Biokatalitični učinek encimske hidrolize dvovijačnega ekstruderja na destrukturiranje rastlinskega materiala

UVOD

Lignocelulozni material, ki je stranski produkt kmetijske ali lesne industrije je pomemben vir obnovljive energije, predvsem iz stališča ogljikove nevtralnosti. Tovrstna sredstva so neodvisna od geografske destinacije in podnebja. Vsekakor pa so lignocelulozni materali kompleksno zgrajeni ter za razgradnjo v enostavnejše in uporabne produkte potrebujejo rafinirne postopeke. Le-ti se razvijajo s trani podjetij papirne in lesarske industrije in so že dokaj izpopolnjeni. Večinoma so sestavljeni iz dveh korakov; raztapljanje in rušenje strukture lignin-celuloza ter hidroliza celuloze v (mono, poli) saharidne enote.

NAMEN RAZISKAVE

Nepredelana biomasa in ostanki lesnih in kmetijskih industrij so pomemben vir nevtralne ogljikove energije, zato so postopki za predelevo in pretvorbo industrijko pomembni. Namen raziskave je izboljšanje encimske predelave biomase s pomočjo dvovijačnega ekstruderja in karekterizacija učinkovitosti. Najpomembnejši produkti predelave so mono in polisaharidi. V raziskavi so ugotavljali učinkovitost encimske mešanice pri različnih pogojih; čas zadrževanja v ekstruderju, vrsta vijačnega elementa, ki mehansko obdeluje pulpo. Spremenjen postopek so primerjali z dosedaj že znanimi postopki mehanske, kemične in encimske razgradnje biomase.

METODE

Za predelavo biomase so uporabili dva ključna postopka; mehansko-kemična obdelava z ekstruderjem ter encimska razgradnja. Ekstruder je naprava, ki temelji na mehanski obdelavi materiala s pomočjo strižnih sil. Par vijakov z navojem, ki se vrtita v isti smeri potiskata mešanico vode in organske biomase po kanalu ter rahljata nitasto celulozno ligninsko strukturo vlaken. Kanal ekstruderja je razdeljen v predele, ki lahko imajo različne pogoje mehanske in kemične obdelave, odvisno od particije v kateri se material nahaja. Mehanske lastnosti obdelave reguliramo z lastnostjo (naklon, gostota spirale, globina spirale) vijaka in hitrostjo vrtenja, kemične lastnosti pa z dodajanjem različnih snovi v particije ekstruderja. V raziskavi so uporabljali dve vrsti ekstruderja (dve napravi z različnima tipoma vijaka) BC45 in BC21. Prvi ekstruder je bil razdeljen v tri dele; (i) kemična obdelava z raztopino NaOH, (ii) nevtralizacija NaOH z H3PO4 ter (iii) filtracijski predel. Druga naprava ima le eno particijo namenjeno encimski hidrolizi. V obeh napravah je bila temperatura 50 °C. Za encimsko razgradnjo so uporabljali Saccharised C6 mešanico firme Advanced Enzyme Technologies. Mešanica je imela 5 FPU/ml celulozne aktivnosti, 1940 nkat/ml endoglukanazne aktivnosti, 16900 nkat/ml ksilanazne aktivnosti ter 310 nkat/ml beta-glukozidazne aktivnosti. Količine produktov razgradnje so merili s HPLC po različnih časih obdelave.

REZULTATI IN ZAKLJUČKI

Alkalno tretiranje v prvem delu postopka (ekstruder BC45, predel 1) je namenjeno povečanju topnosti celuloznega materiala. OH- ioni tvorijo vodikove vezi s hidroksilnimi skupinami sladkornih podenot v celulozi s tem podrejo prej obstoječe vezi z ligninomm kar razrahlja strukturo s tem pa poveča dostopnost encimom v zadnjem koraku predelave. Sledi nevtralizacijski korak s kislino, ki zagotovi encimom primeren pH, ter filtracija, ki zmanjša vsebnost vode in s tem volumen potrebne tekočine (manjši stroški). V drugem koraku (ekstruder BC21) so dodali encimsko mešanico in spremljali koncentracijo in stopnjo polimerizacije produktov. Ugotovili so, da je optimalen čas zadrževanja biomase v ekstruderju 70 min, kar ustreza 7 prehodom skozi napravo. Koncentracija celokupnih sladkorjev je dosegla v tem času ~13 % suhe mase, v primerjavi s toplotno obdelavo (brez encimov) ~1,75 % suhe mase. Z meritvijo viskoznosti so potrdili učinek encimov na celulozno biomaso. Posneli so slike vlaken biomase (pred obdelavo, po alkalni obdelavi in po encimski obdelavi) z elektronskim mikroskopom in prav tako potrdili učinek encimske razgradnje.

VIRI

Vandenbossche V., Brault J., Vilarem G., Rigal L. Bio-catalytic action of twin-screw extruder enzymatic hydrolysis on the deconstruction of annual plant material: Case of sweet corn co-products. 2015. Industrial Crops and Products. 67/ 239 – 248.