[論文レビュー] Application in the Ethanol Fermentation of Immobilized Yeast Cells in Matrix of Alginate/Magnetic Nanoparticles, on Chitosan-Magnetite Microparticles and Cellulose-coated Magnetic Nanoparticles

Viara Ivanova, P. Ts. Petrova+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2011

Biofuel production and bioconversion参考文献 48被引用数 73

ひとこと要約

本研究では、エタノール発酵効率を向上させるために、マグネチックナノ粒子を用いたマトリックスを構築し、*Saccharomyces cerevisiae*細胞を固定化した。アルギン酸、キトサン-マグネタイト、セルロース被膜磁性ナノ粒子を用いて、ワンステップ反応器系で最大91%の理論的エタノール収率を達成した。最適条件下では生産性が264.0 g/L·hに達し、バイオ燃料生産に適した安定的で再利用可能なバイオ触媒であることが示された。

ABSTRACT

Saccharomyces cerevisiae cells were entrapped in matrix of alginate and magnetic nanoparticles and covalently immobilized on magnetite-containing chitosan and cellulose-coated magnetic nanoparticles. Cellulose-coated magnetic nanoparticles with covalently immobilized thermostable α-amylase and chitosan particles with immobilized glucoamylase were also prepared. The immobilized cells and enzymes were applied in column reactors - 1/for simultaneous corn starch saccharification with the immobilized glucoamylase and production of ethanol with the entrapped or covalently immobilized yeast cells, 2/ for separate ethanol fermentation of the starch hydrolysates with the fixed yeasts. Hydrolysis of corn starch with the immobilized α-amylase and glucoamylase, and separate hydrolysis with the immobilized α-amylase were also examined. In the first reactor the ethanol yield reached approx. 91% of the theoretical; the yield was approx. 86% in the second. The ethanol fermentation was affected by the type of immobilization, the initial particle loading, feed sugar concentration and the dilution rate. The ethanol productivity with entrapped cells reached 264.0 g/L.h at particle loading rate 70% and dilution rate 3.0 h-1 with reducing sugar concentration of 200.0 g/L. The prepared magnetic particles with fixed yeast cells were stable at 4oC in saline for more than 1 month. .

研究の動機と目的

• 効率的なエタノール発酵に適した、再利用可能で磁気分離可能なイースト細胞固定化システムの開発。
• アルギン酸、キトサン-マグネタイト、セルロース被膜ナノ粒子といった異なる磁性マトリックスのエタノール生産性能の評価。
• 固定化酵素およびイーストを用いた同時糖化と発酵（SSF）プロセスと、別々の糖化と発酵（SHF）プロセスの比較。
• 粒子負荷率、糖濃度、希釈率などのプロセスパラメータを最適化し、最大のエタノール生産性を達成すること。

提案手法

• イオン交換法を用いたゲル化により、イースト細胞をアルギン酸/磁性ナノ粒子マトリックスに閉じ込めた。
• 化学的架橋法を用いて、イースト細胞をキトサン-マグネタイトマイクロ粒子に共有結合で固定化した。
• セルロース被膜磁性ナノ粒子を合成し、耐熱性αアミラーゼを共有結合で結合させた。
• グルコアミラーゼの固定化を目的として、キトサン粒子を機能化した。
• カラム反応器を用いて、同時に糖化と発酵（SSF）および別々の糖化と発酵（SHF）プロセスを評価した。
• 粒子負荷率（最大70%）、希釈率（最大3.0 h⁻¹）、還元糖濃度（最大200.0 g/L）といったプロセスパラメータを体系的に変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルギン酸/磁性ナノ粒子上に固定化された* Saccharomyces cerevisiae *が連続発酵におけるエタノール生産性に与える影響は何か？
• RQ2 異なる磁性キャリア材料（アルギン酸、キトサン-マグネタイト、セルロース被膜）がエタノール収率およびプロセス安定性に与える影響は何か？
• RQ3 固定化酵素およびイーストを用いた同時糖化と発酵（SSF）プロセスは、別々の糖化と発酵（SHF）プロセスよりも高いエタノール収率を達成できるか？
• RQ4 粒子負荷率、供給糖濃度、希釈率の変化がエタノール生産性および収率に与える影響は何か？

主な発見

• エントラップされたイースト細胞を用いた同時糖化と発酵（SSF）系で、理論収率のおよそ91%の最高エタノール収率が達成された。
• 最適条件下（70%の粒子負荷率、3.0 h⁻¹の希釈率、200.0 g/Lの還元糖）で、エタノール生産性は264.0 g/L·hに達した。
• SSF系は、理論エタノール収率のおよそ86%を達成したSHF系を上回り、優れた性能を示した。
• 磁性粒子上に固定化されたイースト細胞は、塩水中で4 °Cで1か月以上安定しており、長期的な再利用性が確認された。
• 固定化マトリックスの種別が発酵性能に顕著な影響を及ぼし、アルギン酸/磁性ナノ粒子系が優れた生産性を示した。
• 固定化αアミラーゼおよびグルコアミラーゼを用いたトウモロコシデンプンの糖化は効果的に達成され、SSFおよびSHF両設定で効率的な基質変換が可能となった。