BioVT-pre-2010-01 [BibTeX]
Gernot Jäger, Helene Wulfhorst, Erik Zeithammel, Efthimia Ellinidou, Antje Spieß, Jochen Büchs:
Charakterisierung und Differenzierung von Cellulasen mittels Streulicht
ProcessNet: NawaRo (Industrielle Nutzung nachwachsender Rohstoffe - Chemie, Biotechnologie, Verfahrenstechnik), Frankfurt, 20-21.01.2010
Abstract:
Lignocellulose ist eine erneuerbare Ressource, die unter anderem für die nachhaltige Gewinnung von Plattformchemikalien oder Kraftstoffen verwendet werden kann. Durch die hohe Verfügbarkeit stellt sie eine Alternative zu den begrenzten, fossilen Rohstoffen dar. Ein essentieller Schritt für die stoffliche Nutzung von Lignocellulose ist die Hydrolyse des Hauptbestandteils Cellulose zu Glucose. Die Hydrolysereaktion kann dabei unter anderem von Enzymen (Cellulasen) katalysiert werden. Für eine optimale Prozessentwicklung ist eine biochemische Charakterisierung und Differenzierung von Cellulasen entscheidend. Des Weiteren müssen die Synergieeffekte zwischen verschiedenen Cellulasen untersucht und schließlich die Reaktionsbedingungen angepasst werden. Screeningsysteme, die eine Untersuchung von Cellulasen im Hochdurchsatz ermöglichen, gewinnen hierbei zunehmend an Bedeutung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik entwickelte BioLector-Technologie zur Untersuchung der enzymatischen Cellulosehydrolyse eingesetzt. Sie ermöglicht eine nicht-invasive online-Messung des Streulicht- und Fluoreszenzsignals von Lösungen/Suspensionen in einer Mikrotiterplatte während des kontinuierlichen Schüttelns.
Die enzymatische Hydrolyse nativer, unlöslicher Cellulosetypen (α-Cellulose, Sigmacell 101, Avicel PH101) wurde untersucht. Die Cellulaseaktivität führte zum Abbau der suspendierten Cellulose und zur Reduktion von Partikelzahl und –größe. Die daraus resultierende Abnahme der Streulichtintensität konnte mit Hilfe des BioLectors quantifiziert werden und wurde mit dem Verlauf der Partikelgröße während der Hydrolyse verglichen. Anhand der Reduktion der Streulichtintensität wurden die Reaktionsraten bestimmt und daraus die kinetischen Parameter für ein kommerzielles Cellulasepräparat abgeleitet. Ebenso wurde der Einfluss des pH-Werts auf die Cellulaseaktivität untersucht, wobei das ermittelte pH-Optimum den vom Hersteller angegebenen Werten entsprach. Des Weiteren wurde die BioLector-Technologie zur Differenzierung verschiedener, gereinigter Cellulasetypen (Cellobiohydrolasen, Endoglucanasen) eingesetzt.
Die BioLector-Technologie ermöglicht eine umfassende, biochemische Charakterisierung und Differenzierung von hydrolytischen Enzymen bei Verwendung nativer, ungelöster Substrate. Somit ist ein Screening und Vergleich verschiedener Biokatalysatoren im Hochdurchsatz möglich. Die potenziellen Limitierungen und Aktivitätsverluste während der Hydrolyse können mit dem Verfahren untersucht werden und eine gezielte Auswahl an optimalen Biokatalysatoren und Prozessparametern ist schließlich erreichbar.