Application of cellulases in biofuels industries

Application of Cellulases in Biofuels Industries Giáo viên hướng dẫn: Ts Đỗ Biên Cương I Tổng quan cellulase Cellulase nhóm enzyme rộng tổng hợp nhiều loại vi sinh vật (nấm vi khuẩn) phát triển cellulosic materials Chúng thủy phân liên kết glycoside có mặt hai nhiều phân tử carbohydrate phân tử non-cacbohydrat cacbohydrat Ba thành phần chính, gồm endoglucanase, exoglucanase glucosidase chuyển hóa hiệu lignocellulosic biomass thành đường lên men II Cấu tạo chung Gồm phần: catalytic domain (CD) cellulose binding module (CBM), nối đoạn ngắn vùng polylinker với CD N-terminal CD chịu trách nhiệm cho phản ứng thủy phân CBM khơng có hoạt động xúc tác, nhiên tăng cường hấp phụ enzyme vào chất III Tổng quan quy trình sản xuất Biofuels sử dụng cellulase Quá trình gồm giai đoạn: Giai đoạn vật liệu lignocellulosic xử lý trước để làm liên kết hemicelluloses-lignin tăng khả tiếp cận nước enzyme với cellulose Giai đoạn thứ hai, polysaccharid bị thủy phân thành monosaccharide Giai đoạn cuối glucose đưa lên men IV Nguồn nguyên liệu Hầu hết nguyên liệu thực vật đường tinh bột, chứa cellulose, hemicellulose lignin Nguyên liệu thô linocellulosic thường bao gồm 40-50% cellulose, 25-35% hemicelluloses 15-20% lignin Tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ, thân thiện môi trường bã rơm, rạ rừng lượng chuyên dụng V Xử lý nguyên liệu Quy trình tiền xử lý nhằm loại bỏ lignin, giúp cải thiện khả phân giải cellulose quy trình thủy phân Có nhiều kỹ thuật để tiền xử lý lignocellulosic sinh khối steam explosion, xử lý axit loãng, xử lý kiềm, xử lý ammonia fiber, v.v Ưu tiên xử lý trước axit lỗng loại bỏ phần lớn xylan mở lỗ hổng chất nên tạo điều kiện cho trình thủy phân cellulose enzyme VI Thủy phân cellulose Endoglucanase: (endo-β-1,4-D glucanase, endo-β-1,4-D-glucan-4- glucano-hydrolase) Thường gọi CMCase - thủy phân cacboxymetyl cellulose (CMC) swollen cellulose ngẫu nhiên Ngồi cịn phân giải cellodextrins thành cellobiose (disaccharide) glucose Exoglucanase: Exoglucanase (exo-β-1,4-D glucanase, cellobiohydrolase) Phân giải cellulose cách tách đơn vị cellobiose từ đầu không khử chuỗi Không thủy phân dẫn xuất hòa tan cellulase cacboxymetyl cellulase hydroxyetyl cellulase β- glucosidaseglucosidase: Phân cắt cellobiose tách glucose từ đầu khơng khử (tức nhóm hydroxyl tự C4) oligosaccharid Các enzyme thủy phân alkyl aryl β-glucoside VII Điều kiện ảnh hưởng hoạt động enzyme pH, nhiệt độ, thời gian Độ xốp, độ kết tinh hàm lượng lignin vật liệu • Tăng khả xúc tác enzyme - Sử dụng Thermostable cellulases - Bổ sung hạt nano Fe3O4 NiCo2O4 tăng khả ổn định enzyme nhiệt độ cao, phổ pH hoạt động rộng - Sử dụng Non-cellulase protein tăng lực cellulase với chất Thermostable exoglucanases Amount of enzyme releasing µmol product (or equivalent) from first-listed substrate per minute c Not determined (or reported) for purified enzyme d Substrate source not reported b 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; a GTB, gentiobiose; LA, laminaribiose; LAM, laminarin; LICH, lichenan; MAL, maltose; MCC, microcrystalline cellulose; MLC, 4-methylumbelliferyl-Lcellooligosaccharides; 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 Cellulase ổn nhiệt có phạm vi rộng (30–250 kDa) Endoglucanase (Từ 30 đến 100 kDa) thu từ nấm ưa nhiệt độ cao, có nhiệt độ hoạt động tối ưu khoảng từ 55-80°C Exoglucanase (Từ 40 đến 70 kDa) hoạt động tối ưu chúng khoảng 50-75°C Thermophilic microorganisms có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng từ 50-80°C ứng cử viên tiềm để tạo hệ thống cellulase có hoạt tính cao ổn định nhiệt VIII Lên men tạo cellulase Solid State Fermentation (SSF) SSF thực điều kiện khơng có nước tự Yêu cầu cho thiết bị trùng thấp Cho nồng độ enzym cao Lượng enzyme thô thu từ SSF sử dụng trực tiếp để thủy phân chất lignocellulosic Các loài nấm sợi T reesei, A niger, A fumigates nấm tiếng để sản xuất cellulase 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 ... 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:... 2-chloro-4-niτrophenyl-rophenyl-L-cellobioside; DDZ, daidzin; ESC, esculin; GEN, genistin; GSM, glucosomannan; a GTB, gentiobiose; LA, laminaribiose; LAM, laminarin; LICH, lichenan; MAL, maltose; MCC, microcrystalline cellulose; MLC,... đường lên men II Cấu tạo chung Gồm phần: catalytic domain (CD) cellulose binding module (CBM), nối đoạn ngắn vùng polylinker với CD N-terminal CD chịu trách nhiệm cho phản ứng thủy phân CBM khơng