Dřevo. Hlavní složky dřeva: Rostlinné pletivo Obnovitelný zdroj energie

Transkript

1 Dřevo Rostlinné pletivo Obnovitelný zdroj energie Hlavní složky dřeva: celulosa holocelulosa hemicelulosy lignin voda v různém množství (podle ročního období, stupně vyschnutí dřeva) doprovodné složky: - další organické látky (1 3%, u tropických dřevin až 15%): terpeny, tuky, vosky, pektiny, třísloviny (jen u listnatých stromů), steroly, pryskyřice - anorganické látky (0,1 0,5%, u tropických dřevin až 5%) po spálení tvoří popel 1

2 Buněčná stěna odlišuje rostlinnou buňku od živočišné sestává ze 4 skupin polymerů: celulosy, pektinu, hemicelulosy a proteinů stavbu buněčné stěny určuje celulosa celulosová kostra prostoupena necelulosními molekulami, hemicelulosy (zesíťující glykany) a pektinu důležitá složka: glykoprotein označovaný jako extenzin ve stěnách mnoha buněk se vyskytuje lignin a tukové látky kutin, suberin a vosky BS mohou být inkrustovány anorg. látkami, např. SiO 2 nebo CaCO 3 Celulosa nejrozšířenější organická sloučenina na Zemi 1, tun/ ročně pro většinu živočichů nestravitelná býložravci mají v trávicím ústrojí symbiotické mikroorganismy rozkládající celulosa těžko nerozpustná ve vodě, zředěných kyselinách, zásadách a většině rozpouštědel 2

3 vysokomolekulární lineární polymer D-glukosových jednotek vázaných glykosidovými vazbami β-1,4; každá jednotka v řetězci je otočena vzhledem k předchozí a v této poloze je udržována intramolekulárními vodíkovými vazbami; polymerace - až makromolekuly celulosy vzájemně reagují prostřednictvím vodíkových vazeb a tvoří ve stěnách rostlinných buněk více či méně uspořádané trojrozměrné struktury - celulosová vlákna/fibrily (10-20nm) uspořádané oblasti fibril s vysokým počtem intermolekulárních vazeb: krystalické méně uspořádané oblasti amorfní (1:3) Hemicelulosa polysacharid lišící se od celulosy nižší relativní molekulovou hmotností a stavbou řetězce složení: glukosa a další monosacharidy - hexosy (manosa, galaktosa) nebo pentosy (arabinosa, xylosa), uronová kyselina a eventuálně i různé cukerné methylderiváty vyplňuje prostory mezi celulosovými vlákny mannan bohatá na mannosu je přítomná především u jehličnanů galaktan bohatá na galaktosu je přítomná především ve slámě, dřevinách, ale i semenech rostlin xylan bohatá na xylosu je přítomná především ve slámě, dřevinách a v rostlinných vláknech 3

4 Lignin postrádá pravidelnou strukturu a opakující se jednotky kopolymer fenylpropanových jednotek - monolignolů, Jehličnany: guajacyl ligniny - koniferyl alkohol (až 95 %) + p-kumaryl alkohol (do 5 %) Listnany: guajacyl-syringylové ligniny - koniferyl alkohol + synapil alkohol 2. nejčastější organická sloučenina na Zemi 25 % rostlinné biomasy funkce: poskytuje rostlině strukturální podporu, nerozpustnost ve vodě a odolnost proti bakteriálnímu útoku a oxidačnímu stresu tepelně málo stálý, rozklad začíná už při cca 140 C - hnědnutí dřeva odolný vůči mikrobiálnímu rozkladu a oxidaci Pektiny označení E440(i) - Pektin a E440(ii) - Amidovaný pektin/aminopektin. vznikají a ukládají se hlavně v raných stádiích růstu při zvětšovaní plochy BS lineární řetězec složen z jednotek D-galakturonové kyseliny (do různého stupně esterifikovány methanolem nebo acetylovány) spojených vazbami α-1,4 nerozpustné ve vodě a ve většině organických rozpouštědel - rozpustnost ve vodě klesá s rostoucí molekulovou hmotností a stupněm esterifikace karboxylových skupin protopektiny - nerozpustné nativní pektiny BS asociované s celulosou 4

5 Lignocelulosový materiál hlavní složka rostlinné biomasy složení: lignin, hemicelulosa a celulosa komplexní struktura celulosa obklopena monovrstvou hemicelulosy a zakotvena v matrici hemicelulosy a ligninu. lignin překážka proti působení enzymů a spolu s hemicelulosou tvoří ochranu kolem celulosy struktura lignocelulosy: velký vliv na inhibici degradace celulosy na monomerní cukry (nezbytné pro efektivní přeměnu biomasy na ethanol) Předúprava (pulping) snížit velikost částic biomasy, odstranění ligninu a snížení krystalinity celulosy 5

6 Biologická předúprava (biorozvlákňování) předošetření dřevěných odřezků houbami způsobujícími bílou hnilobu - snižují obsah ligninu bez ovlivnění obsahu celulosy - šetří se energie (30-40%) a zároveň zlepšuje vazba vláken druhy vyšších hub: vysoká schopnost delignifikace lignocelulosového materiálu Pycnoporus cinnarbarinus, Ceriporia lacerata, Pleurotus ostreatus: vláknité houby: degradace ligninu a hemicelulosy. Nejúčinnější basidiomycety: Aspergillus tereus, Trichoderma spp., Penicillium camemberti, Phanerochaete chrysosporum, kultivace při teplotě C po dobu 3-22 dnů, úbytku ligninu o % a hemicelulosy o %. Biotechnologické aplikace v průmyslů papíru 6

7 Lipasy smola ( pitch ) hydrofobní látky, např. triglyceridy a vosky způsobující technické problémy, zvláště při mechanickém rozvlákňování usazují se na zařízeni, narušují vodíkové vazby mezí vlákny (slabší papír), snižují kvalitu papíru (tmavé skvrny), větší usazeniny mohou způsobovat trhaní papíru v papírenském stroji Ophiostoma piliferum (Cartapip, aplikace na čerstvé odřezky) - rozkládá smolu a zabraňuje růstu jiných mikroorganismů na odřezkách, redukuje barevné změny, snižuje riziko tvorby pigmentu, ztrátu výnosu buničiny a oslabení vlákniny mikrobiální lipasy odstraňují smolu, zlepšují barvu a pevnost papíru; použití od 90-tých let; lipasa triacylglycerolacylhydrolasa (EC ) hydrolytický enzym štěpící triacylglyceroly s mastnými kyselinami o řetězci delším než 12 C produkce: Pseudomonas, Mucor, Geotrichum, Rhizopus, P. chrysogenum, B. subtilis, A. oryzae, P. roqueforti a Candida sp. (C. rugosa, C. antarctica a C. parapsilosis) Candida rugosa (GRAS) hydrolyzuje 90% dřevních triglyceridů; maximální výtěžek produkce lipasy: submersní fed-batch fermentace s kys. olejovou a sacharosou, zdroj dusíku pepton/ye (také stopové prvky!), ph 6.2 (NH 4 OH), teplota 30 C, DO 30% SSF ta tuhém oleji s přídavkem disacharidu (nejlépe maltosy), teplota 28 C, 48h - levnější arabská guma jako emulgátor lepší růst a zvýšení výtěžku 7

8 Imobilizace zvyšuje enzymovou stabilitu a aktivitu (hyper-aktivace lipasy) enzymové procesy prováděny kontinuálně a opakovaně 1) fyzikální adsorpce 2) kovalentní imobilizace 3) zabudování enzymů do struktury (bio)- polymerního gelu (polyakrylamid, alginát) nebo polopropustné membrány (dutá semipermeabilní vlákna, ultrafiltrační membrány - umístění enzymu do fyzikálně odděleného prostředí, enzym v nativním stavu) 4) imobilizace na magnetické nosiče 5) zesítěné enzymové krystaly a agregáty (příprava krystalů enzymů, následné zesítění glutaraldehydem) 6) zabudování enzymů do nanopórů vhodných nosičů 8

9 Celulolytické enzymy extracelulární, v přírodě rozkládají odumřelé rostliny hydrolýza nativní celulosy a hemicelulosy produkovány mnoha bakteriemi, plísnemi a hubami (aerobní, anaerobní, mesofilní nebo termofilní) celá řada mikroorganismů je vybavena jen nekompletním celulasovým systémem Enzymový komplex: působící synergicky endo-1,4-β-d-glukanasa, exo-1,4-β-d-glukanasy, β- 1,4-glukosidasa Endoglukanasa náhodně hydrolyzuje vnitřní β-1,4-d-glykosidové vazby celulosového řetězce vznikají glukooligosacharidy Exoglukanasy celobiohydrolasa štěpí volné konce molekul celulosy; degraduje vazby β-1,4 od redukujícího nebo neredukujícího konce řetězce; vznikají oligosacharidy a celobiosa glukohydrolasa odštěpuje glukosové jednotky z neredukujícího konce řetězce -glukosidasa (celobiasa) hydrolyzuje celobiosu, vyšší oligosacharidy hydrolyzuje na β-d-glukosu 9

10 Producenti Clostridium, Cellulomonas, Trichoderma, Thermomonospora, Humicola, Penicillium, Aspergillus, Bacilli, Pseudomonas, Actinomucor, Streptomyces degradují uhlovodíky a nejsou schopny používat proteiny nebo lipidy jako energetické zdroje pro svůj růst komerčně využívané pro získávání celulas jsou především: T. reesei, Humicola insolens, Aspergillus niger, Acremonium cellulolyticus, Bacillus sp. termostabilní celulasy (stabilní při nadstandardních podmínkách - kyselé nebo zásadité ph a teploty nad 90 C) Sporotrichum thermophile, Thermoacus aurantiacus, Chaetomium thermophile, Microbispora bispora 10

11 Trichoderma reesei - roste na levném ligninocelulosovém odpadů (Accellerase 1000) substrát např. cukrovková drť, sběrový papír, vrbové dřevo ošetřené parou; batch fermentace, teplota 30 C, ph 4.8, 4-6 dní substrát - pšeničná sláma, SSF, vlhkost 80%, teplota 30 C Použití: potravinářský průmysl (výroba piva a vína, ovocných nápojů, olivového oleje, zlepšení kvality těsta v pekařství) textilní průmysl (výroba látek pro džínové oděvy, stonewashed jeans, odstraňují vlákna z povrchu a zjemňují) Použití celulolytických enzymů zemědělství: - zlepšení růstu plodin - odstraňování chorob rostlin (schopny rozkládat buněčnou stěnu patogenů), - usnadňují klíčení semen, zvyšují růstovou rychlost rostlin (rostliny dříve kvetou, mají pozitivní vliv na kořenový systém a zvyšují výtěžnost pěstovaných plodin) papírenský průmysl: - rozvlákňování surového dřeva; výroba lepenky a jemného papíru; - usnadňuje odvodňování buničiny a tím zvyšuje rychlost papírenského stroje (snižuje obsah jemných částic a fibrilaci celulosy); - odbarvování papírového odpadu (spolu s xylanasami a amylasami) - eliminace používání alkalických látek zlepšujících zářivost barev na papíře, - zamezení žloutnutí papírů, - zjednodušení procesu a snížení znečištění životního prostředí 11

12 Xylanasy xylanasa (E.C ) - degraduje β-1, 4-xylan štěpením β-1, 4 glykosidické vazby za vzniku xylosy: degradace hemicelulosy produkce: Aspergillus, Trichoderma, Streptomyces, Phanerochaetes, Chytridiomycetes, Ruminococcus, Fibrobacteres, Clostridia a Bacillus bělení buničiny od 80 let - spotřeba chemikálii snížena o 10-20% při současném zlepšení kvality výrobků; běžně jako časný krok v bělicím postupu - degradace méně než 10% xylanu 12

13 Mannanasy endo-β-1,4-mannanasa (EC ) - náhodně hydrolyzuje hlavní řetěz heteromannanu (hlavní hemicelulosa měkkého dřeva) používané pro rozvlákňování měkkého dřeva, bělení buničiny, biokonverzi odpadní biomasy na zkvasitelné cukry, zpracování instantní kávy (snižuje viskozitu kávového extraktu), čiření ovocných šťáv Produkce: submerzní fermentace - Aspergillus niger, Trichoderma reesei, Sclerotium rolfsii, Trichosporonoides oedocephalis - substráty: odtučněná kopra, zemědělský odpad (otruby pšeničné a rýžové; bramborové, ananasové či pomerančové slupky) SSF - Aspergillus ochraceus, Penicillium fellutanum, Mucor rouxii, a Rhizopus oligosporus substráty: domové odpady z kávy, kopra, vylisovaná cukrová třtina Lakasy EC oxidasa katalyzující redukci kyslíku na vodu široce rozšířena ve vláknitých houbách (označované jako dřevo-degradující vláknité houby): extracelulární enzym Trametes versicolor, T. villosa, T. gallica, Pleurotus ostreatus, Cerrena maxima, Phlebia radiata, Theiophora terrestis, Lentinus tigrinus, Pycnoporus cinnabarinus, Neurospora crassa také saprofytická askomyceta v kompostech: Myceliophthora thermophila, Aspergillus, Curvularia, Penicillium a Chaetomium thermophile nebo houby tvořící ektomykorhízu Cantharellus cibarius, Lactarius piperatus a Russula delica - zvýšení produkce přidáním různých aromatických sloučenin, kovových iontů nebo některých xenobiotik s nízkou molekulární hmotností do média bakteriální producenti: Bacillus subtilis, E. coli, Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas syringae, Pseudomonas aeruginosa, Streptomyces griseus, Marinomonas mediterranea a Yersinia pestis 13

14 Použití: v potravinářství: zvýšení produktivity, efektivity a kvality potravinářských výrobků textilní průmysl: degradace textilních barviv, tvorba sraženin barviv- lépe odstranitelné; bělení bavlněných tkanin papírenský průmysl: částečná degradace ligninu při výrobě papíru - oxidace fenolových hydroxylových vede ke vzniku fenoxyradikálů, které se mohou spontánně přeskupit a vést k rozštěpení alkylových postranních řetězců polymeru - šetrnější k životnímu prostředí - běžně se používá alkalická extrakce, chlor, kyselina chlorná, ClO 2 a kyslíkaté chemické oxidanty jako peroxid vodíku, kyslík nebo ozon může být součástí biorekognikační vrstvy při konstrukci biosenzorů pro detekci: fenolových sloučenin, kyslíku, azidu, kyseliny askorbové, morfinu, kodeinu a různých flavonoidů Amylasy štěpení škrobu na jednodušší sacharidy izolované z rostlin (ječmen, rýže), zvířat nebo mikroorganismů bakteriální α-amylasa (E.C ) - náhodně štěpí α-1,4-glykosidové vazby (specificita závisí na zdroji enzymů) - kategorie ztekucovácí termofilní α-amylasa ( ºC): Bacillus subtilis, B. stearothermophilus, B. licheniformis a B. amyloliquefaciens, Pyrococcus furiosus halofilní α-amylasa: Chromohalobacter sp., Halobacillus sp., Haloarcula hispanica, Halomonas meridi ana a B. dipsosauri fungální α-amylasa: Penicillium fellutanum, P. chrysogenum, P. brunneum, P. expansum, Aspergillus oryzae, A. awamori, A. fumigatus, A. niger 14

15 Produkce: SSF (Bacillus sp., plísně); substrát pšeničné otruby, bananový odpad, cukry; optimální teplota ok 45ºC (Bacillus sp.) až ºC (Pyrococcus); ph 5-7; vlhkost 60-85%; 48-96h Použití: v papírenství modifikace škrobu pro nátěry (viskozita přírodního škrobu je příliš vysoká pro nátěr) - ochrana papíru proti mechanickému poškození během zpracování a také zlepšení kvality papíru (pevnost, hladkost) v potravinářství produkce glukosových a fruktosových sirupu, zlepšování kvality těsta v pekařství, výroba piva v produkci detergentů - hlavně na mytí nádobí (štěpí škrobové jídlo na dextriny rozpustné ve vodě) v textilním průmyslu odstraňování škrobového povlaku (posílení vlákna) v produkci lihu Biopaliva 2. generace jako surovinu využívají zemědělské energetické plodiny či odpady na bázi celulosy a lignocelulosy (dřevo a dřevní štěpky, piliny, odpadní papír, obilná a kukuřičná sláma, kukuřičné oklasky, energetické plodiny a komunální odpad) obnovitelné zdroje, cena je v porovnání se zemědělskými surovinami velmi nízká 15

16 Produkce bioethanolu z lignocelulosy několika navazujících kroků: 1) mechanické narušení struktury 2) fyzikálně-chemické narušení struktury, přičemž dochází k hydrolýze, případně i destrukci hemicelulosy, zvýšení obsahu amorfní celulosy a uvolnění ligninu 3) předúprava: kyselá nebo alkalická hydrolýza, parní exploze, exploze za přítomnosti amoniaku nebo oxidu siřičitého, ozonolýza proces je komplikovaný a nákladný ale také nezbytný 4) enzymová hydrolýza pomocí celulolytických preparátů komerčně dostupné nebo produkce vlastních na částečně předupravené fytomase po dodání nezbytných živin -> směs oligosacharidů, disacharidů, hexos a pentos 16

17 Metody produkce: SHF (Separovaná hydrolýza a fermentace) klasická do média je zaočkováno inokulum a v bioreaktoru proběhne fermentace S. cerevisiae a Z. mobilis neumí utilizovat pentosy - část zdroje uhlíku a energie zůstává nevyužita - snížená výtěžnosti procesu E. coli, Klebsiella oxycota, Candida shehatae nebo Pichia stipitis nedosahují takové produkce etanolu, aby mohly být použity jako průmysloví producenti použití směsné kultury nebo příprava rekombinantních kmenů SHF proces 17

18 Metody produkce: SSF (Simultánní sacharifikace a fermentace) enzymová hydrolýza probíhá současně s procesem fermentace - kratší dobu v jednom bioreaktoru omezené riziko inhibice enzymové aktivity vznikající glukosou - ihned po uvolnění spotřebována rychlejší a úplnější konverze celulosy použití nižších dávek enzymů teplotní optima sacharifikace a fermentace se podstatně liší (45 50 C a 30 C) kompromis nebo termofilní kmeny: K. marxianus, Candida acidothermophilum, Fabospora fragilis nebo Clostridium thermocellum mikroorganismy ani enzymy nelze po fermentaci recyklovat SSF proces Mikroorganismy produkující ethanol 18

19 19