Náttúrufræðingurinn - 2013, Blaðsíða 81

81
Tímarit Hins íslenska náttúrufræðifélags
sterkja) og flóknum lífmassa er
sýnd á 2. mynd. Ger sveppurinn
er einnig þeim takmörk unum
háður að villigerð hans getur ekki
brotið niður þær fjölmörgu gerðir
pentósa sykra sem eru til stað ar í
flóknum lífmassa. Augu manna
hafa því beinst að því að nota
bakteríur í stað gersveppa og þá
sérstaklega hitakærar bakteríur.
Slíkar bakteríur geta brotið niður
mun fleiri tegundir af sykrum en
gersveppurinn, eins og t.d. pentósa
á borð við arabinósa og xýlósa.5,6,7
Ætla mætti að nýtingin við
gerjunina myndi aukast fyrir vikið
en sá galli er við slíka framleiðslu
að nýt ing in er ekki jafnóð og
hjá ger svepp um. Við gerjun ger-
sveppsins á glúkósa í etanól er
nýtingin mjög góð samkvæmt
eftirfarandi efna jöfnu:
1 C6H12O6 + 2 H2O → 2 C2H5OH + 2 HCO3- + 2H+
Samkvæmt þessu fást tvö
mól af etanóli úr hverju móli af
hexósa. Þetta er þó ekki alveg
rétt því svepp urinn notar hluta
hvarfefnisins til viðhalds og vaxtar
og einnig myndast örlítið af öðrum
loka afurð um eins og t.d. glýseróli.8
Hámarks nýting í gersveppagerjun
er því talin um 1,9 mól etanól/mól
hexósa. Bakteríur er takmarkandi
að því leyti að þær fram leiða aðrar
gerjunarafurðir (edik sýru, smjör-
sýru, mjólkursýru) auk etanóls og
koltvísýrings sem leiðir til minni
nýtni.5,6,7,9 Sem dæmi þá er bakt-
erí an Thermoanero bacterium AK17
með eftirfarandi efnajöfnu14:

1 C6H12O6 + 3 H2O → 1,5 C2H5OH + 0,5 CH3COO-
+ 1 H2 + 2 HCO3
- + 2H+
Hins vegar geta hitakærar bakt-
erí ur nýtt sér fleiri sykrur en ger-
sveppir og eru því álitlegur kostur
þegar flókinn lífmassi er not að ur
sem hráefni. Nýting baktería í
etanólframleiðslu úr hexósum er oft
á bilinu 0,8 til 1,5 mól-etanól/mól
hexósu og 0,6 til 1,3 mól-etanól/mól
pentósu.5,6,7,9,10
Hitakærar bakteríur hafa oft
mjög breitt hvarfefnasvið og hafa
þess vegna verið rannsakaðar m.t.t.
etanólframleiðslu úr flóknum líf-
massa á síðari árum. Auk þessa
eigin leika þá eru hitakærar bakteríur
mjög þolnar gegn margvíslegu
umhverfisáreiti eins og lágu eða
háu sýrustigi og styrk brennisteins-
efnasambanda.7 Hins vegar er ljóst
að engin ein örvera er til í dag sem
hefur alla þá kosti sem þarf til að
framleiða etanól úr flóknum líf-
massa. Hitakærar bakteríur hafa
t.d. minna þol gegn etanóli en ger-
sveppir og þola mun minni upp-
hafs styrk af sykrum við gerjun-
ina.11,12,13 Hugsanlega mætti þó
rækta hitakærar bakteríur í sírækt
við það hátt hitastig að hægt væri
að nota s.k. sjálfeimingu (e. self-
distillation).
Ljóst er á síðustu 30 árum að
margar áhugaverðar hitakærar
bakteríur geta framleitt etanól með
góðum heimtum. Oftast er um að
ræða tegundir sem tilheyra ætt-
kvísl um Thermoanaerobacter, Thermo-
anaerobacterium og Clostridium. Í
þessari yfirferð er farið í þá lífefna-
fræðilegu ferla sem hitakærar bakt-
erí ur nota við etanólframleiðslu,
helstu ættkvíslir sem og heimtur
etanóls, bæði úr sykrum og flóknum
lífmassa. Sérstök grein er gerð fyrir
bakteríum sem hafa verið einangr-
að ar og rannsakaðar úr hverum á
Íslandi.
Framleiðsla á etanóli
með gerjun
Algengast er að bakteríur framleiði
etanól með gerjun sykra þó svo að
sumar geti notað önnur hvarfefni
eins og t.d. amínósýrur. Mynd 3
sýn ir hefðbundið gerjunarferli hjá
bakteríum þegar glúkósi er hvarf-
efni. Glúkósi er brotinn niður í
pýru v at með glýkólýsu (EMP) sem
er umbreytt í acetyl-CoA og áfram í
acetaldehyde og etanól með ensím-
unum acetaldehyde dehydrogenase
og alcohol dehydrogenase.7 Ger-
svepp ir nota einnig glýkólýsu en
brjóta pýruvat beint í acetaldehyde
með pyruvate decarboxylase í
stað þess að fara í acetyl-CoA sem
milliefni. Það að fara í acetyl-CoA
gefur bakteríum möguleika á að
framleiða ediksýru og fá þannig
auka orku í formi ATP í stað þess
að framleiða etanól.7 Bakteríur geta
einn ig framleitt aðrar afoxaðar
af urð ir eins og smjörsýru og
mjólkur sýru úr pýruvati og hafa
því mun fjölbreyttari gerjunarferla
en gersveppir.5,6,7,9 Mjög mismun-
andi er hvaða afurðir eru fram-
leidd ar hverju sinni og er háð bæði
1. mynd. Sýnir á skematískan hátt einfaldar byggingareiningar lignósellulósa (lignín,
sellulósa og hemisellulósa) og aðskilnað þeirra með formeðhöndlun. – Simplified structure
of components of lignocellulose (lignin, cellulose and hemicellulose) and its separation with
pretreatment.