Αξιολόγηση της δυναμικής της συγκαλλιέργειας Saccharomyces Cerevisiae και Scheffersomyces Stipitis
Τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων του κόσμου μας εξαντλούνται. Οι περισσότεροι από τους κυβερνητικούς φορείς χρηματοδοτούν την έρευνα και την ανάπτυξη εναλλακτικών ορυκτών καυσίμων, όπως βιοαλκοολών, βιοντίζελ, κ.λπ., κατά προτίμηση που παράγονται με χρήση πράσινης τεχνολογίας. Η αιθανόλη, μια αλκοόλη, παράγεται με ζύμωση σακχάρων χρησιμοποιώντας μικροοργανισμούς όπως μαγιά ή βακτήρια. Οι πηγές σακχάρων περιλαμβάνουν καλλιέργειες τροφίμων (ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι, σιτάρι κ.λπ.) και λιγνοκυτταρινικά υπολείμματα καλλιεργειών (ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι, άχυρο σίτου, άχυρο ρυζιού , κ.λπ.).
Η παραγωγή αιθανόλης από καλλιέργειες τροφίμων είναι πολύ απλή και δεν περιλαμβάνει διαδικασίες έντασης ενέργειας ή κόστους. Ωστόσο, η εκτροπή της ανθρώπινης τροφής στην παραγωγή καυσίμων είναι ηθικά λάθος. Αντίθετα, τα γεωργικά υπολείμματα είναι διαθέσιμα σε αφθονία και μάλιστα καίγονται σε βαθμό σοβαρής ατμοσφαιρικής ρύπανσης στις περισσότερες πολιτείες της Βόρειας Ινδίας. Το μόνο εμπόδιο για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας λιγνοκυτταρινικής αιθανόλης είναι το τεράστιο κόστος παραγωγής της, που συνεισφέρει από την πολυπλοκότητα της διαδικασίας.
Οι λιγνοκυτταρίνες αποτελούνται από λιγνίνη, κυτταρίνη, ημικυτταρίνη, ανόργανα και εκχυλιστικά υλικά. Η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη αποτελούν τα σάκχαρα, τα οποία μπορούν να υδρολυθούν και να ζυμωθούν σε αιθανόλη. Αλλά η λιγνίνη περικλείει τα υδρολυόμενα σάκχαρα, καθιστώντας τα μη διαθέσιμα για την επακόλουθη μετατροπή της σε αιθανόλη. Επομένως, η μετατροπή των λιγνοκυτταρινών σε αιθανόλη περιλαμβάνει τέσσερα στάδια:(α) Προεπεξεργασία, όπου ο δεσμός μεταξύ λιγνίνης και υδρολυόμενων σακχάρων χαλαρώνει. (β) Σακχαροποίηση/υδρόλυση, όπου απελευθερώνονται απλούστερα σάκχαρα όπως γλυκόζη, ξυλόζη κ.λπ. από την κυτταρίνη και την ημικυτταρίνη. γ) Ζύμωση, όπου τα σάκχαρα που απελευθερώνονται από την υδρόλυση ζυμώνονται σε αιθανόλη από μικροοργανισμούς. και (δ) Καθαρισμός, όπου η αιθανόλη που έχει υποστεί ζύμωση καθαρίζεται για να βελτιωθεί η ποιότητά της.
Σύμφωνα με την έκθεση IRENA, το στάδιο της ζύμωσης από μόνο του αποτελεί το 23% του κόστους εξοπλισμού και το 16% του συνολικού κόστους. Η υδρόλυση των προεπεξεργασμένων λιγνοκυτταρινών απελευθερώνει σάκχαρα έξι και πέντε άνθρακα (εξόζες όπως η γλυκόζη και πεντόζες όπως η ξυλόζη). Μαγιά Baker’s, δηλαδή Saccharomyces cerevisiae , δεν είναι σε θέση να ζυμώσει τις πεντόζες φυσικά. Επομένως, υπάρχει η ανάγκη για άλλη μαγιά, όπως Scheffersomyces stipitis , ή ένα βακτήριο, όπως Zymomonas mobilis , για τη ζύμωση πεντόζων και ως εκ τούτου τη βελτίωση της απόδοσης αιθανόλης.
Η χρήση δύο ή περισσότερων μικροοργανισμών για την αποτελεσματική μετατροπή των σακχάρων είναι περίπλοκη λόγω των ποικίλων μεταβολικών μοτίβων, των συνθηκών καλλιέργειας, της συμπεριφοράς και των αλληλεπιδράσεων τους. Για παράδειγμα, S. cerevisiae παράγει αιθανόλη απουσία οξυγόνου (αναερόβια κατάσταση), ενώ το S. στιπίτιδα απαιτεί ελάχιστες συγκεντρώσεις οξυγόνου (μικροαερόφιλη κατάσταση). Παρουσία οξυγόνου, S. cerevisiae εκτρέπει το μεταβολισμό του για την αύξηση της κυτταρικής βιομάζας του. Σ. στιπίτιδα έχει την ικανότητα να ζυμώνει και εξόζες και πεντόζες. Οι εξόσες ακολουθούνται από πεντόζες και επομένως ανταγωνίζονται το S. cerevisiae για την κατανάλωση εξόζες. Για αυτούς τους λόγους, είναι δύσκολο να προβλέψουμε τι θα συμβεί όταν S. cerevisiae και S. στιπίτης συγκαλλιεργούνται.
Η εργασία «Μαθηματική μοντελοποίηση, προσομοίωση και επικύρωση για συνζύμωση γλυκόζης και ξυλόζης από Saccharomyces cerevisiae και Scheffersomyces stipitis» δημοσιεύτηκε στο Biomass and Bioenergy τον Μάρτιο του 2018, περιγράφει την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων για την πρόβλεψη των συγκεντρώσεων σακχάρων, αιθανόλης, S. cerevisiae, και S. στιπίτιδα κατά τη συγκαλλιέργεια αυτών των ζυμών. Αυτά τα μοντέλα έχουν αναπτυχθεί από το μοντέλο Monod — το απλούστερο μαθηματικό μοντέλο για την πρόβλεψη του ρυθμού ανάπτυξης των μικροοργανισμών.
Σε αυτή τη μελέτη, αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα λαμβάνοντας υπόψη το S. stipitis’ την εξάρτηση του ρυθμού ανάπτυξης από τη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου, επιπλέον των άλλων παραδοχών όπως περιγράφονται στο έγγραφο. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις και πειράματα ταυτόχρονα για τον υπολογισμό γνωστών και άγνωστων κινητικών παραμέτρων. Τα μοντέλα επικυρώθηκαν στατιστικά με διεξαγωγή t-test και αξιολόγηση δεικτών συμφωνίας. Ο δείκτης συμφωνίας του Willmott για τα μοντέλα που προβλέπουν τα προφίλ συγκέντρωσης του S. cerevisiae, S. stipitis , η γλυκόζη, η ξυλόζη, η αιθανόλη και το οξυγόνο ήταν 0,867, 0,929, 0,980, 0,995, 0,910 και 0,850, αντίστοιχα, ικανοποιώντας τα κριτήρια για «πολύ υψηλή» συμφωνία μεταξύ των προβλεπόμενων από το μοντέλο και των πειραματικών τιμών.
Πειράματα ζύμωσης πραγματοποιήθηκαν σε συνθετικά μέσα που περιείχαν γλυκόζη και ξυλόζη. Αυτά τα μοντέλα μπορούν να τροποποιηθούν και να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της δυναμικής της καλλιέργειας κατά την παραγωγή λιγνοκυτταρινικής αιθανόλης. Μια γραφική περίληψη της μελέτης δίνεται παρακάτω.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Mathematical modeling, simulation and validation for co-fermentation of glucose and xylose by Saccharomyces cerevisiae and Scheffersomyces stipitis, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Biomass and Bioenergy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Siddhi Sreemahadevan, Varsha Singh, Pradip Kumar Roychoudhury και Shaikh Ziauddin Ahammad από το Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Δελχί.
