Журнал основ возобновляемой энергии и приложений
Открытый доступ

Абстрактный

Предварительная ферментативная обработка биомассы для улучшения производства биогаза - Джулиано Деграсси - Международный центр генной инженерии и биотехнологии - Джулиано Деграсси - Международный центр генной инженерии и биотехнологии

Джулиано Деграсси

Производство биогаза из биомассы и органических остатков путем анаэробного сбраживания с использованием метаногенных бактерий является важным биотехнологическим процессом для устойчивого производства биотоплива. Одним из ограничивающих факторов этого процесса является низкая скорость преобразования в биогаз энергии, содержащейся в биомассе. Это в основном связано с трудным метаболизмом компонентов растительной клеточной стенки микробным консорциумом, присутствующим в дигесторе, в основном из-за сложности целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза очень распространена, и ее полное преобразование в метан увеличило бы эффективность процесса. Производство биогаза из полисахаридов и других биополимеров происходит в четыре этапа: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Очевидно, что важность более эффективного гидролиза для получения большего количества произведенного биогаза. Мы разработали три гетерологичные системы экспрессии для производства следующих ферментов, таких как эндоцеллюлаза (эндоглюканаза) из Bacillus pumilus; целлобиогидролаза из Xanthomonas sp., 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 с помощью одношаговой аффинной хроматографии благодаря шести гистидиновым меткам и использованы в экспериментах по перевариванию целлюлозы. Учитывая, что два фермента не растворялись при экспрессии в E. coli (целлобиогидролаза и бета-глюкозидаза образовывали тельца включения), для производства 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 промышленных органических остатков, содержащих целлюлозу, в субстрат для ферментации метаногенными бактериями для производства биогаза. В то время как гетерологичная экспрессия в Pichia все еще находится в стадии разработки, у нас уже есть эффективная система для производства рекомбинантной бактериальной эндоглюканазы. Определены оптимальные условия для использования этого фермента, и оптимальный pH составляет 6,0, а оптимальная температура — 400C. В этих условиях, pH 6,0 и температуре 400C, фермент сохранял до 50% своей активности через одну неделю. Фермент был протестирован на некоторых субстратах и, как было установлено, способен деполимеризовать микрофибриллярную целлюлозу (Sigma), остаточную коротковолокнистую целлюлозу из бумажной промышленности, порошок из кукурузных початков и порошок из кукурузных стеблей с удельной активностью 251, 142,75 и 70 МЕ/мг соответственно. Следующим шагом будет измерение метаногенного потенциала различных органических остатков, содержащих целлюлозу, с предварительной обработкой целлюлолитическим ферментом и без нее. После этого эксперимента будет рассчитана экономическая устойчивость этого процесса, сравнив стоимость предварительной обработки и выгоду, достигнутую с точки зрения увеличения производства биогаза.