Integrirana procesa biorafinerijske proizvodnje znotrajceličnih založnih lipidov iz Arundo donax L. v Lipomyces starkeyi

Integrirana procesa biorafinerijske proizvodnje znotrajceličnih založnih lipidov iz Arundo donax L. v Lipomyces starkeyi

Biogoriva – izkoriščanje biomase za proizvodnjo obnovljivih virov energije

Biogoriva so goriva, pridobljena iz biološkega materiala, kot so rastlinske in živalske maščobe. Predstavljajo za okolje prijaznejši nadomestek večine goriv fosilnega izvora, saj v veliko manjši meri prispevajo k emisijam toplogrednih plinov. Poznamo več vrst biogoriv, primeri so bioetanol, bioplin ali biodizel. Proizvodnja biogoriv je neprimerljivo dražja od proizvodnje fosilnih goriv iz nafte ali drugih mineralnih surovin <ref>N. Di Fidio, G. Ragaglini, F. Dragoni, C. Antonetti, and A. M. Raspolli Galletti, “Integrated cascade biorefinery processes for the production of single cell oil by Lipomyces starkeyi from Arundo donax L. hydrolysates,” Bioresour. Technol., vol. 325, p. 124635, Apr. 2021.</ref>. Razlog je predvsem v konkurenčnosti prehrambeni industriji, za katero so pogosto pomembne enake vrste rastlin. Druga generacija biogoriv kot biomaso izkorišča za prehrano neuporabne dele rastlin, med katerimi prevladuje lignoceluloza <ref>S. S. Da Silva, A. K. Chandel, S. R. Wickramasinghe, and J. M. G. Domínguez, “Fermentative production of value-added products from lignocellulosic biomass,” Journal of Biomedicine and Biotechnology, vol. 2012. 2012.</ref>, <ref>A. Ajanovic, “Biofuels versus food production: Does biofuels production increase food prices?,” Energy, vol. 36, no. 4, pp. 2070–2076, 2011.</ref>.

Proizvodnja biogoriv iz lignoceluloze

Lignoceluloza je rastlinski material, ki ga sestavljajo celuloza, hemiceluloza in lignin. Celuloza in hemiceluloza se lahko encimsko razgradita do sladkorjev, ki so uporabni za proizvodnjo biogoriv. Postopek poteka v štirih korakih:

• fizična in kemijska obdelava surove biomase, odstranjevanje lignina (predobdelava),
• encimska razgradnja polisaharidov,
• fermentacija,
• distilacija bioetanola <ref>G. Sivakumar et al., “Bioethanol and biodiesel: Alternative liquid fuels for future generations,” Engineering in Life Sciences, vol. 10, no. 1. pp. 8–18, Feb-2010.</ref>, <ref>M. R. G. S. Chandra and M. Madakka, “Comparative biochemistry and kinetics of microbial lignocellulolytic enzymes,” in Recent Developments in Applied Microbiology and Biochemistry, Elsevier, 2018, pp. 147–159.</ref>.

V članku, ki so ga objavili raziskovalci Univerze v Pisi, so predlagali dve alternativni poti proizvodnje biodizla, ki sta neodvisni od prehransko pomembnih rastlin. Kot vir lignoceluloze so uporabili navadni trstikovec (Arundo donax L.) brez predobdelave in vzpostavili dve poti zaporednih kataliziranih reakcij, katerima sledi fermentacija produktov s pomočjo kvasovke Lipomyces starkeyi, ki je sposobna kopičiti znotrajcelične založne lipide. Založni lipidi, večinoma triacilgliceroli, so po sestavi podobni lipidom, ki jih najdemo v rastlinskih oljih in lahko služijo kot njihova alternativa za pridobivanje biodizla <ref>M. F. Adegboye, O. B. Ojuederie, P. M. Talia, and O. O. Babalola, “Bioprospecting of microbial strains for biofuel production: metabolic engineering, applications, and challenges,” Biotechnology for Biofuels, vol. 14, no. 1. BioMed Central Ltd, p. 5, 01-Dec-2021.</ref>.

Vzpostavitev dveh reakcijskih kaskad, kataliza s FeCl₃ in Amberlyst-70

Homogeni katalizator FeCl₃ je visoko specifičen in ne proizvaja stranskih produktov reakcije. Kataliza z Amberlyst-70 pri poteku reakcije zahteva višjo temperaturo in vodi v nastanek nekaterih stranskih produktov, ki jih je tekom reakcije potrebno odstraniti, da ne inhibirajo nadaljnjih korakov. Surovo biomaso navadnega trstikovca so hidrolizirali s pomočjo mikrovalov ob katalizi s FeCl₃ oziroma Amberlyst-70, v ksilozni hidrolizat (X1 oziroma X2), preostanek (CRR1 oziroma CRR2) pa so dodatno encimsko obdelali, da so dobili glukozni hidrolizat (G1 oziroma G2). Hidrolizate X1, X2, G1 in G2 so uporabili kot vir ogljika za gojenje L.starkeyi. Te so sladkorje pretvarjale v znotrajcelične založne lipide, katerih koncentracijo so spremljali do porabe vira ogljik v mediju.

Analiza proizvodnje znotrajceličnih založnih lipidov L. starkeyi

Izkoristek pretvorbe sladkorjev v znotrajcelične založne lipide so izračunali po formuli: Yl= Cl/Cs ×100, pri čerem Cl predstavlja končno masno koncentracijo proizvedenih lipidov, Cs pa koncentracijo porabljenega sladkorja v procesu. Oba procesa sta dala približno enak izkoristek, in sicer 8g lipidov na 100g surove biomase oziroma 15-24 wt%. Količina proizvedenih lipidov je bila pri glukoznih hidrolizatih višja kot pri ksiloznih hidrilizatih. Glede na katalizo (FeCl₃ oziroma Amberlyst-70) razlik v izkoristku niso opazili. Maščobne kisline so bile večinoma nenasičene (55%) in so vsebovale 16 do 18 C-atomov. Po sestavi so bile podobne maščobnim kislinam v palmovem in repičnem olju, ki se večinoma uporabljata v namen proizvodnje biodizla <ref>N. Di Fidio, G. Ragaglini, F. Dragoni, C. Antonetti, and A. M. Raspolli Galletti, “Integrated cascade biorefinery processes for the production of single cell oil by Lipomyces starkeyi from Arundo donax L. hydrolysates,” Bioresour. Technol., vol. 325, p. 124635, Apr. 2021.</ref>.

Zaključek

Predstavljena sta dva alternativna postopka pretvorbe biomase navadnega trstikovca v znotrajcelične založne lipide brez predobdelave. Uporabijo se sladkorji, ki sestavljajo tako celulozo kot hemicelulozo, in sicer preko pretvorbe v ksilozni oziroma glukozni hidrolizat. Optimizacija postopka bi lahko pomembno povečala doprinos izkoriščanja znotrajceličnih založnih lipidov kot obnovljiv vir energije.

Viri

1. N. Di Fidio, G. Ragaglini, F. Dragoni, C. Antonetti, and A. M. Raspolli Galletti, “Integrated cascade biorefinery processes for the production of single cell oil by Lipomyces starkeyi from Arundo donax L. hydrolysates,” Bioresour. Technol., vol. 325, p. 124635, Apr. 2021.
2. S. S. Da Silva, A. K. Chandel, S. R. Wickramasinghe, and J. M. G. Domínguez, “Fermentative production of value-added products from lignocellulosic biomass,” Journal of Biomedicine and Biotechnology, vol. 2012. 2012.
3. A. Ajanovic, “Biofuels versus food production: Does biofuels production increase food prices?,” Energy, vol. 36, no. 4, pp. 2070–2076, 2011.
4. M. F. Adegboye, O. B. Ojuederie, P. M. Talia, and O. O. Babalola, “Bioprospecting of microbial strains for biofuel production: metabolic engineering, applications, and challenges,” Biotechnology for Biofuels, vol. 14, no. 1. BioMed Central Ltd, p. 5, 01-Dec-2021.
5. G. Sivakumar et al., “Bioethanol and biodiesel: Alternative liquid fuels for future generations,” Engineering in Life Sciences, vol. 10, no. 1. pp. 8–18, Feb-2010.
6. M. R. G. S. Chandra and M. Madakka, “Comparative biochemistry and kinetics of microbial lignocellulolytic enzymes,” in Recent Developments in Applied Microbiology and Biochemistry, Elsevier, 2018, pp. 147–159.
7. K. Ochsenreither, C. Glück, T. Stressler, L. Fischer, and C. Syldatk, “Production strategies and applications of microbial single cell oils,” Frontiers in Microbiology, vol. 7, no. OCT. Frontiers Media S.A., p. 1539, 05-Oct-2016.