معلومة

انتاج الايثانول عن طريق التخمير؟

انتاج الايثانول عن طريق التخمير؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

حيث تشارك البكتيريا في إنتاج الإيثانول من خلال التخمير ويستخدم الإيثانول أيضًا كمطهر يقتل البكتيريا ، لذلك كيف و لماذا تشارك البكتيريا في تخليق مثل هذا الكحول الذي يكون مميتًا بحد ذاته (البكتيريا)؟


يمكن أن تنتج الخميرة ما يصل إلى 16-17٪ v / v٪ من الإيثانول دون أن تموت وفقًا لهذه المقالة. الخميرة هي منتج رئيسي للإيثانول الصناعي ، فهي تنتج الإيثانول حتى في ظل الظروف الهوائية ، على عكس البكتيريا التي تخمر السكر إلى إيثانول في ظروف لاهوائية. يمكن للبكتيريا أيضًا أن تتحمل ما يصل إلى عدة بالمائة من تركيز v / v من الإيثانول في وسطها. تحقق من هذه الورقة للحصول على التفاصيل. إنهم ينتجون الإيثانول لأنه منتج ثانوي طبيعي لعملية التمثيل الغذائي الخلوي. في ظل الظروف اللاهوائية ، لا يمكن أكسدة السكر كمصدر أساسي للطاقة واستخدامها في الظروف الهوائية.

يحول التخمير الكحولي مولًا واحدًا من السكروز إلى مولين من الإيثانول ومولتين من ثاني أكسيد الكربون ، مما ينتج مولين من ATP في هذه العملية.

من: http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fermentation

تتبع البكتيريا اللاهوائية هذا المسار لأن تخمير الإيثانول لا يتطلب أكسجين. يتم إفراز هذا المنتج الثانوي من الخلايا. في البيئات الطبيعية ، يخفف الإيثانول في الوسائط التي تعيش فيها البكتيريا أو يمكن أن تمتصه بكتيريا حمض الأسيتيك وتستخدم كمصدر للطاقة.


9.3: تخمر وتجديد NAD +

ملخص القسم

يناقش هذا القسم عملية التخمير. نظرًا للتركيز الشديد في هذه الدورة على التمثيل الغذائي للكربون المركزي ، فإن مناقشة التخمير تركز بشكل مفهوم على تخمر البيروفات. ومع ذلك ، فإن بعض المبادئ الأساسية التي نغطيها في هذا القسم تنطبق بنفس القدر على تخمير العديد من الجزيئات الصغيرة الأخرى.

& quot الغرض & quot من التخمير

أكسدة مجموعة متنوعة من المركبات العضوية الصغيرة هي عملية تستخدمها العديد من الكائنات الحية للحصول على الطاقة من أجل صيانة الخلايا ونموها. أكسدة الجلوكوز عن طريق تحلل السكر هو أحد هذه المسارات. تتضمن عدة خطوات رئيسية في أكسدة الجلوكوز إلى بيروفات تقليل مكوك الإلكترون / الطاقة NAD + إلى NADH. لقد طُلب منك بالفعل معرفة الخيارات التي قد تضطر الخلية بشكل معقول إلى إعادة أكسدة NADH إلى NAD + لتجنب استهلاك المسابح المتاحة من NAD + وبالتالي تجنب إيقاف تحلل السكر. بعبارة أخرى ، أثناء تحلل السكر ، يمكن للخلايا أن تولد كميات كبيرة من NADH وتستنفد ببطء إمداداتها من NAD +. إذا استمر تحلل السكر ، يجب أن تجد الخلية طريقة لتجديد NAD + ، إما عن طريق التوليف أو عن طريق شكل من أشكال إعادة التدوير.

في حالة عدم وجود أي عملية أخرى و [مدش] ، إذا أخذنا في الاعتبار تحلل السكر وحده و [مدشيت] ليس من الواضح على الفور ما يمكن أن تفعله الخلية. يتمثل أحد الخيارات في محاولة إعادة الإلكترونات التي تم تجريدها من مشتقات الجلوكوز إلى المنتج النهائي ، البيروفات ، أو أحد مشتقاته. يمكننا تعميم العملية من خلال وصفها بأنها عودة الإلكترونات إلى الجزيء الذي أزيلت منه ذات مرة ، عادةً لاستعادة تجمعات عامل مؤكسد. هذا باختصار التخمر. كما سنناقش في قسم مختلف ، يمكن لعملية التنفس أيضًا تجديد تجمعات NAD + من NADH. قد تختار الخلايا التي تفتقر إلى سلاسل الجهاز التنفسي أو في الظروف التي يكون فيها استخدام السلسلة التنفسية غير مواتية التخمر كآلية بديلة للحصول على الطاقة من الجزيئات الصغيرة.

مثال: تخمير حمض اللاكتيك

من الأمثلة اليومية على تفاعل التخمير اختزال البيروفات إلى اللاكتات عن طريق تفاعل تخمير حمض اللاكتيك. يجب أن يكون رد الفعل هذا مألوفًا لك: فهو يحدث في عضلاتنا عندما نبذل أنفسنا أثناء التمرين. عندما نجهد أنفسنا ، تتطلب عضلاتنا كميات كبيرة من ATP لأداء العمل الذي نطلبه منهم. مع استهلاك الـ ATP ، تصبح خلايا العضلات غير قادرة على مواكبة الطلب على التنفس ، O2 يصبح مقيدًا ، ويتراكم NADH. تحتاج الخلايا إلى التخلص من الفائض وتجديد NAD + ، لذلك يعمل البيروفات كمستقبل للإلكترون ، ويولد اللاكتات ويؤكسد NADH إلى NAD +. تستخدم العديد من البكتيريا هذا المسار كطريقة لإكمال دورة NADH / NAD +. قد تكون على دراية بهذه العملية من منتجات مثل مخلل الملفوف والزبادي. التفاعل الكيميائي لتخمير حمض اللاكتيك هو كما يلي:

بيروفات + NADH وحمض اللبنيك + NAD +

شكل 1. يحول تخمير حمض اللاكتيك البيروفات (مركب كربوني مؤكسد قليلاً) إلى حمض اللاكتيك. في هذه العملية ، يتأكسد NADH ليشكل NAD +. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

قصة طاقة لتخمير البيروفات إلى اللاكتات

مثال (إذا كانت طويلة قليلاً) قصة الطاقة لتخمير حمض اللاكتيك هو ما يلي:

المتفاعلات هي البيروفات ، NADH ، والبروتون. المنتجات هي اللاكتات و NAD +. تؤدي عملية التخمير إلى تقليل البيروفات لتكوين حمض اللاكتيك وأكسدة NADH لتكوين NAD +. تُستخدم الإلكترونات من NADH والبروتون لتقليل البيروفات إلى اللاكتات. إذا فحصنا جدولًا لإمكانية الاختزال القياسية ، فإننا نرى في ظل الظروف القياسية أن نقل الإلكترونات من NADH إلى البيروفات لتكوين اللاكتات يكون طاردًا للطاقة وبالتالي تلقائيًا حراريًا. تقترن خطوات الاختزال والأكسدة للتفاعل وتحفز بواسطة إنزيم نازعة هيدروجين اللاكتات.

مثال ثانٍ: التخمير الكحولي

عملية التخمير المألوفة الأخرى هي تخمير الكحول ، الذي ينتج الإيثانول ، وهو كحول. تفاعل التخمير الكحولي هو كالتالي:

الشكل 2. يتألف تخمير الإيثانول من خطوتين. يتم تحويل البيروفات (حمض البيروفيك) أولاً إلى ثاني أكسيد الكربون وأسيتالديهيد. تقوم الخطوة الثانية بتحويل الأسيتالديهيد إلى إيثانول ويؤكسد NADH إلى NAD +. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

في التفاعل الأول ، تتم إزالة مجموعة الكربوكسيل من حمض البيروفيك ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون كغاز (قد يكون البعض منكم على دراية بهذا باعتباره مكونًا رئيسيًا للعديد من المشروبات). يزيل التفاعل الثاني الإلكترونات من NADH ، ويشكل NAD + وينتج الإيثانول (مركب مألوف آخر و mdashusually في نفس المشروب) من الأسيتالديهيد ، الذي يقبل الإلكترونات.

اكتب قصة طاقة كاملة لتخمير الكحول. اقترح الفوائد المحتملة لهذا النوع من التخمير لكائن الخميرة وحيدة الخلية.

مسارات التخمير عديدة

في حين أن مسارات تخمير حمض اللاكتيك والتخمير الكحولي الموصوفة أعلاه هي أمثلة ، إلا أن هناك العديد من التفاعلات (عدد كبير جدًا بحيث لا يمكن تجاوزها) التي طورتها الطبيعة لإكمال دورة NADH / NAD +. من المهم أن تفهم المفاهيم العامة وراء ردود الفعل هذه. بشكل عام ، تحاول الخلايا الحفاظ على توازن أو نسبة ثابتة بين NADH و NAD + عندما تصبح هذه النسبة غير متوازنة ، تعوض الخلية عن طريق تعديل التفاعلات الأخرى للتعويض. الشرط الوحيد لتفاعل التخمير هو أنه يستخدم مركبًا عضويًا صغيرًا كمستقبل إلكتروني لـ NADH ويجدد NAD +. تشمل تفاعلات التخمير المألوفة الأخرى تخمر الإيثانول (كما هو الحال في البيرة والخبز) ، والتخمير البروبيوني (وهو ما يصنع الثقوب في الجبن السويسري) ، والتخمير مالولاكتيك (وهو ما يعطي Chardonnay نكهته الأكثر نعومة و mdashthe المزيد من تحويل malate إلى lactate ، وأكثر ليونة. خمر). في الشكل 3 ، يمكنك أن ترى مجموعة كبيرة ومتنوعة من تفاعلات التخمير التي تستخدمها أنواع مختلفة من البكتيريا لإعادة أكسدة NADH إلى NAD +. تبدأ كل هذه التفاعلات مع البيروفات أو أحد مشتقات استقلاب البيروفات ، مثل أوكسالأسيتات أو فورمات. يتم إنتاج البيروفات من أكسدة السكريات (الجلوكوز أو الريبوز) أو غيرها من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه يمكن استخدام مركبات أخرى كركائز تخمير إلى جانب البيروفات ومشتقاته. وتشمل هذه تخمير الميثان ، تخمير الكبريتيد ، أو تخمير المركبات النيتروجينية مثل الأحماض الأمينية. لا يُتوقع منك حفظ كل هذه المسارات. ومع ذلك ، من المتوقع أن تتعرف على مسار يعيد الإلكترونات إلى منتجات المركبات التي تأكسد في الأصل لإعادة تدوير تجمع NAD + / NADH وربط هذه العملية بالتخمير.

الشكل 3. يوضح هذا الشكل مسارات تخمير مختلفة باستخدام البيروفات كركيزة أولية. في الشكل ، يتم تقليل البيروفات إلى مجموعة متنوعة من المنتجات عبر تفاعلات مختلفة وأحيانًا متعددة الخطوات (تمثل الأسهم المتقطعة عمليات متعددة الخطوات محتملة). لم يتم عرض جميع التفاصيل عمدا. النقطة الأساسية هي إدراك أن التخمير مصطلح واسع لا يرتبط فقط بتحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك أو الإيثانول. المصدر: Marc T. Facciotti (عمل أصلي)

ملاحظة على الرابط بين الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير

يحدث التخمر في حالة عدم وجود الأكسجين الجزيئي (O2). إنها عملية لا هوائية. لاحظ عدم وجود O2 في أي من تفاعلات التخمير الموضحة أعلاه. العديد من هذه التفاعلات قديمة جدًا ، ويُفترض أنها من أوائل التفاعلات الأيضية لتوليد الطاقة التي تتطور. هذا منطقي إذا أخذنا في الاعتبار ما يلي:

  1. انخفض الغلاف الجوي المبكر بدرجة كبيرة ، مع توفر القليل من الأكسجين الجزيئي بسهولة.
  2. كانت الجزيئات العضوية الصغيرة شديدة الاختزال متاحة نسبيًا ، ناشئة عن مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية.
  3. توجد هذه الأنواع من التفاعلات والمسارات والإنزيمات في العديد من الأنواع المختلفة من الكائنات الحية ، بما في ذلك البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى ، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات قديمة جدًا.
  4. تطورت العملية قبل وقت طويل من O2 تم العثور عليه في البيئة.
  5. كانت الركائز ، شديدة الاختزال ، جزيئات عضوية صغيرة ، مثل الجلوكوز ، متاحة بسهولة.
  6. المنتجات النهائية للعديد من تفاعلات التخمير هي أحماض عضوية صغيرة تنتج عن أكسدة الركيزة الأولية.
  7. تقترن العملية بتفاعلات الفسفرة على مستوى الركيزة. أي أن الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة تتأكسد ، ويتم إنشاء ATP أولاً عن طريق تفاعل أحمر / ثور متبوعًا بفسفرة مستوى الركيزة.
  8. يشير هذا إلى أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا.

إذا كانت الفرضية صحيحة وهي أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا وكانت الأشكال الأولى من استقلاب الطاقة الذي استخدمته الخلايا لتوليد ATP ، فماذا ستكون عواقب مثل هذه التفاعلات مع مرور الوقت؟ ماذا لو كانت هذه هي الأشكال الوحيدة لاستقلاب الطاقة المتوفرة على مدى مئات الآلاف من السنين؟ ماذا لو تم عزل الخلايا في بيئة صغيرة مغلقة؟ ماذا لو لم يتم إنتاج الركائز الصغيرة والمختصرة بنفس معدل الاستهلاك خلال هذا الوقت؟

عواقب التخمير

تخيل عالمًا يكون فيه التخمير هو الوضع الأساسي لاستخراج الطاقة من الجزيئات الصغيرة. مع ازدهار السكان ، يتكاثرون ويستهلكون وفرة من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة في البيئة ، مما ينتج الأحماض. إحدى النتائج هي تحمض (انخفاض درجة الحموضة) في البيئة ، بما في ذلك البيئة الخلوية الداخلية. يمكن أن يكون هذا معطلاً ، لأن التغيرات في الأس الهيدروجيني يمكن أن يكون لها تأثير عميق على الوظيفة والتفاعلات بين الجزيئات الحيوية المختلفة. لذلك ، هناك حاجة إلى تطوير الآليات التي يمكن أن تزيل الأحماض المختلفة. لحسن الحظ ، في بيئة غنية بالمركبات المخفضة ، يمكن أن تنتج الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير كميات كبيرة من ATP.

من المفترض أن هذا السيناريو كان بداية تطور F0F1-ATPase ، آلة جزيئية تحلل جزيء ATP وتنقل البروتونات عبر الغشاء (سنرى هذا مرة أخرى في القسم التالي). مع F0F1-ATPase ، يمكن لـ ATP الناتج من التخمير الآن أن يسمح للخلية بالحفاظ على توازن الأس الهيدروجيني عن طريق اقتران الطاقة الحرة للتحلل المائي لـ ATP بنقل البروتونات خارج الخلية. الجانب السلبي هو أن الخلايا تضخ الآن كل هذه البروتونات في البيئة ، والتي ستبدأ الآن في التحمض.

إذا كانت الفرضية صحيحة ، فإن F0F1-ATPase أيضًا تطورت بشكل مشترك مع تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة ، فماذا سيحدث مع مرور الوقت للبيئة؟ في حين أن المركبات العضوية الصغيرة والمختصرة قد تكون وفيرة في البداية ، إذا توقف التخمير & quot في مرحلة ما ، فإن المركبات المختزلة قد تنفد وقد يصبح ATP نادرًا أيضًا. هذه مشكلة. بالتفكير مع وضع نموذج تقييم تحدي التصميم في الاعتبار ، حدد المشكلة (المشكلات) التي تواجه الخلية في هذه البيئة المفترضة. ما هي الآليات أو الطرق المحتملة الأخرى التي يمكن أن تتغلب بها الطبيعة على المشكلة (المشكلات)؟


هندسة التمثيل الغذائي - التطبيقات والطرق والتحديات

2.8 الإيثانول

يعتبر تخمير الإيثانول من أقدم وأهم عمليات التخمير المستخدمة في صناعة التكنولوجيا الحيوية. في الولايات المتحدة وحدها ، يتم إنتاج حوالي 4.5 مليار جالون من الإيثانول سنويًا من الذرة واستخدامها كوقود للنقل. من المتوقع أن ينمو الإنتاج السنوي للإيثانول الحيوي في الولايات المتحدة إلى أكثر من 7.5 مليار جالون في السنوات القليلة المقبلة وأن يصل إلى 30 مليار جالون بحلول عام 2025. يمكن للعديد من الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك البكتيريا والخمائر ، إنتاج الإيثانول كمنتج التخمير الرئيسي من الكربوهيدرات [ 123]. يتم تخمير الإيثانول الصناعي الحالي بشكل أساسي مع الخميرة السكريات الخباز بسبب صلابته (انخفاض درجة الحموضة وارتفاع تحمل الإيثانول) ، على الرغم من البكتيريا Zymomonas Mobilis لديه إنتاجية عالية من الإيثانول وعائد من الجلوكوز والسكروز.

هندسة التمثيل الغذائي S. cerevisiae, Z. Mobilis، و بكتريا قولونية من أجل تخمير الإيثانول المحسن تمت دراسته على نطاق واسع [124–128]. تركزت معظم الجهود على إنشاء سلالات متحولة فعالة تخمر الزيلوز بسبب عدم وجود أي منهما S. cerevisiae ولا Z. Mobilis يمكن استخدام الزيلوز ، وهو ثاني أكثر أنواع السكر وفرة (بجانب الجلوكوز) الموجود في الكتلة الحيوية النباتية (الهيميسليلوز). نظرًا لأن الخمائر يمكن أن تنمو على الزيلوز وتخمره ، فقد بدا أن التعبير غير المتجانسة لإيزوميراز الزيلوز البكتيري (XI) هو نهج معقول للهندسة S. cerevisiae لاستيعاب الزيلوز. ومع ذلك ، فشلت جميع الجهود السابقة باستخدام هذا النهج على الرغم من الجين المستنسخ زيلا من عند ثيرموفيلوس و بيروميسيس أنتج sp E2 إيزوميراز الزيلوز النشط في S. cerevisiae. كان الفشل جزئيًا بسبب تثبيط إيزوميراز الزيلوز بشدة بواسطة إكسيليتول وتوازن الأزمرة يفضل تكوين الزيلوز. في الآونة الأخيرة ، تم الحصول على متحولة قادرة على النمو اللاهوائي على الزيلوز لإنتاج عائد مرتفع من الإيثانول (0.42 جم / جم زيلوز) عن طريق الهندسة التطورية للسلالة المعدلة وراثيًا التي تعبر عن زيلجين من الفطريات اللاهوائية بيروميسيس sp E2 [129]. أظهر هذا العمل أن المسار الأيضي يمكن هندسته بشكل أفضل من خلال الجمع بين التعديل الجيني والتطور الموجه دون الحاجة إلى البحث عن أهداف جينية للتعديل.

مقدمة XYL1 و XYL2 الجينات ، ترميز اختزال الزيلوز (XR) و نازعة الهيدروجين إكسيليتول (XDH) ، على التوالي ، من الخمائر المخمرة بالزيلوز ، مثل نصيب بيتشيا ، كانت الاستراتيجية الرئيسية المستخدمة في الهندسة الأيضية S. cerevisiae لإنتاج الإيثانول من الزيلوز [128]. ومع ذلك ، فإن هذه الإستراتيجية لا تعمل بشكل جيد أيضًا ، إلى حد كبير لأن الخميرة المؤتلفة ، التي تحول الزيلوز إلى الزيلوز من خلال العمل المشترك لـ NADPH المعتمد على NADPH و Xylitol dehydrogenase المرتبط بـ NAD ، لا يمكن أن تحافظ على نموها اللاهوائي بسبب اختلال توازن الأكسدة والاختزال لـ NAD + / NADH ، مما يؤدي أيضًا إلى إفراز إكسيليتول. لا تستطيع الخمائر تحويل NADPH و NADH لأنها تفتقر إلى إنزيم transhydrogenase. الإفراط في التعبير عن إنزيم الهيدروجين في الخمائر لا يحسن الوضع. على الرغم من أنه يمكن إزالة فائض NADH بشكل فعال عن طريق التهوية ، مع كون الأكسجين مستقبلًا خارجيًا للإلكترون ، فإن التهوية الزائدة قد تحول استقلاب الخلية من التخمر إلى التنفس وتثبط إنتاج الإيثانول. لحل مشكلة اختلال توازن الأكسدة والاختزال يتطلب بالتالي هندسة البروتين لتتناسب تمامًا مع خصائص الإنزيم المساعد لاثنين من الأكسدة الاختزالية في مسار XR / XDH. إن تعديل استقلاب الأكسدة والاختزال عن طريق زيادة نشاط إنزيم نازعة هيدروجين الجلوكوز 6-فوسفات المنتج لـ NADPH أو تغيير استيعاب الأمونيا ليصبح NADH ، بدلاً من NADPH ، الذي يعتمد على زيادة إنتاج الإيثانول من الزيلوز [130].

زيادة نشاط نازعة الهيدروجين إكسيليتول بالنسبة إلى اختزال الزيلوز في S. cerevisiae أدى إلى انخفاض إكسيليتول وزيادة إنتاج الإيثانول. ومع ذلك ، الإفراط في التعبير XYL2 أدى إلى إفراز الزيلوز ، مما يشير إلى أن زيلولوكيناز (XK) يحد من استقلاب الزيلوز في S. cerevisiae. عندما زيلولوكيناز (مشفر بواسطة XYL3 أو XKS1) تم التعبير عنه بشكل مفرط مع XYL1 و XYL2 في الخميرة ، متحولة السكريات ص. قام 1400 (pLNH33) بتخمير كل من الجلوكوز والزيلوز إلى الإيثانول (50 جم / لتر) مع إنتاجية عالية من الإيثانول (

0.46 جم / جم أو 90٪ من المحصول النظري) والإنتاجية (

1.4 جم / لتر ساعة) [131 ، 132] ، وهي أعلى نسبة من مخاليط الجلوكوز / الزيلوز المبلغ عنها لخميرة مؤتلفة حتى الآن. منذ عام 2004 ، هذا السكريات تم استخدام سلالة متحولة بواسطة Iogen في مصنعها التجريبي التجريبي الذي ينتج 800 لتر من الإيثانول يوميًا من قش القمح. ومع ذلك ، فإن التوسع الاقتصادي لهذه العملية قد يتطلب مزيدًا من التحسين في الإجهاد. لا يمكن لخلايا الخميرة المؤتلفة استخدام الزيلوز بكفاءة مثل الجلوكوز ولا تزال تنتج كمية كبيرة من الزيليتول. في عملية التخمير ، عادةً ما يسبق استخدام الجلوكوز استخدام الزيلوز عندما يكون كلاهما موجودًا في الوسط [133]. يُعزى سوء استخدام الزيلوز في وجود الجلوكوز إلى عدم وجود ناقل زيلوز محدد في الخميرة. قد يحد مسار فوسفات الخميرة & # x27s البنتوز أيضًا من استخدام الزيلوز. الإفراط في التعبير عن ترانسكيتولاز (TKL1) و transaldolase (TAL1) في ال XYL1-XYL2 تحتوي S. cerevisiae سلالات تحسن بشكل كبير من نمو الخلايا على الزيلوز ، لكن التأثير على إنتاج الإيثانول لم يكن بنفس الأهمية.

يوضح الشكل 10 المسارات الأيضية لاستخدام الجلوكوز والزيلوز في المؤتلف S. cerevisiae. يتم تحويل الجلوكوز إلى بيروفات عبر مسار Embden-Meyerhof-Parnas ، بينما يتم استقلاب الزيلوز ، بعد التحويل إلى الزيلوز ، من خلال دورة فوسفات البنتوز.

الشكل 10. مسارات التمثيل الغذائي في المؤتلف S. cerevisiae مصممة لتخمير الزيلوز. يشار إلى مسار Embden-Meyerhof-Parnas بخطوط سميكة ويشار إلى مسار فوسفات البنتوز بخطوط رفيعة. الجينات المهمة في المسارات هي GND1: نازعة هيدروجين الفوسفوغلوكونات ، RKI1 ريبوز-5-فوسفات أيزوميراز ، TAL1: ترانسالدولاس ، TKL1: ترانسكيتولاز ، XKS1: زيلولوكيناز ، XYL1: اختزال الزيلوز (XR) ، XYL2: ديهيدروجينيز إكسيليتول (XDH) ، XYL3: زيلولوكيناز ، XylA: إيزوميراز الزيلوز (XI) ، ZWF1: G-6-P 1-ديهيدروجينيز. XI و XR و XDH هي إنزيمات غير متجانسة.

من أجل الحفاظ على توازن الأكسدة والاختزال ، تنتج خلايا الخميرة الجلسرين كمنتج ثانوي في تخمير الإيثانول ، مما يقلل من إنتاجية الإيثانول إلى أقل بكثير من القيمة النظرية البالغة 0.51 جم / جم جلوكوز. استبدال نازعة هيدروجين الجلوتامات المعتمد على NADPH (المشفر بواسطة GDH1) مع نازعة هيدروجين الجلوتامات المعتمد على NADH (المشفر بواسطة GDH2) أدى إلى انخفاض بنسبة 30٪ في إنتاج الجلسرين. الإفراط في التعبير عن كل من جينات الجلوتامات وسينثاز الجلوتامين (GLT1 و GLN1) في متحولة GDH1 المحذوفة ، قللت من إنتاج الجلسرين بنسبة 38٪ وزادت من إنتاج الإيثانول بنسبة 10٪ [134]. زيادة محصول الإيثانول ليقترب من قيمته القصوى النظرية سيكون له تأثير كبير على اقتصاديات العملية حيث أن الركيزة (الجلوكوز) تمثل

50٪ من تكلفة المنتج النهائي.

مثل مواطن S. cerevisiae, Z. Mobilis يمكن أن تنتج كمية كبيرة من الإيثانول من الجلوكوز والسكروز ، ولكن ليس البنتوز. من خلال إدخال اثنين من الأوبرينات التي ترميز استيعاب الزيلوز وإنزيمات مسار الفوسفات البنتوز في Z. Mobilis، يمكن للسلالة المهندسة الأيضية أن تخمر كلاً من الزيلوز والجلوكوز إلى إيثانول [135]. ومع ذلك ، فإن المؤتلف Z. Mobilis يمكن أن ينتج الإيثانول فقط عند مستوى تركيز منخفض وهو حساس للمثبطات الموجودة في محللات هيميسليلوز ، وكلاهما يحد من إمكاناته للتطبيق الصناعي.

يتمثل أحد البدائل لتطوير سلالة إيثانولوجية تخمر البنتوز في إدخال جينات إنتاج الإيثانول في الخلايا المضيفة التي يمكنها استخدام البنتوز. تم تصميمه أيضيًا بكتريا قولونية سلالة KO11 مع Z. Mobilis بيروفات ديكاربوكسيلاز (PDC) وكحول ديهيدروجينيز (ADHب) دمج الجينات في كروموسومها ويمكن أن تنتج طفرة في اختزال الفومارات الذي يقضي على إنتاج السكسينات

40 جم / لتر من الإيثانول في 48 ساعة من التحلل الهيميسليلوز المضاف إليه سائل حاد الذرة كمصدر مغذٍ ، مع إنتاج إيثانول نموذجي يبلغ

0.46 جم / جم سكر أو 90٪ من المحصول النظري [136]. أدى التحور الإضافي لهذه السلالة مع نظام ناقلة الفوسفوروفيت المعتمد على فسفوينول بيروفات (PTS) إلى ظهور طفرات غير قادرة على استخدام الجلوكوز ، لكن بعضها أنتج ما يقرب من 60 جم ​​/ لتر من الإيثانول من 120 جم / لتر زيلوز في 48 ساعة [137]. تخمير الإيثانول مع المؤتلف بكتريا قولونية تم إثبات KO11 بنجاح على مقياس 10000 لتر. ومع ذلك ، فإن تطبيقه التجاري محدود بسبب درجة الحموضة المحايدة المطلوبة للتخمير البكتيري ، وانخفاض تحمل الإيثانول ، والقضايا المتعلقة بالتخلص من الوسائط المستهلكة التي تحتوي على الكتلة الحيوية للخلايا البكتيرية المعوية ، والتي لا يمكن استخدامها كعلف للحيوانات كما يمكن للخميرة.

كما تم استخدام نهج مماثل للهندسة كليبسيلا أوكسيتوكا، والتي يمكن أن تخمر السيلوبيوز والسيلوتريوز ، لإنتاج الإيثانول من السليلوز. يمكن أن يقلل هذا من تكلفة إنزيمات السليلاز المطلوبة في التحلل المائي للمواد اللجينية السليلوزية لتخمير الإيثانول.


تم تكييف هذه المحاكاة من محاكاة "التخمير" الأصلية الأطول.

سوف تجرب ظروف نمو الخميرة Saccharomyces cerevisiae من أجل إنتاج أكبر قدر ممكن من الإيثانول الحيوي بأسرع ما يمكن. يستخدم إنتاج الإيثانول من خلال التخمير بواسطة الخميرة على نطاق واسع لإنتاج المشروبات الكحولية مثل البيرة والنبيذ. يمكن أيضًا تسخيره لإنتاج الإيثانول الحيوي بشكل مستدام والذي يمكن استخدامه كوقود.

إعداد تجربتك

ستكون مهمتك هي تحسين إنتاج الإيثانول الحيوي على نطاق تجريبي. بعد إعداد جهاز التخمير أو المفاعل الحيوي ، ستضيف لقاح الخميرة وتجري تجربة التخمير. سيرشدك دكتور ون خلال التجربة الأولى ، بما في ذلك كيفية العمل بجو معقم وأول مجموعة من الظروف الثقافية. بمجرد أن تصبح على دراية بالمعدات ، يمكنك تجربة المخمر بحرية.

التخمير على نطاق تجريبي

نظرًا لأنك تعمل في المختبر الافتراضي ، ستتمكن من جمع البيانات بسرعة كبيرة. يتيح لك ذلك اختبار العديد من معلمات النمو المختلفة ومعرفة تأثيرات مجموعات مختلفة من درجة الحرارة وتكوين الغاز ومستوى التحريك ودرجة الحموضة في غضون دقائق.

تحليل البيانات النوعية

بمجرد إجراء عدد من تجارب التخمير ، ستقارن النتائج. سيرشدك دكتور ون من خلال التحليل النوعي للمعلمات الرئيسية لعملية التخمير. هل يمكنك أن تقرر معًا شروط الاستزراع التي يجب استخدامها لإنتاج الإيثانول الحيوي الأمثل على نطاق صناعي.


الاستنتاجات

على الرغم من المعلومات المحدودة المتاحة لبحوث الثقافة المشتركة ، تظهر الأمثلة المتاحة أنه يمكن استخدام التخمير المشترك في الثقافة لإنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية lignocellulosic. يوفر التخمير المشترك للثقافة فرصة لتحقيق التحويل المتزامن للجلوكوز والزيلوز ، وزيادة معدل استخدام الركيزة ، وزيادة إنتاج الإيثانول ومعدل الإنتاج ، وتقليل تكاليف العملية. ومع ذلك ، باعتبارها تقنية غير ناضجة ولكنها واعدة ، فإن تطبيق التخمير المشترك في الثقافة لإنتاج الإيثانول على المستوى الصناعي يواجه بعض التحديات. يجب تطبيق المزيد من الجهود البحثية في هذا المجال لتطوير أنظمة ثقافة مشتركة قوية ومدروسة جيدًا يمكن استخدامها لتحويل الكتلة الحيوية إلى إيثانول بتكلفة تنافسية.


منع حركة الخلايا في تخمر الإيثانول

يتم إنتاج الإيثانول في الصناعة بواسطة خلايا Saccharomyces cerevisiae. مزايا تقنيات الخلايا المجمدة هي: كثافة الخلايا العالية ، يمكن إعادة استخدام الكتلة الحيوية الميكروبية عدة مرات ، ويمكن تحقيق عملية التخمير المستمر ، وهناك احتمال أقل للتلوث أثناء العملية ويمكن تنقية المنتج بسهولة بعد التخمير. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من تقنيات الخلايا المعطلة: الارتباط بالناقلات ، وطريقة الربط المتقاطع ، وطريقة الالتقاط. في الحالة الأولى ، ترتبط الخلايا أو الإنزيمات بحامل صلب من خلال الترابط الأيوني أو الترابط التساهمي.

يمكن أن تكون المواد الحاملة عبارة عن عديدات سكاريد غير قابلة للذوبان في الماء (مثل السليلوز ، والديكستران ، والأغاروز) ، والبروتينات (مثل الجيلاتين ، والألبومين) ، والبوليمرات الاصطناعية (مثل راتنجات التبادل الأيوني ، والبولي فينيل كلوريد) ، والمركبات غير العضوية (مثل الكوارتز). في طريقة الربط المتقاطع ، تتفاعل الكواشف ذات مجموعتين وظيفيتين أو أكثر (مثل الجلوتارالدهيد) مع الخلايا. في طريقة الالتقاط / التضمين ، يتم وضع الخلايا في مادة بوليمر (مثل الجينات ، بولي أكريلاميد).

Saccharomyces cerevisiae تعليق الخلية (حوالي 25 جم من الكتلة الحيوية للخلية الرطبة)

المتطلبات

  • ماصات ، رؤوس ماصة معقمة
  • مرق الجلوكوز (انظر الملحق)
  • مرق مستخلص الشعير (انظر الملحق)
  • 50 مل 4 وزن / وزن محلول ألجينات
  • 50 مل 0.05 م من محلول CaCl2 (درجة الحموضة 6-8)
  • ماصة باستور معقمة
  • محلول ك ثنائي كرومات
  • أنابيب الإختبار
  • حمام مائي 37 درجة مئوية
  • حاضنة

1. اخلطي 50 مل من محلول السكاروميسيس الخبازي مع 4٪ محلول ألجينات تحت ظروف معقمة.
2. قطّر حجم هذا الخليط في 50 مل من محلول CaCl2 0.15M في درجة حرارة الغرفة. قطرات من
ستشكل الألجينات كرات صغيرة (تلتقط خلايا S. cerevisiae بالداخل) في محلول CaCl2.
3. دعها تصلب لمدة ساعة عند درجة حرارة 20-22 درجة مئوية ، ثم تستقر مع فترة حضانة ليلية عند 4 درجات مئوية.
4. أزل محلول CaCl2 وأضف مرق خلاصة الجلوكوز / الشعير في صباح اليوم التالي.
5. احتضان عند 28 درجة مئوية لمدة أسبوع دون إثارة. تحقق من نقاء المرق.
6. يمكن الكشف عن الكحول الناتج باستخدام ثنائي كرومات البوتاسيوم المخفف (H2SO4): أضف حوالي 2 مل من مرق التخمير إلى أنبوب اختبار وأضف 6-8 قطرات من محلول ثنائي كرومات البوتاسيوم في الأنبوب.
7. قم بتقييم البيانات الخاصة بك: في حالة حدوث تفاعل إيجابي ، يقوم ثنائي كرومات البوتاسيوم بأكسدة الكحول إلى حمض الكربونيك (من خلال الألدهيد) ، بينما يتم تقليل حالة أكسدة الكروم من +6 (اللون البني) إلى +3 (اللون الأخضر). افحص تغير لون المحلول.
8. قارن نتائج وسطي التخمير المختلفين.


تخمير الإيثانول

يستخدم تخمير الإيثانول لإنتاج الإيثانول لاستخدامه في الأغذية والمشروبات الكحولية والوقود والصناعة. تحدث عملية تخمير الإيثانول عندما يتم تحويل السكريات إلى طاقة خلوية. تشمل السكريات الأكثر استخدامًا الجلوكوز والفركتوز والسكروز. يتم تحويل هذه السكريات إلى طاقة خلوية وتنتج كلاً من الإيثانول وثاني أكسيد الكربون كمخلفات. الخميرة هي أكثر الكائنات الحية استخدامًا لإنتاج الإيثانول عبر عملية التخمير لإنتاج البيرة والنبيذ والمشروبات الكحولية. كما ذكرنا سابقًا ، على الرغم من وجود كميات وفيرة من الأكسجين ، إلا أن الخميرة تفضل استخدام التخمير. ومن ثم ، فإن استخدام الخميرة على نطاق واسع لإنتاج الإيثانول وثاني أكسيد الكربون يحدث في بيئة لاهوائية.

يمكن بعد ذلك استخدام الإيثانول الناتج في إنتاج الخبز. ستحول الخميرة السكريات الموجودة في العجين إلى طاقة خلوية وتنتج كلاً من الإيثانول وثاني أكسيد الكربون في هذه العملية. سوف يتبخر الإيثانول وسيوسع ثاني أكسيد الكربون العجين. فيما يتعلق بإنتاج الكحول ، ستحث الخميرة على التخمير وتنتج الإيثانول. على وجه التحديد ، في صناعة النبيذ ، تقوم الخميرة بتحويل السكريات الموجودة في العنب. في البيرة والكحول الإضافي مثل الفودكا أو الويسكي ، تقوم الخميرة بتحويل السكريات الناتجة عن تحويل نشا الحبوب إلى سكر بواسطة الأميليز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام تخمير الخميرة لإنتاج كميات كبيرة من الإيثانول الذي يضاف إلى البنزين. المصدر الرئيسي للسكر المستخدم في إنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة هو الذرة حاليًا ، ولكن يمكن أيضًا استخدام محاصيل مثل قصب السكر أو بنجر السكر.

شكل: التخمير في العنب: هذه صورة العنب الذي يخضع للتخمير أثناء عملية صنع النبيذ.


مجلة تحقيقات البيولوجيا التمهيدية

الخميرة مهمة في العديد من الأشياء ، والأكثر شيوعًا الخبز وتخمير البيرة. يعتبر تخمير الخميرة حساسًا للغاية ويعتمد على العديد من الأشياء المختلفة ، بدءًا من نوع السكر وحتى الحرارة. عند البحث عن الخميرة ، علمنا أن السكروز هو السكر الشائع المستخدم عند الطهي بالخميرة. اختبرنا تأثيرات سكر الذرة بدلاً من السكروز في محلول خميرة في تجربتين مختلفتين ، وقارناهما بمحلول مضبوط يحتوي على نفس الخليط ، مع السكروز بدلاً من سكر الذرة. توقعنا أن المحاليل التي تحتوي على سكر الذرة ستنتج إيثانول أكثر من المحلول المحتوي على السكروز. بمجرد الاختبار ، بدا هذا صحيحًا. أظهرت تجربتنا التجريبية الأولى أنه ما لم يتم تسخينها فوق درجة حرارة الغرفة ، فإن حلنا لن ينتج الإيثانول أو البيانات التي تروق لنا. بمجرد تسخين التجارب التالية ، تبين لنا أن الحرارة كانت عاملاً كبيرًا في إنتاج الإيثانول من الخميرة لدينا. في النهاية ، كانت هذه التجربة ناجحة ويمكن أن تؤثر بشكل مثالي على إنتاج الخميرة في المستقبل.

نص كامل:

مراجع

بارنيت ، ج. 1997. استخدام السكر بواسطة Saccharomyces Cerevisiae. الصفحات 35-43 في F.K.

الفرنسية ، د. 2016. دراسة علم الأحياء. الصحافة النافورة. ساوث ليك ، تكساس.

جونج ، سي إس ، إل إف تشين ، إم سي. فليكنجر ، إل سي. شيانج وج. تساو. 1981. إنتاج الإيثانول من د-زيلوز باستخدام إيزوميراز د-زيلوز والخمائر. علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي 41: 430-436.

Lighthelm ، M.E. ، Prior ، B.A. ، and du Preez ، J.C. Appl Microbiol Biotechnol (1988) 28:63.

بولاكوفسكي ، ت. 2008. تأثير السكريات المختلفة على معدل التخمير في الخميرة. مجلة أوهايو للعلوم: مارس 2008 ، المجلد. 108 العدد 1. pA-30 2.

تاكاهاشي ، كاتسوتادا ، جون إل كيسي ، وجوليان إم ستورتيفانت. 1981. الديناميكا الحرارية لربط الجلوكوز د مع خميرة هيكسوكيناز. الكيمياء الحيوية. 20: 4693-4697.

وانغ ، د. ، كسو ، ج. هو ، وج. زو. 2004. حركية التخمير للسكريات المختلفة بواسطة خميرة نبيذ التفاح saccharomyces cervisiae. مجلة مؤسسة تخمير 110: 340-346.


انتاج الايثانول عن طريق التخمير؟ - مادة الاحياء

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يجوز إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


معلومات الكاتب

كريستين نيكول إس سانتوس ، درو دي ريجيتسكي ، أفيناش جيل ، شيتال إيه تريباثي وأمبير فينيت راجارهيا

العنوان الحالي: العناوين الحالية: Manus Biosynthesis Inc.، 790 Memorial Drive، Suite 102، Cambridge، Massachusetts 02139 (CNSS) Calysta Energy، 1140 O'Brien Drive، Menlo Park، California 94025 (DDR) Sutro Biopharma lnc.، 310 Utah Avenue ، Suite 150، South San Francisco، California 94080، USA (AG) Total New Energies USA، 5858 Horton Street، Emeryville، California 94560 (SATVR).،

ماريا إنكويست نيومان وآن ماري إي فاوست ودانييل دي برافو: ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي في هذا العمل.

الانتماءات

شركة Bio Architecture Lab Inc. ، 604 Bancroft Way ، Suite A ، بيركلي ، كاليفورنيا 94710 ، الولايات المتحدة الأمريكية

ماريا إنكويست نيومان ، آن ماري إي فاوست ، دانيال دي برافو ، كريستين نيكول إس سانتوس ، ريان إم رايزنر ، آرثر هانيل ، بريثي سارفابهومان ، تشي لو ، درو دي ريجيتسكي ، سوزان آر كوبر ، ألانا كلارك ، يسيكا مارتينيز ، جوشوا غولدسميث ، مين واي تشو ، بول دي دونوهو ، ليلي لو ، بريجيت لامبيرسون ، براميلا تامراكار ، إدوارد جيه كيم ، جيفري إل فيلاري ، أفيناش جيل ، شيتال إيه تريباثي ، بادما كارامشيدو ، كارلوس ج باريديس ، Vineet Rajgarhia و Richard B. Bailey و Nicholas L.

قسم الهندسة الكيميائية وعلوم المواد ، جامعة ولاية ميشيغان ، 2527 مبنى الهندسة ، إيست لانسينغ ، ميشيغان 48824-1226 ، الولايات المتحدة الأمريكية

لارس بيريبوم وأمبير دينيس جي ميلر

Statoil ASA ، مركز أبحاث Statoil ، Arkitekt Ebbells vei 10 ، روتفول ، 7005 تروندهايم ، النرويج


شاهد الفيديو: From sugar to ethanol (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Corann

    تهانينا ، فكرة رائعة وفي الوقت المناسب

  2. Ceard

    العبارة المثيرة للإعجاب

  3. Rider

    أعتقد أنك ترتكب خطأ. دعونا نناقش. اكتب لي في PM.



اكتب رسالة