Zeitschrift für Grundlagen erneuerbarer Energien und Anwendungen
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Abstrakt

Enzymatische Vorbehandlung von Biomasse zur Verbesserung der Biogasproduktion - Giuliano Degrassi - Internationales Zentrum für Gentechnik und Biotechnologie - Giuliano Degrassi - Internationales Zentrum für Gentechnik und Biotechnologie

Giuliano Degrassi

Die Biogaserzeugung aus Biomasse und organischen Rückständen durch anaerobe Vergärung unter Verwendung methanogener Bakterien ist ein wichtiger biotechnologischer Prozess für die nachhaltige Herstellung von Biokraftstoff. Einer der limitierenden Faktoren dieses Prozesses ist die niedrige Umwandlungsrate der in der Biomasse enthaltenen Energie in Biogas. Dies liegt hauptsächlich an der schwierigen Verstoffwechselung der pflanzlichen Zellwandbestandteile durch die im Fermenter vorhandene mikrobielle Gemeinschaft, die vor allem auf die Komplexität von Zellulose, Hemizellulose und Lignin zurückzuführen ist. Zellulose ist in großen Mengen vorhanden und ihre vollständige Umwandlung in Methan würde die Effizienz des Prozesses steigern. Die Biogaserzeugung aus Polysacchariden und anderen Biopolymeren erfolgt in vier Schritten: Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese. Es ist offensichtlich, dass eine effizientere Hydrolyse wichtig ist, um mehr Biogas zu produzieren. Wir haben drei heterologe Expressionssysteme für die Produktion der folgenden Enzyme entwickelt, nämlich Endocellulase (Endo-Glucanase) aus Bacillus pumilus; Cellobiohydrolase aus Xanthomonas sp., Beta-Glucosidase aus Bacillus amyloliquefaciens. Diese drei Enzyme sind bekanntermaßen an der Depolymerisation von Cellulose beteiligt, die in drei Schritten erfolgt: (i) Spaltung des Cellulosepolymers und Bildung von Oligomeren; (ii) Entfernung von Dimeren (Cellobiose) aus den Cellulose-Oligomeren; (iii) Freisetzung von Glucose aus Cellobiose-Dimeren. Die drei Gene, die die oben genannten Enzyme kodieren, wurden mittels PCR amplifiziert, in pTOPO kloniert, zur Überprüfung der korrekten Amplifikation sequenziert und anschließend in pQE kloniert, einem Expressionsvektor, der 6xHis-markierte Proteine ​​liefert. Das Expressionssystem war E. coli M15. Die drei Enzyme wurden anschließend dank der sechs Histidin-Markierungen mittels einer einstufigen Affinitätschromatographie gereinigt und in den Experimenten zur Celluloseverdauung verwendet. Da zwei Enzyme bei der Expression in E. coli nicht löslich waren (Cellobiohydrolase und Beta-Glucosidase bildeten Einschlusskörper), wurde ein alternatives heterologes Expressionssystem zur Produktion der Enzyme in Betracht gezogen, die Hefe Pichia pastoris. Das Endziel des Projekts ist die Entwicklung einer Vorbehandlungsmethode zur Umwandlung von Biomasse und industriellen organischen Rückständen, die Zellulose enthalten, in ein Substrat, das von methanogenen Bakterien zur Produktion von Biogas fermentiert werden kann. Während die heterologe Expression in Pichia noch in der Entwicklung ist, verfügen wir bereits über ein effizientes System zur Produktion der rekombinanten bakteriellen Endoglucanase. Die optimalen Bedingungen für die Verwendung dieses Enzyms wurden bestimmt und der optimale pH-Wert liegt bei 6,0 und die optimale Temperatur bei 400 °C. Unter diesen Bedingungen, pH 6,0 und Temperatur 400 °C, behielt das Enzym nach einer Woche bis zu 50 % seiner Aktivität. Das Enzym wurde auf einigen Substraten getestet und konnte Mikrofibrillencellulose (Sigma), Restkurzfasercellulose aus der Papierindustrie, Maiskolbenpulver und Maisstängelpulver mit einer spezifischen Aktivität von 251, 142 depolymerisieren.75 bzw. 70 IE/mg. Der nächste Schritt ist die Messung des methanogenen Potenzials verschiedener zellulosehaltiger organischer Rückstände mit und ohne Vorbehandlung mit dem zellulolytischen Enzym. Nach diesem Experiment wird die wirtschaftliche Nachhaltigkeit dieses Prozesses berechnet, indem die Kosten der Vorbehandlung und der erzielte Nutzen in Form einer erhöhten Biogasproduktion verglichen werden.