Industrial Biotechnology
Bioetanol till bilen ‐ en mikrobiell produktionsutmaning. Lisbeth Olsson
Industriell bioteknik,
Kemi‐och bioteknik, Chalmers
[email protected]
Industrial Biotechnology
Varför bioethanol?
•
•
•
•
Drivmedel till transportsektorn
Minskat utsläpp av drivhusgaser
Nationell energiproduktion
Hållbar produktion
2
Processöversikt
Industrial Biotechnology
Sukros
Stärkelse
Lignocellulose
Produktion av enzymer med hjälp av jäsning
Hydrolys av polymert material Jäsning
Produkter
3
Industrial Biotechnology
Lignocellulosa material
Lignin kan brytas ner till aromatiska föreningar
Hemicellulosa bryts ner till glukos, galaktos, mannos, xylos och arabinos
Cellulosa bryts ner till glukosenheter
Industrial Biotechnology
Lignocellulosamaterial är svårt att bryta ner, och det bildas inhibitorer vid nedbrytningen
Industrial Biotechnology
• En jäsningsprocess eller en fermenterings‐
process är en bioteknologisk process, där levande celler används som katalysator
•En jäsningsprocess kan foregå i industriell skala
Levande cellers kemi
Kolkälla
Råvara
Syre
Kvävekälla
Produkter
Koldioxid
Biprodukter
Produkter
Industrial Biotechnology
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
Metabolic enginering
Industrial Biotechnology
Möjliggör väldefinierade förbättring av definerade egenskaper i det cellulära maskineriet. Det är en iterativ process som omfattar syntes, analys och design
Substrat
Substrat
ME
Produkt
Produkt
Biprodukt
Celler
Celler
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
60
10
50
1
Biomass
Glucose
Xylose
Xylose consumption rate
0.1
40
30
20
0.01
10
0.001
0
50
100
150
0
200
150
200
S. cerevisiae TMB 3001 innehåller XR och XDH från P. stipitis och endogent XKS (Eliasson et al. 2000)
Glycerol, ethanol, xylitol (g L-1)
Time (h)
25
Glycerol
Ethanol
Xylitol
20
15
10
5
0
9
Roca et al (2004) AMB, 63, 578
0
50
100
Time (h)
Glucose, Xylose (g L-1)
1.0
Biomass (g L-1)
Odlingsmedium: Definerat medium, 50 g/l xylos + 20 g/l glukos
Mål för metabolic engineering
Xylose consumption rate (g gDW-1 h-1)
Industrial Biotechnology
Industrial Biotechnology
Redoxreaktioner begränsar etanolproduktionen i Saccharomyces cerevisiae
Kunskap om reguleringen av redoxmetabolismen i S. cerevisiae är begränsad
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
Industrial Biotechnology
Redoxbalans och xylosmetabolism
2-ketoglutarate + NH4+
GDH2
2-ketoglutarate + NH4+
NADPH
GDH1
XR
+
NADP
xylitol
glutamate
xylose
NADH
GS-GOGAT
glutamate
NAD+
NAD+
2-ketoglutarate +
NADH
NH4+
GS-GOGAT
glutamate
ATP
ADP
XDH
xylulose
XKS
xylulose-5-P
Kolfluxen omdirigeras från xylitol till etanol. Ökad produktion av NADPH och NAD+
Roca et al (2003) AEM, 69, 4732
Industrial Biotechnology
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
Överuttryck GDH2
Deletetion GDH1
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
Industrial Biotechnology
Förbättrad galaktosekonsumption
Framgångsrika metabolic engineering stragier blev funna både när strukturella gener och regulatoriska gener fick ändrad uttrycksnivå
Identified after physiological investigations
70 % ökad galaktos‐
konsumtion
40 % ökad
galaktos‐
konsumption
Oestergaard et al (2000) Nature Biotechnol. 18, 1283, Bro et al (2005) AEM, 71, 6465
Industrial Biotechnology
Industriella förhållade leder till mikrobiella
stressreaktioner och suboptimal produktion
220
1000
200
160
DP4+
Maltotriose
Maltose
Glucose
140
Glycerol
Ethanol
Cell count
120
100
100
80
60
40
20
0
10
0
10
20
Devantier et al (2005) AM B, 68, 622
30
40
15
Time (h)
50
60
70
80
Cell count (mill/g)
Concentration (g/kg)
180
Industrial Biotechnology
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
Industrial Biotechnology
Stambakgrunden är väldigt viktig för hur tolerant jästen är mot de inhibitorer som finns i lignocellulosahydrolysat
Panagiotou and Olsson (2007) BB, 96, 250
17
Industrial Biotechnology
Produktion av kemikalier med hjälp av bioteknologi
Drivkrafter
• Billiga råmaterial
• Förnyelsebara råmaterial
• Utnyttjande av den biodiversitet naturen erbjuder
• Teknologi tillgänglig för design av avancerade cellfabriker
• Ren teknologi
• Minskat beroende av oljebaserad produktion
Industrial Biotechnology
Mer biologteknologisk produktion i framtiden
Industrial Biotechnology
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
