Mezőgazdasági melléktermékek enzimes hidrolízise és a folyamat kinetikai modellje
A második generációs bioetanol-gyártás nagy előnye, hogy élelmiszer előállítására is alkalmas alapanyagok helyett lignocellulóz-tartalmú biomasszából indul ki, mint például fa, fű, kukoricaszár vagy búzaszalma. A lignocellulózok három fő összetevője a cellulóz, a hemicellulóz és a lignin, melyek közül előkezelést követően a cellulóz hidrolízise után keletkező cukrok fermentációjával állítható elő a bioetanol. Az utóbbi időben a bioetanol-gyártás enzimes útja került a kutatások középpontjába, amely során celluláz enzimeket használnak fel. Az enzimrendszer által katalizált lépés heterogén folyamat, és annak érdekében, hogy a hidrolízis minél hatékonyabban valósuljon meg, elengedhetetlen a körülmények optimalizálása. Az enzimes hidrolízis kinetikájának matematikai leírása segítséget nyújt mindehhez, hiszen egy megfelelő modell segítségével csökkenthető a kísérletek száma, emellett hasznos előrejelző eszköz is az eredményeket illetően. Annak ellenére, hogy az utóbbi években egyre több tanulmány foglalkozik ezzel a kutatási feladattal, a cellulázok lignocellulóz-tartalmú biomasszán való működésének pontos mechanizmusa még nem ismert, vagy a meglévő összefüggések csak bizonyos korlátok mellett állják meg a helyüket, így további vizsgálatok, kísérleti adatok szükségesek a meglévő modellek fejlesztéséhez.
Munkám célja lignocellulózok enzimes hidrolízisét leíró modell kifejlesztése korábbi irodalmi és saját mérési eredmények alapján. A kísérleteket extrúzióval előkezelt búzaszalmával végeztem a hidrolízist befolyásoló fontosabb paraméterek beállításonkénti változtatása, azaz különböző szubsztrátkoncentrációk és enzimdózisok (Cellulosic Ethanol Enzyme Kit - Cellulase complex NS22086) mellett állandó hőmérsékleten (50°C) és fordulatszámon (150 rpm), 0,05 M acetát pufferben (pH 5) 72 órán keresztül. A mintavétel 0, 4, 8, 24, 48 és 72 óra elteltével történt, majd centrifugálás (10 min, 13000 rpm) után kétféle módszerrel mértem a felülúszó cukortartalmát. DNS-reagens (3,5-dinitroszalicilsav) hozzáadása után fotometriával a redukáló cukortartalmat, HPLC-analízissel pedig a hidrolízis során felszabadult glükóz koncentrációját határoztam meg. Az így kapott adatokat használtam fel a modellezéshez, melynél a független változó a hidrolízis ideje, a függő a glükózkoncentráció, a kezdeti értékek pedig az enzimdózis és a szubsztrátkoncentráció. A számításokat és illesztéseket Berkeley Madonna és Matlab 7.0 programok segítségével végeztem el. Megállapítottam, hogy a felírt háromparaméteres összefüggés jól közelíti a glükózkoncentráció időbeli alakulását.
szerző
-
Gubicza Krisztina
biomérnöki
nappali
konzulens
-
Dr. Barta Zsolt
egyetemi adjunktus, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
