同步醣化與醱酵(SSF) Facebook Plurk Twitter

        所謂「同步醣化與醱酵製程(Simultaneous sccharification and fermentation,SSF)」係指前處理後,在同一反應槽內同步使用纖維水解脢與醱酵用微生物,一方面將纖維素轉換成葡萄糖,半纖維素轉換成木糖與樹膠醛糖,一方面則利用基因改後過微生物(Genetically engineered microbes)將葡萄糖、木糖與樹膠醛糖醱酵成乙醇之過程。

        由於同步醣化與醱酵製程中,醣化與醱酵反應在同一反應槽同步進行,除具有操作簡單與生產效益外,製程中水解產生之醣直接被轉換成乙醇,可減少醣對纖維水解脢活性之抑制作用,且無菌條件(Sterile conditions)之要求也較低(Sun and Cheng, 2002),但因酵素水解之較佳溫度(40~60ºC)比醱酵程序之較佳溫度(25~35°C)為高,製程若採取較高溫之操作條件,則宜選擇兼具水解與醱酵能力之微生物,如Trichoderma reesei cellulase、β-glucosidase與H1-55(Oh et al., 1996)、Candida shehatae FPL-702(Sreenath et al.,2001)、Trichoderma reesei cellulase與Saccharomyces cerebisiae D5A(Laser et al., 2002; Tucker et al., 2003)、Kluyveromyces marxianus CECT 10875(Ballesteros et al., 2004)Kluyveromyces marxianus Y 01070(Kádár et. al., 2004)、Trichoderma reesei cellulase與10%(v/v)Saccharomyces cerebisiae YC-097(Zhu et al., 2006b; Zhu et al., 2006d)、Saccharomyces cerebisiae(Cantarella et al., 2004; Chen and Jin, 2006; Karimi et al., 2006; Rudolf et al., 2005)、Mucor indicus CCUG 22424(Karimi et al., 2006)、Rhizopus oryzae CCUG 28958(Karimi et al., 2006)。

         影響同步醣化與醱酵製程之因子除了基質濃度、酵素之活性、溫度與pH值外,還包括基質饋料方式、乙醇與酵母菌濃度。

        Ballesteros et al.(2002b)選用耐熱型酵母菌菌株Kluyveromyces marxianus CECT 10875與纖維水解脢(Cellulase)Celluclast 1.5L,並採用同步糖化與醱酵製程(Simultaneous saccharification and fermentation process;SSF)從回收之紙張轉換出葡萄糖與乙醇,比較不同基質(Substrates)濃度、基質加入方式(Batch或Fed-batch)與酵素劑量(Enzymatic loading)對乙醇濃度與產率之影響。研究結果顯示:(1)在標準SSF製程下,基質濃度為5 %(w/v)、酵素劑量為45 FPU/g者,乙醇產率最高,約為理論值之80.3 %,與預期之『高酵素劑量與低基質濃度可增加SSF製程之乙醇產率』相符,但高劑量之酵素有成本較高、低濃度之基質有產糖濃度較低、高濃度基質有混合不易等問題;(2)在相同之基質濃度10%(w/v)下,饋料批次式SSF製程之乙醇濃度為17.7 g/L、產率為79.7%,優於標準SSF製程之12.6 g/L、56.4%。

        Chen and Jin(2006)以結晶狀纖維素(Crystalline cellulose)作為原料,探討不同溫度下,乙醇濃度與酵母菌Saccharomyces cerebisiae對於酵素水解與纖維水解脢Penicillium decumbens活性之影響,以及影響之可逆性(Reversibility),其結果顯示:(1)當乙醇濃度大於2%(v/v),則乙醇之存在會對結晶狀纖維素之酵素水解產生抑制作用;(2)乙醇對於酵素水解之抑制作用,將限制還原醣轉換成乙醇之效率,以及最終乙醇產率,然於乙醇自SSF製程移走之後,酵素活性即可恢復;(3)酵素受乙醇之影響所導致之變性(Denaturation)具有可逆性,且乙醇對於Penicillium decumbens之活性影響亦具有可逆性;(4)酵母菌對於Penicillium decumbens之Filter Paper Activity與β-Glycosidase activity幾乎沒有影響。

        Zhu et al.(2006b)以稻草(Rice straw)作為原料,經酸加微波(Microwave/acid)、鹼加微波(Microwave/alkali)與H2O2處理等三個階段(Microwave/acid/alkali/H2O2)後,進行批次式(Batch)同步醣化與醱酵製程(Simultaneous Saccharification and Fermentation;SSF),以Orthogonal experiment找出批次式SSF製程之最佳條件,然後以部份之最佳條件(初始pH值與反應溫度)作為饋料批次式(Fed-batch)SSF製程之條件,探討饋料批次式SSF製程之最佳條件,並比較批次式與饋料批次式SSF製程產出乙醇濃度與乙醇產率。研究結果顯示:批次式SSF製程之最佳操作條件為基質濃度10%(w/v)、反應物初始pH值5.3、反應溫度40ºC、酵素劑量15 mg/g substrate、反應時間72小時,且在該條件下產出之乙醇濃度為29.1 g/L,乙醇產率(Yield)為61.3%,酵素消耗量為5.15 mg/g ethanol。饋料批次式SSF製程之最佳操作條件為反應物初始pH值5.3、反應溫度40ºC、酵素劑量12.5 mg/g substrate、基礎培養基之營養成分濃度提高為批次式SSF製程者之1.8倍、初次饋料時間36小時、饋料模式(3g、3g、2g、2g),且在該條件下產出之乙醇濃度為57.3 g/L,乙醇產率為60.3%,酵素消耗量為4.36 mg/g ethanol。由於饋料批次式SSF製程可解決高基質濃度所衍生之混合問題,提高產製乙醇之濃度,降低酵素與培養基養分之消耗量,是一種有效、具有發展潛力之乙醇製程。

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