Exploring pretreatment with ionic liquids for enzymatic cellulose hydrolysis

Engel, Philip Wolfram; Spieß, Antje (Thesis advisor)

Aachen : Pro Business (2012, 2013)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die effiziente Hydrolyse von Cellulose, als Hauptbestandteil pflanzlicher Biomasse, ist entscheidend für die wirtschaftliche Produktion von Biokraftstoffen der 2. und 3. Generation. Die enzymatische Hydrolyse ermöglicht die selektive Umsetzung von Cellulose zu Glucose bei moderaten Reaktionsbedingungen. Die Effizienz der enzymatischen Cellulosehydrolyse ist maßgeblich durch die widerstandsfähige und hochorganisierte Struktur der Cellulose limitiert. Daher wird Cellulose vorbehandelt, um die Zugänglichkeit für die Cellulasen zu erhöhen. Zur Cellulosevorbehandlung können ionische Flüssigkeiten als neuartige Lösungsmittel eingesetzt werden. Einige sind in der Lage, Cellulose aufzulösen und so die komplexe Cellulosestruktur vollständig zu öffnen. Die gelöste Cellulose lässt sich durch die Zugabe von Wasser ausfällen und die so regenerierte Cellulose weist eine stark veränderte amorphe Partikelstruktur mit großen Poren auf, wodurch die Zugänglichkeit der Celluloseketten für die enzymatische Hydrolyse deutlich erhöht wird. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Reaktionsrate. Es wurde die heterogene enzymatische Hydrolyse von ungelöster, regenerierter Cellulose mit kommerziellen Cellulasen untersucht. Dabei wurde analysiert, wie Restmengen von ionischer Flüssigkeit aus der Vorbehandlung sich auf die Cellulasen auswirken. Die ionische Flüssigkeit reduzierte zwar die Aktivität der Cellulasen, jedoch bei erhaltener Stabilität. Daher konnte regenerierte Cellulose auch mit Restmengen von ionischer Flüssigkeit schneller hydrolysiert werden. Die Ausbeuten waren jedoch verringert. Daher wurde die Mischung der Cellulasen für die Hydrolyse von regenerierter Cellulose mit einem semi-empirischen Modell optimiert. Die Ausbeute konnte dadurch erfolgreich um 10% Punkte erhöht werden. Eine noch effizientere Hydrolyse der Cellulose innerhalb von 5 h wurde durch eine Kombination von chemischer und enzymatischer Hydrolyse erreicht. Neben der heterogenen Cellulosehydrolyse, wurde auch die homogene Hydrolyse von in ionischen Flüssigkeiten gelöster Cellulose untersucht. Da bisher bei hohen Konzentrationen an ionischer Flüssigkeit (>80% (v/v)) noch nie Cellulaseaktivität gemessen wurde, mussten zunächst zwei unabhängige Messmethoden entwickelt werden, um die Cellulaseaktivität zu quantifizieren. Mit einer neuartigen Cellulase aus dem extremophilen Archaeon Sulfolobus solfataricus konnte so erstmals eine Cellulaseaktivität auf gelöster Cellulose in nahezu reiner ionischer Flüssigkeit gemessen werden. Dadurch wurde gezeigt, dass die homogene Hydrolyse von in ionischer Flüssigkeit gelöster Cellulose grundsätzlich möglich ist. Für ein verbessertes ganzheitliches Verständnis der Cellulosehydrolyse wurde ein mechanistisches Modell für die Hydrolyse gelöster Cellulose entwickelt. Mit Hilfe von Populationsbilanzen wurden dabei die Veränderungen der Cellulose-Polymerkettenlängenverteilung im Laufe der Hydrolyse abgebildet. Dieser Modellierungsansatz wurde zunächst für das Beispiel einer chemischen Cellulosehydrolyse eingesetzt und eine Parameterschätzung durchgeführt. Im Anschluss wurden verschiedene Modelle der homogenen enzymatischen Cellulosehydrolyse entwickelt und Parametervariationen durchgeführt, um die Einflussfaktoren der homogenen enzymatischen Cellulosehydrolyse zu charakterisieren. Um zukünftig die Cellulosehydrolyse noch besser charakterisieren und mit dem Populationsbilanzmodell verknüpfen zu können, wurde eine neue Methode zur Messung von Cellulosekettenlängenverteilungen entwickelt. Diese Methode vereinfacht die Probenvorbereitung und ermöglicht daher deutlich schneller Cellulosekettenlängenverteilungen mit Gelpermeationschromatographie zu messen. Mit dieser Methode war es möglich, die Kettenlängenverteilungen im Laufe der enzymatischen Hydrolyse von verschiedenen Cellulosetypen sowie regenerierter Cellulose zu messen. Dabei könnte ein deutlicher Einfluss der Cellulosevorbehandlung auf die Hydrolyseaktivität der Enzyme gezeigt werden. Mit den hier vorgestellten Ergebnissen wurden wesentliche neue Erkenntnisse zum besseren Verständnis der durch ionische Flüssigkeiten vorbehandelter Cellulosehydrolyse erarbeitet. Damit sind wichtige Schritte hin zu einem vollständigen mechanistischen Cellulasemodell erfolgt, um die enzymatische Cellulosehydrolyse für unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden zu optimieren und so eine wirtschaftlich effiziente Umsetzung von Cellulose in Bioraffinerien zu ermöglichen.

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