Application of cellulases in biofuels industries

Chúng thủy phân liên kết glycoside có mặt giữa hai hoặc nhiều phân tử carbohydrate hoặc giữa các phân tử non-cacbohydrat và cacbohydrat... Quá trình gồm 3 giai đoạn:Giai đoạn đầu tiên vậ

Application of Cellulases in Biofuels Industries

Giáo viên hướng dẫn: Ts Đỗ Biên Cương

I Tổng quan cellulase

Cellulase là nhóm enzyme rộng được tổng hợp bởi nhiều loại

vi sinh vật (nấm và vi khuẩn) phát triển trên cellulosic

materials

Ba thành phần chính, gồm endoglucanase, exoglucanase và -glucosidase chuyển hóa hiệu quả lignocellulosic biomass

thành đường lên men

Chúng thủy phân liên kết glycoside có mặt giữa hai hoặc nhiều phân tử carbohydrate hoặc giữa các phân tử non-cacbohydrat

và cacbohydrat

Gồm 2 phần: catalytic domain (CD) và cellulose binding

module (CBM), được nối bằng một đoạn ngắn vùng polylinker với CD ở N-terminal

II Cấu tạo chung

CD chịu trách nhiệm cho phản ứng thủy phân

CBM không có hoạt động xúc tác, tuy nhiên tăng cường sự hấp phụ của enzyme vào cơ chất

III Tổng quan quy trình sản xuất Biofuels sử dụng cellulase

Quá trình gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn đầu tiên vật liệu lignocellulosic là xử lý trước để làm mất liên kết hemicelluloses-lignin và tăng khả năng tiếp cận của nước hoặc enzyme với cellulose

Giai đoạn thứ hai, polysaccharid bị thủy phân thành monosaccharide

Giai đoạn cuối glucose được đưa lên men

IV Nguồn nguyên

liệu

Hầu hết nguyên liệu thực vật không phải là đường hoặc tinh bột, nhưng chứa cellulose, hemicellulose và lignin

Tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ, thân thiện môi trường như bã

rơm, rạ rừng và cây năng lượng chuyên dụng

Nguyên liệu thô linocellulosic thường bao gồm 40-50% cellulose, 25-35% hemicelluloses và 15-20% lignin

V Xử lý nguyên liệu

Có nhiều kỹ thuật để tiền xử lý lignocellulosic sinh khối như steam explosion, xử lý axit loãng, xử lý kiềm, xử lý ammonia fiber, v.v

Ưu tiên xử lý trước bằng axit loãng vì loại bỏ phần lớn

xylan và mở ra các lỗ hổng trên chất nên tạo điều kiện cho quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme

Quy trình tiền xử lý nhằm loại bỏ lignin, giúp cải thiện khả năng phân giải cellulose trong quy trình thủy phân

VI Thủy phân cellulose

Endoglucanase:

(endo-β-1,4-D glucanase, endo-β-1,4-D-glucan-4- glucano-hydrolase)

Thường được gọi là CMCase - thủy phân cacboxymetyl

cellulose (CMC) hoặc swollen cellulose ngẫu nhiên

Ngoài ra còn phân giải cellodextrins thành cellobiose

(disaccharide) và glucose

Exoglucanase:

Exoglucanase (exo-β-1,4-D glucanase, cellobiohydrolase)

Phân giải cellulose bằng cách tách ra các đơn vị cellobiose từ đầu không khử của chuỗi

Không thủy phân các dẫn xuất hòa tan của cellulase như

cacboxymetyl cellulase và hydroxyetyl cellulase

β- glucosidaseglucosidase:

Phân cắt cellobiose và tách glucose từ đầu không khử (tức là nhóm hydroxyl tự do ở C4) của oligosaccharid

Các enzyme cũng thủy phân alkyl và aryl β-glucoside

VII Điều kiện ảnh hưởng hoạt động của enzyme

pH, nhiệt độ, thời gian

Độ xốp, độ kết tinh và hàm lượng lignin của vật liệu

• Tăng khả năng xúc tác của enzyme

- Sử dụng các Thermostable cellulases

- Bổ sung các hạt nano Fe3O4 hoặc NiCo2O4 tăng khả năng ổn định của enzyme ở nhiệt độ cao, phổ pH hoạt động cũng rộng hơn

- Sử dụng các Non-cellulase protein tăng ái lực của cellulase với cơ chất

b Amount of enzyme releasing 1 µmol product (or equivalent) from first-listed substrate per minute

c Not determined (or reported) for purified enzyme.

d Substrate source not reported.

Thermostable exoglucanases

a AC, amorphous cellulose;

AMG, amygdalin;

ARB, arbutin;

AVI, Avicel;

BBG, barley β-glucan;

C2, cellobiose,

C3, cellotriose,

C4, cellotetraose,

C5, cellopentaose,

C6, cellohexaose;

Cdex, cellodextrins;

CMC, carboxymethylcellulose;

CNPG, 2-chloro-4-niτrophenyl-rophenyl-L-cellobioside;

DDZ, daidzin;

ESC, esculin;

GEN, genistin;

GSM, glucosomannan;

GTB, gentiobiose;

LA, laminaribiose;

LAM, laminarin;

LICH, lichenan;

MAL, maltose;

MCC, microcrystalline cellulose;

MLC, 4-methylumbelliferyl-L-cellooligosaccharides;

OSX, oat spelt xylan;

PNPG, p-nitrophenyl-β-D-glucoside;

PASC, phosphoric acid swollen cellulose; SAL, salicin;

SOP, sophorose;

TRH, trehalose;

WFP, Whatman filter paper.

Thermostable endoglucanases

Thermostable β-glucosidases

Endoglucanase (Từ 30 đến 100 kDa) thu được từ

nấm ưa nhiệt độ cao, có nhiệt độ hoạt động tối ưu trong khoảng từ 55-80°C.

Exoglucanase (Từ 40 đến 70 kDa) hoạt động tối ưu của chúng trong khoảng 50-75°C

Cellulase ổn nhiệt có phạm vi rộng (30–250 kDa)

Thermophilic microorganisms có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng từ 50-80°C là những ứng cử viên tiềm năng để tạo ra hệ thống cellulase có hoạt tính cao và

ổn định nhiệt.

VIII Lên men tạo cellulase

Solid State Fermentation (SSF)

SSF thực hiện trong điều kiện hầu như không có nước tự do

Cho nồng độ enzym cao Lượng enzyme thô thu được từ SSF

có thể được sử dụng trực tiếp để thủy phân chất nền

lignocellulosic

Yêu cầu cho thiết bị thanh trùng thấp

Các loài nấm sợi như T reesei, A niger, A fumigates là nấm nổi tiếng để sản xuất cellulase trong SSF

Tài liệu tham khảo

International Journal of Recent Trends in Science And Technology, P-ISSN 2277-2812 E-ISSN 2249-8109 Special Issue, ACAEE: 2018

pp 17-25

Applications of fungal cellulases in biofuel production: Advances and limitations Neha Srivastavaa,b,1 , Manish Srivastavac,1 , P.K Mishrab, , Vijai K Guptad,e , Gustavo Molinaf , Susana ⁎ , Vijai K Guptad,e , Gustavo Molinaf , Susana

Rodriguez-Coutog,h , Ambepu Manikantab , P.W Ramtekea,⁎ , Vijai K Guptad,e , Gustavo Molinaf , Susana

Thanks glucosidase glucosidasefor glucosidasewatching