Skip to main content

Celulaza do bioetanolu – scukrzanie pozostałości rolniczych na potrzeby etanolu celulozowego drugiej generacji

Przekształć biomasę lignocelulozową – resztki kukurydziane, wytłoki trzciny cukrowej, słomę pszenną i zrębki drzewne – w fermentowalną glukozę przy użyciu wysokoaktywnego enzymu celulazy do scukrzania bioetanolu drugiej generacji.

Short answer

Etanol drugiej generacji wymaga celulazy, ponieważ jego surowcem jest celuloza, a nie skrobia. Gdy wstępna obróbka otworzy matrycę lignino-hemicelulozową, kompleks celulazy – endoglukanaza, celobiohydrolaza i beta-glukozydaza działające razem – hydrolizuje celulozę do glukozy na potrzeby fermentacji. Obciążenie enzymem i surowość wstępnej obróbki wzajemnie się równoważą i wyznaczają ekonomikę zakładu.

Bioetanol drugiej generacji (2G) – produkowany z lignocelulozowych pozostałości rolniczych i roślin energetycznych, a nie z konkurujących z żywnością upraw skrobiowych czy cukrowych – zasadniczo zależy od enzymu celulazy w procesie konwersji celulozy do fermentowalnej glukozy. Surowce lignocelulozowe stosowane w produkcji bioetanolu 2G – resztki kukurydziane, wytłoki trzciny cukrowej, słoma pszenna, słoma ryżowa, proso rózgowate i biomasa drzewna – zawierają 30–50% celulozy w przeliczeniu na suchą masę, co stanowi dominujący substrat fermentowalny. Jednak ta celuloza jest osadzona w macierzy hemicelulozy i ligniny, która fizycznie chroni ją przed atakiem enzymatycznym, wymagając etapu wstępnej obróbki (rozcieńczonym kwasem, wybuchem parowym, alkalicznie lub metodą organosolv) przed scukrzaniem enzymatycznym. Po wstępnej obróbce, która rozbija macierz lignino-hemicelulozową i zwiększa dostępność powierzchni celulozy, enzym celulazy jest stosowany na etapie scukrzania w celu hydrolizy łańcuchów celulozy do monomerów glukozy. Ten zhydrolizowany strumień glukozy jest następnie fermentowany przez Saccharomyces cerevisiae lub inne organizmy w celu wytworzenia etanolu. System enzymu celulazy wymagany do skutecznego scukrzania biomasy lignocelulozowej to wieloskładnikowy kompleks obejmujący endoglukanazę (EC 3.2.1.4), celobiohydrolazę (EC 3.2.1.91) i beta-glukozydazę (EC 3.2.1.21) – działające razem synergicznie w celu depolimeryzacji krystalicznej celulozy do celobiozy i glukozy. Celulaza z Trichoderma reesei jest standardem branżowym dla bioetanolu 2G, ponieważ T. reesei wytwarza dobrze zrównoważony kompleks celulazy o wysokiej zawartości celobiohydrolazy i silnej synergii między składnikami kompleksu. Warunki scukrzania to zwykle pH 4,5–5,5 i temperatura 45°C–55°C, przy obciążeniu enzymem ustalanym w odniesieniu do zawartości celulozy w podanym wstępnej obróbce substracie, w zależności od surowości wstępnej obróbki, krystaliczności celulozy i docelowej wydajności glukozy. Dla przemysłowych zakładów bioetanolu i biorafinerii koszt enzymu jest istotnym czynnikiem ekonomiki etanolu 2G – koszt enzymu na litr etanolu musi być minimalizowany dzięki wysokiej aktywności właściwej, dopasowanemu obciążeniu do surowości wstępnej obróbki oraz optymalizacji wydajności glukozy przy komercyjnie opłacalnych dawkach enzymu. Nabywcy techniczni określają enzym celulazy na podstawie wydajności hydrolizy uzyskiwanej na ich własnym, wstępnie obrobionym substracie, poziomu wymaganej suplementacji beta-glukozydazą, zawartości białka oraz stabilności termicznej w temperaturze procesowej.

Updated · cellulase

Zastosowania

Scukrzanie resztek kukurydzianych na etanol lignocelulozowy

Resztki kukurydziane poddane wstępnej obróbce rozcieńczonym kwasem lub wybuchem parowym przy wysokiej zawartości suchej masy (15–25%) są scukrzane enzymem celulazy w dawce dopasowanej do wstępnej obróbki, uzupełnionej beta-glukozydazą, przy pH 4,8–5,2 i temperaturze 50°C przez 48–72 godziny. W tych warunkach osiągalne są wydajności glukozy na poziomie 80–92% teoretycznej konwersji celulozy, dostarczając substrat fermentowalny do fermentacji etanolowej przy stężeniu 50–60 g/L glukozy w hydrolizacie. Hydrolizę prowadzi się zwykle przy wysokiej zawartości suchej masy, aby zminimalizować zużycie wody i zmaksymalizować stężenie glukozy dla dalszej fermentacji.

Hydroliza celulazą wytłoków trzciny cukrowej na potrzeby etanolu i glukozy

Wytłoki trzciny cukrowej, włóknista pozostałość z ekstrakcji soku, zawierają 35–45% celulozy i są głównym surowcem dla etanolu 2G w regionach uprawy trzciny cukrowej. Po wstępnej obróbce rozcieńczonym kwasem lub metodą alkaliczną/parową w temperaturze 180°C–200°C wytłoki są scukrzane celulazą w dawce dopasowanej do wstępnej obróbki, przy pH 4,8–5,0 i temperaturze 48°C–50°C przez 48–72 godziny. Wysokostężony gatunek celulazy z Trichoderma reesei zapewnia aktywność endoglukanazy i celobiohydrolazy niezbędną do skutecznej hydrolizy krystalicznej celulozy w matrycy wytłoków.

Scukrzanie słomy pszennej i pozostałości rolniczych

Słoma pszenna, słoma ryżowa i inne pozostałości zbożowe poddane wstępnej obróbce alkalicznym nadtlenkiem wodoru, metodą organosolv lub wybuchem parowym przy 10–20% zawartości suchej masy są scukrzane celulazą w dawce dopasowanej do wstępnej obróbki, przy pH 5,0–5,5, temperaturze 50°C, przez 48–96 godzin. Słomy rolnicze mają niższą krystaliczność celulozy niż biomasa drzewna i zwykle osiągają konwersję celulozy na poziomie 75–90% w tych warunkach z celulazą T. reesei, dostarczając stężenia glukozy 40–70 g/L w cieczy scukrzania, w zależności od początkowego obciążenia suchą masą.

Proces jednoczesnego scukrzania i fermentacji (SSF)

W procesie jednoczesnego scukrzania i fermentacji (SSF) enzym celulazy i drożdże fermentacyjne są dodawane razem do biomasy poddanej wstępnej obróbce, przy czym glukoza jest zużywana przez drożdże tak szybko, jak jest produkowana przez enzym, co redukuje inhibicję produktową celulazy przez celobiozę i glukozę. Warunki SSF to zwykle pH 5,0–5,5 i temperatura 37°C–39°C – kompromis między optimum celulazy (50°C) a optimum fermentacji drożdżowej (30°C–35°C). Enzym celulazy w dawce dopasowanej do wstępnej obróbki w procesie SSF osiąga konwersję celulozy na poziomie 70–85% w ciągu 72–120 godzin, przy czym jednoczesna produkcja etanolu redukuje potrzebę oddzielnego zbiornika fermentacyjnego.

Specyfikacje produktu

Parametr Wartość
Zakres aktywności Wiele gatunków (proszek i ciecz)
Optymalne pH 4,0 – 6,0
Optymalna temperatura 45°C – 60°C
Postać Proszek lub ciecz w kolorze jasnobrązowym do brązowego
Okres przydatności 12 miesięcy (w szczelnym opakowaniu, w chłodnym, suchym miejscu)
Opakowanie Beczki 25 kg (proszek) / kanistry 30 kg (ciecz)

Najczęściej zadawane pytania

Jakie składniki celulazy są potrzebne do pełnego scukrzania biomasy lignocelulozowej?

Skuteczne scukrzanie lignocelulozowe wymaga wieloskładnikowego systemu celulazy: endoglukanaza (EC 3.2.1.4) losowo przecina wewnętrzne wiązania glikozydowe w łańcuchu celulozy, obniżając stopień polimeryzacji; celobiohydrolaza (EC 3.2.1.91) atakuje końce łańcucha i jest dominującym enzymem odpowiedzialnym za hydrolizę krystalicznej celulozy; a beta-glukozydaza (EC 3.2.1.21) przekształca celobiozę (dwucukrowy produkt celobiohydrolazy) do glukozy, zapobiegając akumulacji celobiozy, która w przeciwnym razie hamuje celobiohydrolazę. Trichoderma reesei naturalnie wytwarza wszystkie trzy składniki, przy wysokiej zawartości celobiohydrolazy, co czyni celulazę z T. reesei standardem w scukrzaniu na potrzeby etanolu 2G. Tam, gdzie aktywność beta-glukozydazy w naturalnym preparacie T. reesei jest niewystarczająca, dodaje się dodatkową beta-glukozydazę z Aspergillus niger.

Jak obliczyć, ile celulazy zużyć na tonę biomasy?

Obciążenie enzymem ustala się w odniesieniu do celulozy w substracie poddanym wstępnej obróbce, a nie w odniesieniu do surowej biomasy, więc obliczenie przebiega w trzech krokach. Po pierwsze, należy określić zawartość celulozy w substracie poddanym wstępnej obróbce – zwykle 35–50% suchej masy, przy czym warto ją zmierzyć, a nie zakładać, ponieważ surowość wstępnej obróbki ją zmienia. Po drugie, należy pomnożyć tony suchej biomasy przez tę frakcję celulozy, aby uzyskać kilogramy celulozy na tonę. Po trzecie, należy zastosować obciążenie, które własna próba hydrolizy wykazała jako potrzebne do osiągnięcia docelowej wydajności glukozy na tym substracie, i przeliczyć je na kilogramy produktu enzymatycznego na tonę biomasy przy stężeniu zakupionego gatunku. Obciążenie jest pojedynczą największą dźwignią kosztową enzymu w etanolu drugiej generacji, dlatego powinno być ustalane na własnym, wstępnie obrobionym materiale i ponownie weryfikowane przy każdej zmianie surowości wstępnej obróbki, obciążenia suchą masą lub czasu przebywania. Prześlij nam analizę swojego substratu i docelową wydajność, a zarekomendujemy gatunek oraz dawkę początkową do próby.

Jaka wstępna obróbka jest wymagana przed scukrzaniem celulazą?

Wstępna obróbka jest wymagana, ponieważ natywna biomasa lignocelulozowa jest wysoce oporna na atak enzymatyczny – krystaliczna celuloza jest fizycznie chroniona przez lignię i hemicelulozę, a jej struktura krystaliczna utrudnia dostęp enzymu. Skuteczne metody wstępnej obróbki rozbijają tę matrycę i zwiększają powierzchnię celulozy dostępną dla celulazy. Typowe metody wstępnej obróbki obejmują: rozcieńczony kwas w temperaturze 120°C–200°C (solubilizacja hemicelulozy, dobra dostępność celulozy); wybuch parowy w temperaturze 160°C–240°C (rozbicie fizyczne, częściowa redystrybucja ligniny); alkaliczny nadtlenek wodoru (utlenianie i pęcznienie ligniny); oraz organosolv (ekstrakcja ligniny rozpuszczalnikami organicznymi). Wybór metody wstępnej obróbki wpływa na krystaliczność celulozy, powstawanie inhibitorów oraz wymagane obciążenie enzymem dla danej wydajności glukozy.

Jak inhibicja produktowa wpływa na działanie celulazy i jak się nią zarządza?

Enzymy celulazy – w szczególności celobiohydrolaza – są hamowane przez produkty swojej hydrolizy: celobiozę i glukozę. W miarę akumulacji celobiozy i glukozy w zbiorniku scukrzania wiążą się one z centrum aktywnym enzymu i spowalniają szybkość reakcji. Przy stężeniach glukozy powyżej 10–20 g/L inhibicja beta-glukozydazy przez glukozę staje się istotna, powodując akumulację celobiozy, która z kolei hamuje celobiohydrolazę. Strategie zarządzania obejmują: (1) dodatkową beta-glukozydazę, aby szybko przekształcić celobiozę do glukozy; (2) scukrzanie przy wysokiej zawartości ciała stałego i wysokiej temperaturze w celu utrzymania wyższego stosunku enzymu do produktu; (3) jednoczesne scukrzanie i fermentację (SSF), w której drożdże na bieżąco zużywają glukozę, utrzymując jej niskie stężenie; oraz (4) scukrzanie w trybie fed-batch, dodając enzym i substrat porcjami, aby ograniczyć szczytowe stężenie produktu.

Zamów celulazę dla swojej instalacji bioetanolu lub biorafinerii

Napisz nam o swoim zastosowaniu i potrzebnej ilości. Wyślemy Ci bezpłatną próbkę, COA oraz konkurencyjną cenę w ciągu 24 godzin.

Zamów wycenę

[email protected]