Ugrás a tartalomhoz

Fermentációs biotechnológia

Dr. Kutasi József (2007)

Glia Kft.

Bioetanol előállítás

Bioetanol előállítás

Bár a szénhidrátokból nyerhető etanolt már a belsőégésű motorok születésekor számon tartották mint lehetséges hajtóanyagot, de a kőolaj alapú nyersanyagok alacsony ára és nagy mennyisége miatt az etanol legfeljebb mint oktánszámnövelő motorhajtóanyag-adalék fordult elő a motortechnika történetében. Hosszú időn keresztül csak akkor alkalmaztak etanolt a motorokban üzemanyagként, ha nyersanyaghiány lépett fel. A bioetanol előállítása mind nagyobb fontosságú a benzin helyettesítésére, mivel 5-10%-ban a benzinbe keverhető és a belső égésű motorban korlátlanul felhasználható. Előállítása keményítő tartalmú gabonák (pl. búza, kukorica), melaszok vagy cukoroldatok (pl. cukornád/cukorrépa) vagy akár fahidrolizátum cellulóz alapanyagokon (pl. fa vagy fafeldolgozási hulladékok) élesztőgombák és Zymomonas baktériumok anaerob fermentációjával lehetséges.

(Technikai célokra etanolt kémiai szintézissel az etiléngáz katalitikus hidrogénezésével állítanak elő.)

Az etanoltermelés bioszintézise

A bioetanol-gyártás alapanyaga olyan szénhidrát, amelynek vagy a hexóz (glükóz) tartalma magas, vagy olyan poliszacharid, ami glükóz monomerekből épül fel, és enzim segítségével monomereire bontható. A glükózt a mikrobiális szervezetek az Embden-Meyerhof erjedés (élesztőgombák), vagy a hexóz-monofoszfát söntre alapuló (baktériumok) fermentáció során alakítják etanollá. A leggyakrabban használt mikrobiális szervezet a Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba, bár az utóbbi évek kutatásai kimutatták, hogy Zymomonas mobilis baktérium oltóanyag használatával szintén lehet hexózból etanolt előállítani. Ez utóbbi számos előnnyel rendelkezik az élesztővel szemben. Ilyen a már megtermelt etanollal szembeni feed-back gátlás elmaradása, ami a baktérium tenyészeteiben sokkal kisebb mértékű, így a technológiai folyamat során még sokkal intenzívebben tud működni, mint az élesztő, ami a gátlás hatására már nem tud megfelelő mennyiségű etanolt termelni.

Bioetanol gyártás gabonából vagy melaszból

A gabonák keményítő tartalmát enzimes hidrolízissel és főzéssel folyósítják el (lásd Enzimek fejezet). Az így elbontott keményítő már megfelelő alapanyaga fermentációnak.

Az általánosan alkalmazott élesztő fermentáció során aerob módon indítják a sejtosztódást és csak megfelelően magas sejtszám elérése után állnak át anerob körülményekre és indulhat el az alkoholos erjesztés folyamata. Mindezek miatt a rendszer cukortartama veszteséget szenved. Az élesztővel előállítható alkohol koncentrációja maximálisan 5-6%, ugyanakkor mutáns alkoholtűrő törzsekkel ez az érték a 10%-ot is elérheti. Melasz vagy keményítő (10-12%) alapú fermentáció esetén 36-48 óra alatt 6% alkoholos fermentlé állítható elő.

Bioetanol gyártás növényi rostokból és faipari hulladékokból

A bioetanol termeléshez a kézenfekvő, de korlátozott mennyiségben felhasználható cukorrépa vagy cukornád melasz helyett/mellett általában olyan anyagokat használnak, amelyek könnyen lebomló és termeszthető gabonaszármazékok, mint pl. a kukorica. A XXI. század biotechnológiájának nagy kihívása, hogy olyan faipari vagy mezőgazdasági hulladékokból, mint pl. a faforgács és kukoricaszár - mint cellulóz alapanyagokból -, üzemanyagként hasznosítható alkoholt állítson elő. A nagy probléma a kukoricarost és más cellulóz/xilán alapú rostok lebontása. A fák anyagának összetételéhez hasonlóan a különösen kemény kukoricarost pl. kukoricacsutka, nemcsak cellulózt tartalmaz, mint szénhidrátforrást, hanem hemicellulózt is, ami pentóz (arabinóz és xilóz) egységekből álló poliszaharidok (arabinán és xilán) elegye.

A cellulóz gombák, valamint gombákból kivont enzimek segítségével lebontható glükózra, amiből etanol nyerhető, viszont a hemicellulózból származó pentóz átalakítása jelenleg problematikus. A hemicellulóz a cellulózzal ellentétben heteropolimer, nagyrészét arabinoglukán alkotja. Ennek 65%-a xilóz, 35% arabinóz. A hemicellulóz fermentálható cukrokká való bontásáról (szaharifikáció) számos kutatás zajlott. Az arabinózt és a xilózt már tudják bontani az élesztősejtek, így alkohol (xilitol és arabitol) keletkezik, de a xilánt és az arabinánt csak más fonalas gombák tudják megbontani. A faanyagok hemicellulóz rostjai nagyon komplex összetételűek, így enzimatikus bontás előtt némi savas, szulfátos, illetve hidrogén-peroxidos előkezelést igényelnek. A savas előkezelés magas hőmérsékleten a hemicellulózt egyszerű cukrokká bontja. A szulfátos kezelés az enzimek számára biztosítja a hozzáférhetőséget. Az ammónium-hidroxidos kezelés a lignint, az acetátot, valamint az egyéb extraktumokat eltávolítja. A nedves oxidációs módszer különválasztja a cellulózt a hemicellulóztól, és a lignintől. A ligninbontást Trichoderma reesei fonalas gomba esetében vizsgálták.

A hemicellulóz szaharifikációja

A hemicellulóz szaharifikációja

Az eddigi vizsgálatok azt mutatják, hogy a hemicellulózt preparált, tisztított enzimmel nem lehet bontani, savas előkezelés szükséges, hogy egyszerűbb, bontható cukorrá bomoljon.

Enzimműködési elv
endo-xilanázHidrolizálja a b-1,4-xilózidos kötést a xilán gerincen
exo- xilanázHidrolizálja b-1,4-xilózidos kötést és xilobiózt állít elő
béta-xilozidázXilózt állít elő a xilobiózból és a rövid láncú xilooligoszaharidokból
alfa-arabinofuranozidázHidrolizálja a terminális, nem redukáló
alfa-arabinofuranóztaz arabinoxilánokból
alfa-glukoronidázElőállít glukoronsavat glukoronoxilánból
acetilxilán észterázAcetil xilánban acetil kötést hidrolizál
acetilxilán észterázAcetil xilánban acetil kötést hidrolizál
ferulic sav észterázFerluilészter kötést hidrolizál
q-kumársav észterázXilánban qumaril észterközést hidrolizál

Eddig az Aureobasidium pullunans imperfect fonalas gomba esetében sikerült olyan nem-tisztított enzimet előállítani, ami sikeresen bontotta a faanyagokból nyert hemicellulózt. A xliánt xilobiózzá, majd xilózzá bontja. A pentózokból a fermentációs erjesztés során nem lehet közvetlenül alkoholt erjeszteni, ezért ahhoz hogy a pentózokból etanolt tudjunk előállítani, és ne xilitolt és arabitolt, rekombináns mikroorganizmusokat kell előállítani (lásd Rekombináns termékek).

A pentóz metabolizmus és a baktériumok, valamint az élesztők etil-alkoholos fermentációja, mint a két anyagcsereút összekapcsolása

A pentóz metabolizmus és a baktériumok, valamint az élesztők etil-alkoholos fermentációja, mint a két anyagcsereút összekapcsolása