Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass : effect of metal ions
Hemminki, Lotta (2022)
2022
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202202152506
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202202152506
Tiivistelmä
Tämän opinnäytetyön päätavoitteena oli löytää metalli-ioni/ioneja, jotka tehostaisivat sellullaasientsyymiin lisättynä sokereiden, erityisesti glukoosin, vapautumista lignoselluloosasta. Työssä käytettiin seitsemää eri metalli-ionia, jotka vaikuttavat hydrolyyttiseen entsyymiin nimeltä MetZyme®SUNOTM. Tilaajana oli MetGen Oy, joka kehittää innovatiivisia ratkaisuja biomassan hyödyntämiseen jalostetuissa tuotteissa.
Käytännön osassa käytettiin kiteytettyä selluloosaa Avicelia ja yksittäisiä entsyymien aktiivisuustestejä mallina parhaiten glukoosituotantoa aktivoivien metalli-ionien löytämiseksi. Kun parhaat metalli-ionit löydettiin, materiaaleiksi valittiin liukoselluloosamassa, joka on puhdas substraatti, ja teollinen massa, joka on kemiallinen massa ja sisältää monia muita epäpuhtauksia. Lopulta valittiin viimeinen materiaali, teollinen vehnän olki, joka on myös kemiallinen massa. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavassa 250 ml:n pulloissa, joista kerättiin näytteitä 48 tunnin hydrolyysin jälkeen ja analysoitiin ne HPLC:llä vapautuneen sokerimäärän selvittämiseksi.
Työ paljasti metalli-ionin, joka näyttää aktivoivan glukoosin tuotantoa. Lisäksi todettiin, että glukoosin tuotantoon ei ole olemassa vain yhtä todellista metalli- ionia, koska eri metalli-ionit aktivoivat erilaisia materiaaleja. Myös EDTA, jolla on kyky kompleksoida tai kelatoida metalli-ioneja, lisäsi entsyymin aktiivisuutta ja siten paransi glukoosin vapautumista lignoselluloosasta. The main goal of this thesis was to find metal ion/ions which would enhance the release of sugars, especially glucose, from lignocellulose by the hydrolysis of cellulase enzyme. In this study, the effect of seven different metal ions were tested on the hydrolysis efficiency of the on basic hydrolytic enzyme cocktail MetZyme®SUNOTM. MetGen Oy, the commissioner of the thesis, creates innovative solutions for biomass utilization for high value products.
In the practical part, microcrystalline cellulose Avicel® was used as reference substrate and hydrolysis was conducted with MetZyme®SUNOTM cocktail with monoactivity to find the metal ions that activated the best glucose production. After the best performing metal ions had been found, dissolving pulp, which is a pure cellulose substrate, and an industrial pulp, which is a chemical pulp that contains many other impurities, were selected as testing materials. In addition, as the final substrate, industrial wheat straw pulp, which is a chemical pulp, was used. The tests were made on a laboratory scale in 250 ml flasks from which samples were collected after 48h hydrolysis and analyzed with HPLC to determine the released sugar amount.
Based on the conducted work, a metal ion was identified that appears to enhance glucose production with all the substrates tested. In addition, it was observed that the effect of different metal ions on the hydrolysis performance was dependent on the type of the substrate. Also EDTA, which has an ability to complex or chelate metal ions, was shown to enhance the activity of the enzyme and thus improving the release of glucose from lignocellulose.
Käytännön osassa käytettiin kiteytettyä selluloosaa Avicelia ja yksittäisiä entsyymien aktiivisuustestejä mallina parhaiten glukoosituotantoa aktivoivien metalli-ionien löytämiseksi. Kun parhaat metalli-ionit löydettiin, materiaaleiksi valittiin liukoselluloosamassa, joka on puhdas substraatti, ja teollinen massa, joka on kemiallinen massa ja sisältää monia muita epäpuhtauksia. Lopulta valittiin viimeinen materiaali, teollinen vehnän olki, joka on myös kemiallinen massa. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavassa 250 ml:n pulloissa, joista kerättiin näytteitä 48 tunnin hydrolyysin jälkeen ja analysoitiin ne HPLC:llä vapautuneen sokerimäärän selvittämiseksi.
Työ paljasti metalli-ionin, joka näyttää aktivoivan glukoosin tuotantoa. Lisäksi todettiin, että glukoosin tuotantoon ei ole olemassa vain yhtä todellista metalli- ionia, koska eri metalli-ionit aktivoivat erilaisia materiaaleja. Myös EDTA, jolla on kyky kompleksoida tai kelatoida metalli-ioneja, lisäsi entsyymin aktiivisuutta ja siten paransi glukoosin vapautumista lignoselluloosasta.
In the practical part, microcrystalline cellulose Avicel® was used as reference substrate and hydrolysis was conducted with MetZyme®SUNOTM cocktail with monoactivity to find the metal ions that activated the best glucose production. After the best performing metal ions had been found, dissolving pulp, which is a pure cellulose substrate, and an industrial pulp, which is a chemical pulp that contains many other impurities, were selected as testing materials. In addition, as the final substrate, industrial wheat straw pulp, which is a chemical pulp, was used. The tests were made on a laboratory scale in 250 ml flasks from which samples were collected after 48h hydrolysis and analyzed with HPLC to determine the released sugar amount.
Based on the conducted work, a metal ion was identified that appears to enhance glucose production with all the substrates tested. In addition, it was observed that the effect of different metal ions on the hydrolysis performance was dependent on the type of the substrate. Also EDTA, which has an ability to complex or chelate metal ions, was shown to enhance the activity of the enzyme and thus improving the release of glucose from lignocellulose.