)

Bei der simultanen Verzuckerung und Fermentation (SSF) werden Cellulase-Enzym und Fermentationshefe gemeinsam zur vorbehandelten Biomasse gegeben, wobei die Hefe die Glukose so schnell verbraucht, wie sie vom Enzym produziert wird, was die Produkthemmung der Cellulase durch Cellobiose und Glukose verringert. SSF-Bedingungen liegen typischerweise bei pH 5,0–5,5 und 37–39 °C — ein Kompromiss zwischen dem Cellulase-Optimum (50 °C) und dem Fermentationsoptimum der Hefe (30–35 °C). Cellulase-Enzym mit einer an die Vorbehandlung angepassten Beladung erreicht bei SSF innerhalb von 72–120 Stunden eine Celluloseumwandlung von 70–85 %, wobei die gleichzeitige Ethanolproduktion den Bedarf an einem separaten Fermentationsbehälter verringert.

Produktspezifikationen

Parameter Wert
Aktivitätsbereich Mehrere Qualitäten (Pulver & Flüssigkeit)
Optimaler pH-Wert 4,0 – 6,0
Optimale Temperatur 45 °C – 60 °C
Form Hellbraunes bis braunes Pulver oder Flüssigkeit
Haltbarkeit 12 Monate (versiegelt, kühl, trocken gelagert)
Verpackung 25-kg-Fässer (Pulver) / 30-kg-Kanister (Flüssigkeit)

Häufig gestellte Fragen

Welche Cellulase-Komponenten werden für eine vollständige Verzuckerung lignocellulosischer Biomasse benötigt?

Eine wirksame lignocellulosische Verzuckerung erfordert ein Mehrkomponenten-Cellulasesystem: Endoglucanase (EC 3.2.1.4) spaltet zufällig innere glykosidische Bindungen in der Cellulosekette und verringert so den Polymerisationsgrad; Cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) greift Kettenenden an und ist das dominierende Enzym für die Hydrolyse kristalliner Cellulose; Beta-Glucosidase (EC 3.2.1.21) wandelt Cellobiose (das Zweizucker-Produkt der Cellobiohydrolase) in Glukose um und verhindert so eine Cellobiose-Anreicherung, die sonst die Cellobiohydrolase hemmt. Trichoderma reesei produziert natürlicherweise alle drei Komponenten mit hohem Cellobiohydrolase-Anteil, was T.-reesei-Cellulase zum Standard für die 2G-Ethanol-Verzuckerung macht. Wo die Beta-Glucosidase-Aktivität in der nativen T.-reesei-Präparation unzureichend ist, wird ergänzende Beta-Glucosidase aus Aspergillus niger zugesetzt.

Wie berechne ich die benötigte Cellulase-Menge pro Tonne Biomasse?

Die Enzymbeladung wird an der Cellulose im vorbehandelten Substrat ausgerichtet, nicht an der Rohbiomasse, sodass die Berechnung in drei Schritten erfolgt. Erstens: den Cellulosegehalt des vorbehandelten Substrats bestimmen — typischerweise 35–50 % des Trockengewichts, wobei es sich lohnt, ihn zu messen statt anzunehmen, da die Vorbehandlungsintensität ihn verändert. Zweitens: die Tonnen Trockenbiomasse mit diesem Celluloseanteil multiplizieren, um Kilogramm Cellulose pro Tonne zu erhalten. Drittens: die Beladung anwenden, die Ihr eigener Hydrolyseversuch als notwendig erwiesen hat, um die Zielglukoseausbeute an diesem Substrat zu erreichen, und diese in Kilogramm Enzymprodukt pro Tonne Biomasse bei der Konzentration der von Ihnen gekauften Qualität umrechnen. Die Beladung ist der größte einzelne Kostenhebel bei Enzymen in der Ethanolproduktion der zweiten Generation und sollte daher an Ihrem eigenen vorbehandelten Material festgelegt und bei jeder Änderung von Vorbehandlungsintensität, Feststoffbeladung oder Verweilzeit erneut geprüft werden. Senden Sie uns Ihre Substratanalyse und Ihr Ausbeuteziel, und wir empfehlen eine Qualität sowie eine Startbeladung für den Versuch.

Welche Vorbehandlung ist vor der Cellulase-Verzuckerung erforderlich?

Eine Vorbehandlung ist erforderlich, weil native lignocellulosische Biomasse einem enzymatischen Angriff stark widersteht — die kristalline Cellulose wird physisch durch Lignin und Hemicellulose abgeschirmt, und ihre kristalline Struktur erschwert den Enzymzugang zusätzlich. Wirksame Vorbehandlungen brechen diese Matrix auf und vergrößern die für Cellulase zugängliche Celluloseoberfläche. Gängige Vorbehandlungen sind: verdünnte Säure bei 120–200 °C (Hemicellulose-Solubilisierung, gute Cellulosezugänglichkeit); Dampfexplosion bei 160–240 °C (physikalische Auflockerung, teilweise Ligninumverteilung); alkalisches Wasserstoffperoxid (Ligninoxidation und Quellung); und Organosolv (Ligninextraktion mit organischen Lösungsmitteln). Die Wahl der Vorbehandlung beeinflusst die Cellulosekristallinität, die Bildung von Inhibitoren sowie die für eine gegebene Glukoseausbeute erforderliche Enzymbeladung.

Wie beeinflusst die Produkthemmung die Cellulase-Leistung, und wie wird sie gesteuert?

Cellulase-Enzyme — insbesondere Cellobiohydrolase — werden durch ihre Hydrolyseprodukte Cellobiose und Glukose gehemmt. Wenn sich Cellobiose und Glukose im Verzuckerungsbehälter anreichern, binden sie an das aktive Zentrum des Enzyms und verlangsamen die Reaktionsgeschwindigkeit. Bei Glukosekonzentrationen über 10–20 g/L wird die Hemmung der Beta-Glucosidase durch Glukose signifikant, was zu einer Cellobiose-Anreicherung führt, die wiederum die Cellobiohydrolase hemmt. Zu den Steuerungsstrategien zählen: (1) die zusätzliche Zugabe von Beta-Glucosidase zur raschen Umwandlung von Cellobiose in Glukose; (2) eine Verzuckerung bei hohem Feststoffgehalt und hoher Temperatur, um höhere Enzym-Produkt-Verhältnisse zu erhalten; (3) die simultane Verzuckerung und Fermentation (SSF), bei der die Hefe kontinuierlich Glukose verbraucht und deren Konzentration niedrig hält; und (4) die Fed-Batch-Verzuckerung, bei der Enzym und Substrat portionsweise zugegeben werden, um die Spitzenproduktkonzentration zu begrenzen.

Cellulase für Ihre Bioethanol- oder Bioraffinerieanlage beziehen

Sagen Sie uns etwas über Ihre Anwendung und Ihren Mengenbedarf. Wir senden Ihnen innerhalb von 24 Stunden ein kostenloses Muster, COA und faire Preise.

Angebot anfordern

[email protected]