Bioetanol till bilen en mikrobiell produktionsutmaning.

Transkript

1 Bioetanol till bilen en mikrobiell produktionsutmaning. Lisbeth Olsson Industriell bioteknik, Kemi och bioteknik, Chalmers

2 Varför bioethanol? Drivmedel till transportsektorn Minskat utsläpp av drivhusgaser Nationell energiproduktion Hållbar produktion 2

3 Processöversikt Sukros Stärkelse Lignocellulose Produktion av enzymer med hjälp av jäsning Hydrolys av polymert material Jäsning Produkter 3

4 Lignocellulosa material Lignin kan brytas ner till aromatiska föreningar Hemicellulosa bryts ner till glukos, galaktos, mannos, xylos och arabinos Cellulosa bryts ner till glukosenheter

5 Lignocellulosamaterial är svårt att bryta ner, och det bildas inhibitorer vid nedbrytningen

6 En jäsningsprocess eller en fermenteringsprocess är en bioteknologisk process, där levande celler används som katalysator En jäsningsprocess kan foregå i industriell skala Levande cellers kemi Råvara Kvävekälla Kolkälla Syre Produkter Koldioxid Produkter Biprodukter

7 Viktiga egenskaper för en mikrobiell cellfabrik i industriella processer Högt utbyte och produktivitet Minimal biproduktbildning Konsumtion av flera sockerarter samtidigt Stresstolerance Hög etanoltolerance Tolerance mot inhibitorer Processrobusthet Zaldivar et al. (2001) AMB, 56, 17

8 Metabolic enginering Möjliggör väldefinierade förbättring av definerade egenskaper i det cellulära maskineriet. Det är en iterativ process som omfattar syntes, analys och design Substrat Substrat Produkt Biprodukt ME Produkt Celler Celler

9 Mål för metabolic engineering Odlingsmedium: Definerat medium, 50 g/l xylos + 20 g/l glukos Xylose consumption rate (g gdw -1 h -1 ) S. cerevisiae TMB 3001 innehåller XR och XDH från P. stipitis och endogent XKS (Eliasson et al. 2000) Roca et al (2004) AMB, 63, Biomass (g L -1 ) Glycerol, ethanol, xylitol (g L -1 ) Biomass Glucose Xylose Xylose consumption rate Glycerol Ethanol Xylitol Time (h) Time (h) Glucose, Xylose (g L -1 )

10 Redoxreaktioner begränsar etanolproduktionen i Saccharomyces cerevisiae Kunskap om reguleringen av redoxmetabolismen i S. cerevisiae är begränsad

11 Industrial Biotechnology 325 biokemiska reaktioner omfattar oxidation/reduktion; redox kofaktorer medierar elektronflöde i cellen NADPH: reduktiva reaktioner (biosyntetiska) NAD+: oxidativa reaktioner (katabola), Regenerering av kofaktorer är nödvändigt 11

12 Redoxbalans och xylosmetabolism 2-ketoglutarate + NH 4 + GDH2 GS-GOGAT glutamate NADH NAD + NAD + NADH 2-ketoglutarate + NH + 4 ATP GS-GOGAT ADP glutamate xylose XR xylitol XDH xylulose XKS xylulose-5-p Kolfluxen omdirigeras från xylitol till etanol. Ökad produktion av NADPH och NAD + Roca et al (2003) AEM, 69, ketoglutarate + NH + 4 NADPH GDH1 NADP + glutamate

13 Metabolic engineering av xylosemetabolismen genom modulering af redoxmetabolismen Överuttryck av XR and XDH (from Pichia stipitis) Överuttryck av endogent XKS (Eliasson et al. 2000) S. cerevisiae TMB 3001 Deletetion GDH1 Överuttryck GDH2 Överuttryck GS GOGAT (GLN1/GLT1) Den rekombinanta stammen visade: 12 % förbättrad xyloskonsumtion 16 % förbättrat etanolutbyte 45 % minskat xylitolutbyte De genetiska förändringarna ledde också till ändringar i cellens metabolism i orelaterade delar av det metabola mätverket Roca et al (2003) AEM, 69, 4732

14 Förbättrad galaktosekonsumption Framgångsrika metabolic engineering stragier blev funna både när strukturella gener och regulatoriska gener fick ändrad uttrycksnivå Identified after physiological investigations 70 % ökad galaktoskonsumtion 40 % ökad galaktoskonsumption Oestergaard et al (2000) Nature Biotechnol. 18, 1283, Bro et al (2005) AEM, 71, 6465

15 220 Industriella förhållade leder till mikrobiella stressreaktioner och suboptimal produktion Concentration (g/kg) DP4+ Maltotriose Maltose Glucose Glycerol Ethanol Cell count 100 Cell count (mill/g) Devantier et al (2005) AM B, 68, Time (h)

16 Stambakgrund Fysiologisk karakterisering visade att laboratotriestammen växte dåligt under industriella förhållanden mrna array analys visade att den celluläre responsen mot stress var förhöjd Devantier et al (2005) Ind Biotechnol, 1, 51

17 Stambakgrunden är väldigt viktig för hur tolerant jästen är mot de inhibitorer som finns i lignocellulosahydrolysat Panagiotou and Olsson (2007) BB, 96,

18 Produktion av kemikalier med hjälp av Drivkrafter Billiga råmaterial Förnyelsebara råmaterial bioteknologi Utnyttjande av den biodiversitet naturen erbjuder Teknologi tillgänglig för design av avancerade cellfabriker Ren teknologi Minskat beroende av oljebaserad produktion

19 Mer biologteknologisk produktion i framtiden

20 Utmaningar för framtiden Billigare och mer effektiva processer kan erhållas genom att: Använda den postgenoma teknologiplatformen Design av cellfabriker som kan utnyttja förnyelsebara råmaterial Förståelse för hela processen och växelverkan mellan de olika processtegen Den kemiska industrin har stort intresse av bioteknologisk produktion, men har begränsade kompetenser Otero et al (2007) AdvBiotechnol Biochem Eng 108, 1