Lignocellulose Conversion: Enzymatic and Microbial Tools for Bioethanol Production

بیواتانول به عنوان یک جایگزین بالقوه برای سوخت های حمل و نقل مشتق شده از نفت شناخته شده است. حتی اگر زیست توده سلولزی ارزانتر از ذرت و نیشکر باشد، هزینه های بالاتر برای تبدیل آن باعث می شود که قیمت اتانول سلولزی در کوتاه مدت بالاتر از اتانول ذرت و حتی بیشتر از اتانول نیشکر باشد. فرآیند مرسوم برای تولید بیواتانول از لیگنوسلولز شامل یک پیش تصفیه شیمیایی/فیزیکی لیگنوسلولز برای حذف لیگنین است که عمدتاً بر اساس هیدرولیز خودکار و هیدرولیز اسیدی است و به دنبال آن بخش‌های سلولزی آزاد زیست توده در دسترس است. بیشترین بازده قندهای قابل تخمیر از بخش سلولز با استفاده از هیدرولیز آنزیمی به دست می آید که در حال حاضر با استفاده از ترکیبی از سلولازهای قارچ Trichoderma reesei انجام می شود. کاهش هزینه های تولید (همی) سلولازها برای افزایش رقابت تولید بیواتانول نسل دوم به شدت مورد نیاز است. مرحله نهایی تخمیر قندهای بدست آمده از ساکاره سازی است که معمولاً توسط مخمر ساکارومایسس سرویزیه انجام می شود. فرآیند فعلی برای تخمیر قندهای 6 کربنه بهینه شده است، زیرا اکثر مخمرها نمی توانند قندهای 5 کربنه را تخمیر کنند. بنابراین، تحقیقات با هدف بررسی توانایی های مخمرهای مهندسی شده جدید برای تخمیر قندهای 5 و 6 کربنی انجام می شود. در میان راه های اصلی برای پیشبرد اتانول سلولزی، تثبیت پردازش زیستی، یعنی تبدیل مستقیم زیست توده به اتانول توسط میکروب های اصلاح شده ژنتیکی، پتانسیل فوق العاده ای برای کاهش هزینه های تولید اتانول دارد. در نهایت، استفاده از تمام اجزای لیگنوسلولز برای تولید طیف وسیعی از محصولات مبتنی بر زیست، چالش دیگری برای بهبود رقابت بیشتر تولید اتانول زیستی نسل دوم، توسعه یک پالایشگاه زیستی است.

Bioethanol has been recognized as a potential alternative to petroleum-derived transportation fuels. Even if cellulosic biomass is less expensive than corn and sugarcane, the higher costs for its conversion make the near-term price of cellulosic ethanol higher than that of corn ethanol and even more than that of sugarcane ethanol. Conventional process for bioethanol production from lignocellulose includes a chemical/physical pre-treatment of lignocellulose for lignin removal, mostly based on auto hydrolysis and acid hydrolysis, followed by saccharification of the free accessible cellulose portions of the biomass. The highest yields of fermentable sugars from cellulose portion are achieved by means of enzymatic hydrolysis, currently carried out using a mix of cellulases from the fungus Trichoderma reesei. Reduction of (hemi)cellulases production costs is strongly required to increase competitiveness of second generation bioethanol production. The final step is the fermentation of sugars obtained from saccharification, typically performed by the yeast Saccharomyces cerevisiae. The current process is optimized for 6-carbon sugars fermentation, since most of yeasts cannot ferment 5-carbon sugars. Thus, research is aimed at exploring new engineered yeasts abilities to co-ferment 5- and 6-carbon sugars. Among the main routes to advance cellulosic ethanol, consolidate bio-processing, namely direct conversion of biomass into ethanol by a genetically modified microbes, holds tremendous potential to reduce ethanol production costs. Finally, the use of all the components of lignocellulose to produce a large spectra of biobased products is another challenge for further improving competitiveness of second generation bioethanol production, developing a biorefinery.