Fremstilling af xylitol og cellulose nanofibre af papirpasta – mod et grønt og bæredygtigt samfund

Den økologiske bioproduktion af xylitol og cellulose nanofibre ved hjælp af modificerede gærceller, fra materiale produceret af papirindustrien er opnået af et japansk forskerhold. Denne opdagelse kan bidrage til udviklingen af ​​et grønnere og mere bæredygtigt samfund. Resultaterne blev offentliggjort den 4. marts, i Grøn Kemi .

Forskningen blev udført af en gruppe ledet af adjunkt Gregory Guirimand-Tanaka, Professor Tomohisa Hasunuma og professor Akihiko Kondo fra Graduate School of Science, Technology and Innovation og Engineering Biology Research Center ved Kobe University.

I sin indsats for at udvikle innovative processer for at opnå et bæredygtigt samfund, Professor Kondo har fokuseret på en række bio-forbindelser såsom xylitol, et meget værdifuldt råvarekemikalie, som er meget udbredt i både fødevare- og medicinalindustrien (f.eks. som sukkererstatning i tyggegummi).

Professor Kondos gruppe er også interesseret i innovative nanomaterialer såsom cellulose nanofibre, som giver et enormt økonomisk potentiale på grund af egenskaberne af nanocellulose (mekaniske egenskaber, filmdannende egenskaber, viskositet osv.), og betydelige anvendelser i fødevarer, hygiejne, absorberende, medicinsk, kosmetiske og farmaceutiske produkter.

Den verdensomspændende efterspørgsel efter både xylitol og cellulose nanofibre vokser konstant, og omkostningerne og miljøpåvirkningen af ​​deres industrielle produktion er fortsat meget høj.

Den industrielle produktion af xylitol og cellulose nanofibre fra henholdsvis renset D-xylose og cellulosefibre involverer dyre og forurenende processer. For at løse disse problemer og realisere et bæredygtigt og miljøbevidst samfund, vi skal gøre brug af vedvarende biomasse som papirpasta (Kraftmasse) og udvikle innovative processer.

Bioteknologisk produktion af xylitol og cellulose nanofibre ved hjælp af kraftmasse, stammer fra papirindustrien, kunne være en fordelagtig mulighed, da dette materiale er rigeligt, indeholder rimelige mængder (17%) af D-xylose, og kan omdannes til meget værdifulde råvareforbindelser og nanomaterialer.

For at frigive D-xylose indeholdt i Kraft pulp, Vi skal normalt tilføje en stor mængde kommercielle enzymer (CE), som er meget dyre. Derfor, vi besluttede at bruge mikroorganismer som modificeret gær, som er i stand til selv at producere disse enzymer, for at reducere den oprindeligt nødvendige mængde CE. De udviklede modificerede gærceller bærer disse enzymer direkte på deres egen celleoverflade, og vi kalder denne strategi "celleoverfladedisplay"-teknologi.

I dette studie, xylitol og cellulose nanofibre blev co-produceret fra Kraft pulp ved at bruge en modificeret stamme af bagegær (Saccharomyces cerevisiaeYPH499 stamme), der udtrykker tre forskellige enzymer (β-D-glucosidase (BGL), xylosidase (XYL) og xylanase (XYN)) vises sammen på celleoverfladen.

Ved at bruge denne strategi, vi var ikke kun i stand til at producere xylitol og cellulose nanofibre, men også for betydeligt at øge renheden af ​​selve cellulosen og omkostningseffektiviteten af ​​processen ved at reducere mængden af ​​CE, der oprindeligt kræves (figur 1).

Sidst men ikke mindst, vores team var i stand til at udføre disse eksperimenter i større volumener ved at bruge 2-liters krukkefermentorer, sætter os i stand til yderligere at opskalere bioraffinaderi industriel produktion af xylitol og cellulose nanofibre fra Kraft pulp (figur 2).

Baseret på disse resultater, holdet vil fortsætte med at lede efter måder at øge den bæredygtige bioproduktion af xylitol og cellulose nanofibre gennem genteknologi af gærceller.