Журнал основ возобновляемой энергии и приложений
Открытый доступ

Абстрактный

Биоэнергетика 2020: Ферментативная предварительная обработка биомассы для улучшения производства биогаза

Джулиано Деграсси

Биоэнергетика 2020: Ферментативная предварительная обработка биомассы для улучшения производства биогаза

Джулиано Деграсси

Международный центр генной инженерии и биотехнологии (ICGEB), Италия

 

 

Производство биогаза из биомассы и органических остатков путем анаэробного сбраживания с использованием метаногенных бактерий является важнейшим биотехнологическим процессом для устойчивого производства биотоплива. Одним из ограничивающих факторов этого процесса является низкая скорость преобразования в биогаз энергии, содержащейся в биомассе. Это часто происходит в основном из-за сложного метаболизма компонентов мембраны растительной клетки микробным консорциумом, присутствующим в дигесторе, в основном из-за сложности целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза чрезвычайно распространена, и ее полное преобразование в метан увеличило бы эффективность метода. Производство биогаза из полисахаридов и других биополимеров происходит в четыре этапа: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Очевидно, что более эффективный гидролиз важен для стимулирования большего производства биогаза. Мы разработали три гетерологичные системы экспрессии для получения последующих ферментов: (i) – эндоцеллюлаза (эндоглюканаза) из Bacillus pumilus (ii) – целлобиогидролаза из Xanthomonas sp. (iii) – бета-глюкозидаза из Bacillus amyloliquefaciens Известно, что эти три фермента участвуют в деполимеризации целлюлозы, которая происходит в три этапа: (i) расщепление полимера целлюлозы и образование олигомеров; (ii) удаление димеров (целлобиозы) из олигомеров целлюлозы; (iii) высвобождение глюкозы из димеров целлобиозы. Три гена, кодирующие вышеупомянутые ферменты, были амплифицированы с помощью ПЦР, клонированы в pTOPO, секвенированы для проверки правильности амплификации, затем клонированы в pQE, векторе экспрессии, дающем 6xHis-меченые белки. E. coli M15 была системой экспрессии. Затем три фермента были очищены одношаговой аффинной хроматографией из-за метки из шести гистидинов и использованы в экспериментах по перевариванию целлюлозы. Учитывая, что два фермента не были растворимы при экспрессии в E. coli (целлобиогидролаза и бета-глюкозидаза образовали тельца включения), для сборки ферментов была принята во внимание альтернативная гетерологичная система экспрессии, дрожжи Pichia pastoris. Конечной целью проекта является разработка метода предварительной обработки, который будет использоваться для преобразования биомасс и агропромышленных органических остатков, содержащих целлюлозу, в субстрат для ферментации метаногенными бактериями для производства биогаза. В то время как гетерологичная экспрессия в Pichia остается в стадии разработки, мы уже получили эффективную систему для производства рекомбинантной бактериальной эндоглюканазы. Определены оптимальные условия использования этого фермента: оптимальный pH 6,0 и, следовательно, оптимальная температура 40 C. В этих условиях, pH 6,0 и температуре 40ºC, фермент сохранял до 50% своей активности через неделю. Фермент был протестирован на некоторых субстратах и ​​оказался готовым к деполимеризации микрофибриллярной целлюлозы (Sigma), остаточной коротковолокнистой целлюлозы из бумажной промышленности,Порошок из початков кукурузы и порошок из стеблей кукурузы с выбранной активностью 251, 142, 75 и 70 МЕ/мг соответственно. В настоящее время мы измеряем метаногенный потенциал различных органических остатков, содержащих целлюлозу, с предварительной обработкой целлюлолитическим ферментом и без нее. После этого эксперимента будет рассчитана экономическая устойчивость этого процесса, сравнивая ценность предварительной обработки и, следовательно, выгоду, достигнутую с точки зрения увеличения производства биогаза.