Analyse af burst-fase fænomenet ved hydrolyse af cellulose: Analysis of the burst-phase phenomenon during hydrolysis of cellulose

Kim Olsson

Studenteropgave: Semesterprojekt

Abstrakt

Dette projekt tager udgangspunkt i den ikke‐lineære kinetik der observeres i form af en burst‐fase i kalorimetriske forsøg, når cellulase‐systemer og β‐glucosidase samarbejder om at nedbryde forskellige cellulosiske substrater. Burstfasen ses i form af en høj varmeudvikling, der kort tid efter falder drastisk. I dette projekt blev følgende teorier, der kunne ligge til baggrund for den ikke‐lineære kinetik, undersøgt: 1. Uproduktiv og inhiberende binding af cellulase til cellulose 2. Effekten af heterogent substrat på hydrolysehastigheden. Der blev endvidere foretaget en undersøgelse af den kalorimetriske metode, hvor det blev undersøgt, hvorvidt der forekom nogen varmeudvikling der ikke kunne tilskrives frigørelsen af glukose. Teorierne blev undersøgt vha. en Thermal Activity Monitor (TAM) der målte varmeudledningen fra hydrolysen af cellulose, samt HPLC der undersøgte for koncentrationen af frigjort sukker efter hydrolysen. Til dette formål blev anvendt Trichoderma reesei cellulase systemet (Celluclast) og en β‐glukosidase fra Aspergillus Niger (Novozym 188) på to model‐substrater, det amorfe substrat Regenerated Amorphous Cellulose (RAC) og det krystallinske substrat Avicel. Det blev fundet at det var muligt at opnå lineær kinetik ved at anvende en lav enzymkoncentration på 2,5 FPU celluclast / 10 IU Novozym 188 (2,5 FPU) i op til to timer på RAC. Dette taler for at uproduktiv binding medfører en lavere hydrolysehastighed ved højere enzym–doser, fordi enzymerne kommer til at stå i vejen for hinanden på en substrat‐overflade der er mættet af enzymer. I et efterfølgende glukose‐assay blev det dog fundet, at hydrolyseraten ved 15 FPU /60 IU (15 FPU) efter ti minutter faldt fra 10 gange 2,5 FPU’s hydrolysehastighed til tre gange hastigheden. Dette kunne indikere en af følgende to muligheder: 1. Der var to faser i RAC substratet, hvoraf 2,5 FPU ikke nåede at hydrolysere den første af disse væk indenfor de to timer. 2. Der blev fundet en høj koncentration cellobiose ved både 15 FPU‐ og 2,5 FPU‐reaktionen efter ti minutter, hvoraf det kun var den høje enzymdosis, der blev påvirket af produktinhibering, på grund af den mættede substratoverflade beskrevet tidligere. Hydrolyse på en substratblanding bestående af RAC og Avicel viste, at Celluclast ikke har nogen præference for RAC over Avicel, men at den overordnede hydrolyserate faldt lineært jo større andel Avicel der var i prøven. Det blev forsøgt at kompensere for fordelingsvarmen ved injektionen af enzymer, samt for omrøringsvarmen fra propellerne i reaktionscellerne, men det var ikke muligt at sige noget konkluderende vedrørende fremmed varmeudledning ved fraspaltningen af sukker.

UddannelserKemi, (Bachelor/kandidatuddannelse) Bachelor el. kandidat
SprogDansk
Udgivelsesdato17 apr. 2009
VejlederePeter Westh

Emneord

  • second generation bioethanol
  • enzymatic cellulose hydrolysis
  • microcalorimetry analysis