Hefen spielen eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung („Fermentierung“) von Zucker aus Pflanzen in Ethanolkraftstoff. Aber nicht alle Hefen sind gleich. Einige sind bessere Fermenter als andere, weil sie die harten Bedingungen der Bioreaktoren, in denen sie verwendet werden, tolerieren können.
Clavispora NRRL Y-50464 ist eine solche Hefe.
Ein Team von Wissenschaftlern des Agricultural Research Service (ARS) am National Center for Agricultural Utilization Research der Agentur in Peoria, Illinois, verwendete ein mikrobiologisches Standardverfahren namens „adaptive Laborevolution“, um den robusten Hefestamm zu erzeugen, der in Tests den Industriestandard übertraf. Saccharomyces cerevisiae.
Maisstärke ist seit langem eine führende Quelle für einfachen Zucker, der als sauberer verbrennende Alternative zu Benzin zu Ethanolkraftstoff fermentiert werden kann. Es gibt jedoch viele konkurrierende Verwendungen für den vielseitigen Rohstoff, was Forscher und Kraftstoffhersteller dazu veranlasst, sich auf alternative Quellen zu konzentrieren – darunter mehrjährige Gräser, Nebenprodukte der Forstwirtschaft und Ernterückstände wie Reisstroh und Maisstroh.
Um zu diesen Zuckern zu gelangen, müssen die „Steine und Mörtel“ der Pflanzenzellen – Zellulose und Lignin (alias Lignozellulose) – zunächst mit Enzymen oder verdünnten Säuren abgebaut werden. Dabei entstehen jedoch Furfural und andere chemische Nebenprodukte, die für die Hefen schädlich sind und ihre Fähigkeit beeinträchtigen, aus Lignozellulose freigesetzten Zucker zu fermentieren.
Glücklicherweise ist Clavispora NRRL Y-50464 keine gewöhnliche Hefe.
Der Stamm ist der zäheste der zähen, der von den Forschern aus einer natürlichen Population von Clavispora-Hefen ausgewählt wurde, die ursprünglich auf süßem Sorghum wuchsen. Diese Zähigkeit umfasst Hitzetoleranz, schnelles Wachstum und die Fähigkeit, schädliche Nebenprodukte wie Furfural zu entgiften, während Ethanol produziert wird. Der Hefestamm stellt auch seine eigene Beta-Glucosidase her, ein Enzym, das den Abbau von einfachen Zuckern wie Glucose aus Lignocellulose katalysiert, damit sie zu Ethanol fermentiert werden können. Dies eliminiert die Notwendigkeit, Beta-Glucosidase hinzuzufügen, „und senkt die Enzymkosten der Zellulose-Ethanol-Produktion“, erklärte Z. Lewis Liu, ein Molekularbiologe (im Ruhestand), früher bei der Bioenergie-Forschungseinheit des ARS-Zentrums in Peoria.
Das ist eine ziemlich große Sache – so sehr, dass ARS den Hefestamm für die Verwendung in Lignozellulose-basierten Ethanol-Produktionssystemen patentieren ließ, deren Enzymkosten typischerweise zehnmal so hoch sind wie die von Stärke-basierten.
Laborversuche, die von Liu, dem ARS-Chemieingenieur Bruce Dien und ihren Mitarbeitern durchgeführt wurden, belegen den Superstar-Status des Hefestamms als Fermenter von Zuckern aus lignozellulosereichen Quellen wie Reisstroh und Maisstroh (was sich auf die ungeernteten Stängel, Blätter der Maispflanze bezieht). , Schalen und Kolben).
In Flaschen-, Becherglas- und Bioreaktorversuchen mit einem Zwei-in-Eins-Schritt namens „gleichzeitige Verzuckerung und Fermentation“ übertraf Clavispora NRRL Y-50464 gentechnisch veränderte Saccharomyces-Hefestämme.
Höhepunkte der Ergebnisse, die kürzlich in der veröffentlicht wurden Internationale Zeitschrift für Mikrobiologie enthalten:
Liu sagte, dass, obwohl die Clavispora-Hefe nicht alle Arten von einfachen Zuckern fermentiert, die aus Lignozellulosequellen erhältlich sind, sie dennoch das Potenzial hat, die Kosten der Ethanolproduktion zu senken. Darüber hinaus könnte die genetische Ausstattung hinter der einzigartigen Kombination von Merkmalen der Hefe wichtige Hinweise zur Verbesserung der Verwendung anderer mikrobieller Stämme in lignozellulosebasierten Ethanolproduktionssystemen liefern. Der Schlüssel, fügte Liu hinzu, werde entscheidende verfahrenstechnische Verbesserungen an den jetzt verwendeten Bioreaktoren vornehmen, einschließlich ihrer Fähigkeit, die Zellulosemischung mit hohen Mengen an fermentierbaren Feststoffen zu rühren.
Z. Lewis Liu et al, Herstellung von Zellulose-Ethanol unter Verwendung einer doppelt funktionellen neuartigen Hefe, Internationale Zeitschrift für Mikrobiologie (2022). DOI: 10.1155/2022/7853935