Artikel ini secara kritis mengkaji beberapa teknologi fermentasi etanol dari bahan baku gula dan

pati, terutama aspek-aspek kunci yang telah diabaikan atau disalahpahami. Dibandingkan dengan

Saccharomyces cerevisiae, hasil etanol dan produktivitas Zymomonas mobilis lebih tinggi,

karena biomassa kurang diproduksi dan laju metabolisme glukosa yang lebih tinggi

dipertahankan melalui jalur khusus Entner-Doudoroff. Namun, karena spektrum substrat spesifik

serta undesirability biomassa untuk digunakan sebagai pakan hewan, spesies ini tidak dapat

dengan mudah menggantikan S. cerevisiae dalam produksi etanol. Model-model steady state

kinetik dikembangkan untuk fermentasi etanol terus menerus menunjukkan beberapa perbedaan,

membuat mereka tidak cocok untuk memprediksi dan mengoptimalkan proses industri. Perilaku

dinamis dari fermentasi etanol terus menerus oleh gravitasinya tinggi atau kondisi gravitasi yang

sangat tinggi telah diabaikan, yang perlu ditangani dalam rangka untuk lebih meningkatkan

konsentrasi etanol final dan menghemat konsumsi energi. Etanol adalah metabolit primer khas

yang produksinya terkait erat dengan pertumbuhan sel-sel ragi, menunjukkan ragi harus

diproduksi sebagai co-produk. Secara teknis, imobilisasi sel ragi dengan material pendukung,

terutama oleh gel entrapments, tidak diinginkan untuk produksi etanol, karena tidak hanya

terdapat pertumbuhan sel-sel ragi terkendali, tetapi juga sel-sel ragi perlahan-lahan tumbuh sulit

untuk dihilangkan dari sistem . Selain itu, biaya tambahan dari konsumsi material pendukung,

potensial kontaminasi dari beberapa material pendukung untuk kualitas pakan ternak co-produk,

dan kesulitan dalam pengendalian kontaminasi mikroba semua membuat sel-sel ragi amobil

secara ekonomi tidak dapat diterima. Sebaliknya, diri imobilisasi sel ragi melalui flokulasinya

secara efektif dapat mengatasi kelemahan ini.

1. Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, babak baru antusiasme dalam biomassa dan bioenergi telah

dimulai dengan pengakuan bahwa cadangan minyak mentah global minyak terbatas, dan

pengurangannya terjadi jauh lebih cepat daripada yang diperkirakan sebelumnya. Selain itu,

kerusakan lingkungan akibat konsumsi berlebihan dari produk yang berasal dari minyak bumi,

terutama bahan bakar transportasi, mengancam keberlanjutan masyarakat manusia. Etanol, baik

terbarukan dan ramah lingkungan, diyakini menjadi salah satu alternatif terbaik, yang

menyebabkan peningkatan drastis dalam kapasitas produksinya. Gambar. 1 menggambarkan

peningkatan perkembangan produksi etanol di Amerika Serikat sejak 1980. Seperti dapat dilihat,

total kapasitas produksi 4,89 miliar gallon dicapai pada tahun 2006, mewakili peningkatan treble

dibandingkan dengan 1,63 miliar galon

pada tahun 2000. Negara-negara lain, seperti Cina dan India, adalah

mengikuti tren ini. Pembangunan Nasional dan

Komisi Reformasi dari Republik Rakyat Cina

dimulai Bahan Bakar Etanol Cina Program Nasional di

2002. Tiga besar pabrik ethanol bahan bakar dengan total tahunan

kapasitas produksi 1,2 juta ton telah disetujui

setelah itu, dan dioperasikan pada tahun 2005.

Untuk seperti produk massal, perbaikan, terutama

dalam teknologi utama fermentasi, akan

ekonomis sangat menarik. Dalam prakteknya, R & D di

fermentasi etanol, terutama menggunakan lignoselulosa

biomassa untuk menggantikan gula saat ini dan bahan baku pati,

tidak pernah terputus sejak guncangan minyak mentah

minyak krisis pada 1970-an, kecuali perlambatan

1980 dan 1990 ketika harga minyak mentah lebih rendah,

dan prospek ekonomi bahan bakar ethanol tampaknya

kurang menjanjikan.

Saat ini, pasokan etanol global diproduksi

terutama dari bahan baku gula dan pati. Meskipun

Iogen, sebuah perusahaan Kanada yang terletak di Ottawa, didirikan

pilot plant tahun 2002, yang dapat memproses 25 ton

jerami gandum per minggu dan dengan demikian, menghasilkan

320.000 liter etanol per tahun (www.iogen.ca), yang

prospek etanol lignoselulosa, seperti Bungay (2004)

kemudian memprediksi, masih ekonomis bermasalah. Ini

artikel yang berfokus pada fermentasi etanol

teknologi dari bahan baku gula dan pati, kritis

meninjau beberapa teknis utama dan ekonomi

tantangan.

2. Mikroorganisme untuk produksi etanol

Di antara banyak mikroorganisme yang telah dimanfaatkan

untuk etanol, Saccharomyces cerevisiae produksi

masih tetap sebagai spesies utama. Zymomonas

mobilis juga telah intensif dipelajari selama masa lalu

tiga dekade dan berulang kali diklaim oleh beberapa peneliti

untuk menggantikan S. cerevisiae dalam produksi etanol,

karena jenis ini memiliki beberapa "sifat-sifat unggul"

dibandingkan dengan yang Saccharomyces rekan S..

2.1. Saccharomyces cerevisiae

Meskipun banyak peneliti mempelajari fermentasi etanol

dengan S. cerevisiae, dalam beberapa kasus kurangnya

pengakuan jalur metabolisme yang menyebabkan pendekatan

bahwa tidak mungkin untuk menghasilkan perbaikan yang signifikan. Itu

utama metabolisme jalur yang terlibat dalam fermentasi etanol

adalah glikolisis (Embden-Meyerhof-Parnas atau

EMP jalur), di mana satu molekul

glukosa dimetabolisme, dan dua molekul piruvat

diproduksi (Madigan et al, 2000.), seperti digambarkan pada

Gambar. 2.

Dalam kondisi anaerobik, piruvat adalah lebih lanjut

direduksi menjadi etanol dengan merilis CO2. Secara teoritis,

hasilnya adalah 0,511 untuk etanol dan 0,489 untuk CO2

secara massa glukosa dimetabolisme. Dua ATP

diproduksi dalam glikolisis yang digunakan untuk mendorong

biosintesis sel ragi yang melibatkan suatu varietas

energi yang membutuhkan bioreactions. Oleh karena itu, etanol

produksi erat dengan pertumbuhan ragi sel,

yang berarti ragi harus diproduksi sebagai produk-co.

Tanpa konsumsi terus menerus dari ATP oleh

pertumbuhan sel-sel ragi, metabolisme glikolitik dari

glukosa akan terganggu dengan segera, karena

intraseluler akumulasi ATP, yang menghambat

fosfofruktokinase (PFK), salah satu yang paling penting

regulasi enzim dalam glikolisis itu. Ini sangat dasar

prinsip bertentangan dengan fermentasi etanol dengan

ragi sel amobil dengan bahan pendukung,

terutama oleh entrapments gel, yang secara fisik

membatasi sel ragi dan secara signifikan menghambat mereka

pertumbuhan.

Selain etanol dan CO2, berbagai oleh-produk

juga diproduksi selama fermentasi etanol. Gliserol,

memproduksi pada tingkat sekitar 1,0% (b / v) untuk sebagian

fermentasi etanol, adalah yang utama. Lebih tinggi pH mash, peningkatan tekanan osmotik, fluks

yang lebih rendah karena piruvat

dengan pemanfaatan intermediet glikolisis berikutnya

ke langkah dalam jalur memproduksi NAD dikurangi untuk

biosintesis semua dapat merangsang konversi dihidroksiaseton

fosfat untuk gliserol (Ingledew, 1999).

Lain-produk seperti asam organik dan lebih tinggi

alkohol diproduksi di tingkat yang jauh lebih rendah. Itu

produksi ini oleh-produk serta pertumbuhan

sel ragi pasti mengarahkan beberapa intermediet glikolisis

untuk jalur metabolisme yang sesuai,

menurunkan hasil etanol sampai batas tertentu. Dalam

industri, hasil etanol yang dihitung berdasarkan

gula total makan ke dalam sistem fermentasi tanpa

dikurangi sisa gula dapat mencapai 90 -

93% dari nilai teoritisnya etanol menjadi glukosa

(Ingledew, 1999). Oleh karena itu, sisa gula harus

dikendalikan pada tingkat yang sangat rendah. Sebagai contoh, tidak lebih

dari 2 gl-1 dan 5 gl-1 dikendalikan untuk sisa

mengurangi gula dan gula total, masing-masing, di

produksi etanol dari bahan pati. Setiap etanol

penelitian fermentasi yang diharapkan untuk menjadi praktis

perlu menanggung kriteria tersebut.

Selama fermentasi etanol, sel ragi menderita

berbagai tekanan. Beberapa lingkungan seperti nutrisi

kekurangan suhu, tinggi dan kontaminasi,

sementara yang lain berasal dari metabolisme sel ragi seperti

sebagai akumulasi etanol dan inhibisi yang sesuai

pada pertumbuhan sel ragi dan produksi etanol, terutama

bawah kondisi gravitasi yang sangat tinggi (VHG) yang

akan dibahas kemudian. Gambar. 3 meringkas beberapa

menekankan. Banyak dari mereka yang sinergis, mempengaruhi ragi

sel lebih parah daripada salah satu tunggal, yang menyebabkan

mengurangi viabilitas ragi dan semangat serta etanol yang lebih rendah

menghasilkan.

2.2. Zymomonas mobilis

Z. mobilis adalah, anaerob gram negatif bakteri

yang memproduksi etanol dari glukosa melalui Entner-

Doudoroff (ED) jalur bersama dengan enzim

piruvat dekarboksilase (PDC) dan alkohol dehidrogenase

(ADH) (Conway, 1992), seperti digambarkan pada

Gambar. 4. Mikroorganisme ini awalnya ditemukan pada

fermentasi gula yang kaya tanaman Sap, mis dalam tradisional

minuman pulque Meksiko, anggur telapak Afrika tropis,

atau pematangan madu (Ayunan dan deley, 1977).

Dibandingkan dengan jalur EMP dari S. cerevisiae,

yang melibatkan pembelahan fruktosa-1, 6-bifosfat

oleh Aldolase bisphosphate fruktosa untuk menghasilkan satu

setiap molekul dari glyceraldehydes-3-fosfat dan dihidroksiaseton

fosfat, jalur ED membentuk

gliseraldehida-3-fosfat dan piruvat oleh

pembelahan 2-keto-3-deoksi-6-phosphogluconate oleh

2-keto-3-deoksi-glukonat Aldolase, menghasilkan hanya satu

molekul ATP per molekul glukosa. Sebagai akibatnya,

Z. mobilis menghasilkan biomassa kurang dari S.

cerevisiae, dan lebih karbon disalurkan untuk etanol

fermentasi. Dilaporkan bahwa hasil etanol

Z. mobilis bisa setinggi 97% dari teoritis

menghasilkan etanol menjadi glukosa (Sprenger, 1996), sementara

hanya 90-93% dapat dicapai untuk S. cerevisiae. Juga,

sebagai konsekuensi dari hasil ATP rendah, Z. mobilis

mempertahankan fluks glukosa metabolisme yang lebih tinggi, dan

Sejalan, menjamin produktivitas etanol yang lebih tinggi,

biasanya 3-5 lipatan lebih tinggi dari

S. cerevisiae (Sprenger, 1996).

Meskipun keunggulan ini, Z. mobilis tidak cocok

untuk produksi etanol industri. Pertama, ini

spesies memiliki spektrum substrat sangat spesifik termasuk

hanya tiga gula: D-glukosa, D-fruktosa, dan

sukrosa. Pertumbuhannya pada sukrosa disertai dengan

ekstraseluler pembentukan fruktosa oligomer (Levan)

dan sorbitol, dengan penurunan yang signifikan dalam etanol yang

menghasilkan (Sprenger, 1996), sehingga tidak cocok untuk

produksi etanol dari tetes tebu. Karena bisa

efektif fermentasi glukosa hanya dalam hidrolisat dari

pati bahan, gula tidak lain seperti sukrosa,

fruktosa dan maltosa terbentuk dalam memasak dan

saccharifying, juga tidak cocok untuk etanol

produksi dari bahan pati. Fermentasi etanol

industri tidak dapat menggunakan glukosa murni sebagai baku

bahan seperti banyak peneliti lakukan di laboratorium mereka

studi. Kedua, meskipun Z. mobilis umumnya

dianggap aman (GRAS) (Lin dan Tanaka, 2006), yang

biomassa adalah tidak umum diterima untuk digunakan sebagai

pakan ternak, yang pasti menghasilkan masalah

untuk pembuangan biomassa jika menggantikan S. cerevisiae dalam produksi etanol industri.

Dan akhirnya,

etanol fermentasi sinambung dengan Z. mobilis cenderung

menjadi berosilasi (Daugulis et al, 1997;.. McLellan et al,

1999). Meskipun osilasi ini dapat memperbaiki

tekanan diberikan pada spesies seperti hambatan

oleh etanol dan gula, dan meningkatkan etanol

produktivitas dari sistem fermentasi, mereka juga

risiko peningkatan gula residu rata-rata, dan

Sejalan, menurunkan hasil etanol.

Dengan mempertimbangkan kelemahan ini, beberapa penyelidikan

melibatkan fermentasi etanol dengan

Z. mobilis tampaknya salah arah, meskipun tentu ilmiah

bunga. Beberapa peneliti yang menyimpulkan ini

spesies akan menggantikan S. cerevisiae cenderung terlalu optimis

dalam penilaian mereka.

3. Kinetika dan desain proses

Teori kinetik dan model adalah dasar yang sangat untuk

proses desain, optimasi dan operasi pabrik. Namun,

aplikasi teknik ini dalam etanol

fermentasi sebagian besar masih kualitatif daripada

kuantitatif. Beberapa alasan yang dibahas di berikut

bagian.

3.1. Stabil atau seketika kinetika

Hal ini juga diketahui bahwa etanol adalah penghambatan baik

ragi pertumbuhan sel dan produksi etanol. Juga, etanol

adalah metabolit primer yang produksinya adalah erat

ditambah dengan pertumbuhan sel-sel ragi. Dalam beberapa penelitian kinetik awal, Aiba et al.

(1968) melaporkan mereka

Hasil pada tahun 1960, di mana fermentasi chemostat

sistem didirikan dan media dengan awal

glukosa konsentrasi 10 dan 20 gl-1 diberi makan

ke dalam sistem fermentasi pada tingkat pengenceran berbeda.

Etanol ditambahkan ke dalam fermentor untuk mencapai

ditunjuk etanol konsentrasi untuk menyelidiki

mereka hambatan pada pertumbuhan ragi sel dan etanol

produksi, karena etanol yang diproduksi oleh sel ragi pada

ini konsentrasi glukosa terlalu rendah dalam konsentrasi

menjadi penghambatan. Kinetika model berikut

diusulkan dan berkorelasi secara eksperimental mereka

data.

l ¼ l0e? K1P S

KS Þ S

ð1Þ

m ¼ m0e? K2P S

K *

S

Þ S

ð2Þ

di mana μ dan ν adalah kurs tertentu untuk pertumbuhan sel ragi

dan etanol produksi, subskrip "0" menyumbangkan tidak

penghambatan etanol, KS dan KS adalah konstanta Monod ⁎

untuk pertumbuhan sel ragi dan fermentasi etanol, S adalah

membatasi konsentrasi gula, p adalah konsentrasi etanol,

dan k1 dan k2 adalah konstanta.

Meskipun etanol efek penghambatan ini tercermin dalam

Model Aiba itu, model ini memprediksi bahwa konsentrasi etanol

bisa mendekati tak terhingga sebelum pertumbuhan ragi dan sel

produksi etanol benar-benar terhambat, yang muncul

tidak masuk akal. Di sisi lain, ketika terus menerus

fermentasi etanol dioperasikan pada tingkat pengenceran rendah,

terutama ketika medium yang mengandung konsentrasi gula rendah

digunakan, S gula konsentrasi membatasi kemungkinan

menjadi tidak terdeteksi. Dengan kondisi tersebut, spesifik

Exchange untuk pertumbuhan ragi sel dan produksi etanol

diprediksi oleh Pers. (1) dan (2) adalah nol, yang juga

salah karena kaldu yang mengandung sel-sel ragi dan etanol

terus diproduksi dalam praktek. Model ini memiliki

telah banyak dikutip sejak mereka diusulkan, dengan sedikit

diskusi untuk kekurangan struktural mereka.

Sebuah ekspresi kinetik beberapa lainnya juga telah

disarankan, seperti model linier (Holzberg et al.

1967) dan model parabola (Bazua dan Wilke,

1977). Namun, kedua kelompok model kinetik

yang sangat terbatas pada kondisi percobaan di

yang mereka berkorelasi. Berdasarkan pekerjaan ini,

Levenspiel (1980) lebih lanjut mengusulkan nonlinier umum

persamaan untuk menjelaskan pengaruh etanol.

Di tengah tahun 1980, Luong (1985) diringkas

kemajuan penelitian di kinetika inhibisi etanol,

dan menunjukkan bahwa penghambatan pertumbuhan sel oleh ragi

etanol adalah non-kompetitif, mirip dengan non-kompetitif

enzimatik reaksi. Model kinetik bawah telah

diusulkan dan model parameter α dan β diperoleh

melalui percobaan fermentasi batch yang

etanol eksternal ditambahkan ke dalam fermentasi

sistem, mirip dengan pendekatan yang digunakan oleh Aiba et al. (1968).

l

l0

¼ 1? P

Pm

? ?

sebuah

ð3Þ

m

m0

¼ 1? P

PVM

? ?

b

ð4Þ

mana Pm dan 'Pm adalah konsentrasi etanol di mana

ragi pertumbuhan sel dan produksi etanol benar-benar

menghambat, dan α dan β adalah parameterswhich model dapat

dievaluasi oleh data eksperimen.

Beberapa peneliti melaporkan bahwa etanol eksternal ditambahkan

kurang toksik dibandingkan etanol yang diproduksi oleh sel ragi

selama fermentasi (Nagodawithana dan Steinkraus,

1976; Ferreira, 1983), sementara yang lain percaya bahwa

penghambatan efek etanol, apakah ditambahkan atau diproduksi,

adalah sama karena permeabilitas yang sangat baik dari

ragi sel membran menjadi etanol (Guijarro dan Lagunas,

1984). Namun adalah lebih baik yang dapat diandalkan kinetik

model yang dikembangkan di bawah kondisi fermentasi nyata

di mana gravitasi menengah (HG) tinggi digunakan,

dan konsentrasi etanol yang tinggi dicapai dengan fermentasi

bukan dengan penambahan eksternal.

Selain etanol, konsentrasi penghambatan sel ragi

ditemukan menjadi inhibitor lain ketika sangat

konsentrasi biomassa yang tinggi dicapai melalui sel

imobilisasi atau daur ulang bubur ragi terkonsentrasi

dengan filtrasi membran atau sentrifugasi. Lee dan

Chang (1987) membentuk fermentasi etanol terus menerus

sistem digabungkan dengan unit membran untuk mempertahankan

ragi sel, dan model kinetik untuk pertumbuhan sel ragi

dan produksi etanol yang berkorelasi dengan sel ragi

konsentrasi. Mereka ekstrapolasi dan memperoleh maksimal

ragi konsentrasi 255 (DCW) g l-1 dan

640 g (DCW) l-1, masing-masing, di mana sel ragi

pertumbuhan dan produksi etanol-benar terhambat.

Porto dkk. (1987) juga meneliti dampak

konsentrasi sel ragi pada produksi etanol dalam

fermentasi mirip dengan Chang, dan eksponensial sistem

korelasi antara produksi etanol spesifik

rate dan konsentrasi sel ragi didirikan.

Sayangnya, seperti konsentrasi tinggi sel ragi

tidak dapat dicapai dalam industri ini, membuat penelitian

dengan penggunaan praktis kecil.

Meskipun beberapa peneliti mengamati bahwa maksimum

etanol konsentrasi di mana pertumbuhan sel ragi

benar-benar menghambat berbeda dengan yang di...

produksi etanol yang benar-benar terhambat,

tidak ada penjelasan yang masuk akal sampai Groot et al.

(1992a, b) memperkenalkan konsep pemeliharaan ke

etanol fermentasi. Mereka mengusulkan bahwa etanol adalah

terus diproduksi sampai konsentrasi maksimum

Kapak pm 'didekati, di mana produksi etanol adalah

benar-benar terhambat. Ini terjadi pada etanol lebih tinggi

konsentrasi dari Pmax di mana pertumbuhan sel ragi adalah

benar-benar menghambat (Pm 'kapak NPmax). Mereka selanjutnya diperoleh

hubungan kuantitatif antara konsumsi substrat,

etanol produksi dan pemeliharaan melalui

percobaan fermentasi sinambung dijalankan pada berbagai

pengenceran tingkat menggunakan media dengan glukosa awal

konsentrasi berkisar 120 gl-1-280 gl-1.

Dengan demikian, konsentrasi etanol yang berbeda dicapai

melalui fermentasi bukan dengan menambahkan etanol

ke dalam sistem fermentasi. Cara pengobatan ini lebih

masuk akal, tetapi belum banyak diakui

tanggal.

Penghambatan substrat ini tidak diperhitungkan dalam

Itu Aiba dan model Luong, maupun dalam pekerjaan Groot.

Dengan demikian, model ini secara signifikan dapat menyimpang dari

industri situasi dimana inhibisi substrat berpotensi

terjadi, terutama ketika gravitasi tinggi (HG) atau

Media VHG digunakan untuk mencapai etanol tinggi

konsentrasi.

Inhibisi substrat merupakan fenomena umum di

fermentasi lainnya, dan terjadi ketika konsentrasi substrat

melebihi tingkat regangan yang tergantung. Andrews

(1968) umum karya Boon dan Laudelout

(1962) dalam oksidasi nitrit dengan Nitrobacter

winogradskyi, mempelajari dampak dari inhibisi substrat

pada kultur batch dan kontinyu, dan mendirikan

kinetik model Persamaan. (5):

l ¼ Lmax

S

KS Þ Þ S S2 = KI

ð5Þ

mana KI adalah inhibisi substrat konstan. Numerik,

KS dan KI yang setara dengan yang terendah dan tertinggi

substrat konsentrasi, masing-masing, di mana khusus

pertumbuhan μ tingkat sama dengan satu setengah maksimal

laju pertumbuhan spesifik μmax.

Para kinetik penyelidikan yang melibatkan inhibisi substrat

dalam fermentasi etanol, terutama dalam genus

dari S. cerevisiae, sangat terbatas, mungkin karena

sakarifikasi dan fermentasi serentak secara luas

digunakan dalam produksi etanol dari bahan pati,

dimana inhibisi substrat tidak signifikan sejak

gula yang dikonsumsi oleh sel ragi segera setelah itu

dirilis dan konsentrasi gula rendah dipertahankan

dalam sistem fermentasi. Namun, untuk etanol

produksi dari tetes tebu, inhibisi substrat

lebih mungkin, karena konsentrasi gula yang tinggi di awal

medium.

Dibandingkan dengan S. cerevisiae, penyelidikan lebih

telah dilakukan pada kinetika Z. mobilis. Di satu

tangan, spesies ini, sebagai alternatif etanol produksi,

ditemukan relatif terlambat di awal tahun 1960. Di

sisi lain, sejak saat itu telah sangat diantisipasi sebagai

potensi industri spesies untuk produksi etanol, menggantikan

S. cerevisiae, karena fermentasi jauh lebih cepat

rate dan hasil etanol yang lebih tinggi dari perusahaan ED

jalur lawan jalur EMP di S. cerevisiae,

seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4. Namun, spesies ini tidak

ekonomi kompetitif dengan S. cerevisiae karena

substrat yang sempit spektrum dan masalah untuk perusahaan

biomassa pengobatan, seperti dibahas dalam Bagian 2.2.

Dalam studi tentang fermentasi etanol dengan

Z. mobilis, glukosa merupakan sumber karbon saja. Di

memesan untuk mencapai konsentrasi etanol yang lebih tinggi,

HG sedang digunakan, yang pasti dihasilkan substrat

inhibisi. Huang dan Chen (1988) meneliti

perilaku kinetik Z. mobilis dalam proses curah

menggunakan media HG berisi 200 g l-1

glukosa, dan mendirikan model kinetik ditandai

oleh kedua substrat dan hambatan produk. Di

Selain itu, karena Z. mobilis dapat mentolerir suhu yang lebih tinggi

dari S. cerevisiae, dampak suhu terhadap

kinerja kinetiknya juga diselidiki (Stevsborg

et al, 1986;. Fieschko dan Humphrey, 1983).

3.2. Proses dinamika

Semua kinetik model saat ini tersedia untuk etanol

fermentasi dengan S. cerevisiae adalah steady state untuk

terus menerus fermentasi atau sesaat untuk batch

proses. Meski menyebutkan goyah dan osilasi adalah

fenomena umum dalam sistem biologi, dan banyak

studi di osilasi dari jalur glikolisis di S.

cerevisiae telah dilaporkan, hanya ada beberapa

laporan osilasi gula, etanol dan biomassa

dalam fermentasi etanol terus menerus dengan

S. cerevisiae (Borzani, 2001;. Bai et al, 2004a). Untuk

kaskade sistem fermentasi terdiri dari 4-6 fermentor

dalam industri, sisa gula, etanol dan ragi

konsentrasi dalam fermentor utama depan melakukan berosilasi

atas dan ke bawah sekitar level rata-rata mereka, tetapi ini

osilasi secara bertahap dibasahi sebagai fermentasi

kaldu melewati fermentor belakang, dan benar-benar

dilemahkan dalam fermentor terakhir. Sebuah lebih lama

waktu fermentasi rata-rata diperlukan untuk mencapai

osilasi atenuasi. Sebagai contoh, 50-70 h adalah

umumnya diperlukan untuk mencapai ethanolconcentration akhir hanya 10-12% (v / v), tetapi

mempertahankan

sisa mengurangi dan gula total tidak lebih dari 2 gl-1

dan 5 gl-1, masing-masing, untuk fermentasi etanol

dari bahan pati, jika tidak ada sentrifugal digunakan untuk

memisahkan dan mendaur ulang sel-sel ragi.

Dalam kasus osilasi, dinamis, bukan mantap

kinetika negara diminta untuk menjelaskan, memprediksi dan mengoptimalkan

proses yang sesuai fermentasi. Sebuah mekanistik

analisis adalah prasyarat untuk berkembang seperti

jenis model kinetik dinamis. Meskipun ada

banyak penyelidikan yang melibatkan osilasi dalam

terus menerus budaya S. cerevisiae (Patnaik, 2003),

pola osilasi diamati dalam etanol terus menerus

fermentasi dengan Saccharomyces S. dan Z. mobilis adalah

signifikan berbeda dari yang diamati pada terus menerus

aerobik budaya S. cerevisiae, dan mekanisme

memicu osilasi ini juga berbeda

(Bai et al, 2004a.).

Jöbses dkk. (1986) menganalisis osilasi berkelanjutan

dalam konsentrasi biomassa, etanol dan glukosa dalam

fermentasi kontinyu etanol dengan Z. mobilis,

dan menunjukkan bahwa kemungkinan teoritis

suatu sistem osilasi adalah tanggapan tertunda

Z. mobilis menjadi etanol produk hambat. Sebuah tertunda

penghambatan bisa dibayangkan jika inhibitor tidak bertindak

langsung di fermentasi dan dengan demikian dengan sendirinya

produksi, tetapi tidak langsung pada apa yang ditambah dengan nya

produksi, seperti etanol yang pertama menghambat pertumbuhan

bakteri atau sel-sel ragi yang erat dengan nya

produksi.

Untuk sistem etanol fermentasi dinamis,

penghambatan etanol meliputi dua aspek: sejarah

etanol konsentrasi dan tingkat konsentrasi etanol

berubah. Li et al. (1995) dirancang etanol mereka

fermentasi percobaan, dan mengungkapkan bahwa tingkat

etanol konsentrasi perubahan, terutama ke atas

perubahan tingkat, penghambatan jauh lebih kuat daripada yang diberikan

sejarah konsentrasi etanol, yaitu waktu yang dialami

pada konsentrasi etanol tertentu. Selain itu,

mereka mengembangkan model dinamis menggabungkan ini

waktu tunda dan memprediksi perilaku osilasi dari

Z. mobilis (Daugulis et al, 1997;.. McLellan et al, 1999).

Tidak ada pekerjaan serupa yang tersedia sampai saat ini untuk terus menerus

etanol fermentasi dengan S. cerevisiae.

3.3. Intraselular metabolisme dinamika

Metabolisme adalah dinamis, dan beberapa mekanisme

melibatkan dinamika glikolitik dan osilasi

beberapa metabolit menengah telah dijelaskan

(Madsen et al, 2005;. Richard, 2003). PFK dengan nya

alosterik regulasi, khususnya yang inhibisi substrat

oleh ATP, ditunjukkan sebagai sumber glikolitik

perilaku dinamis dalam sel ragi, dan disebut "para

oscillophore "dalam penelitian awal (Ghosh dan Keberuntungan,

1964). Dasar kesimpulan ini adalah aplikasi khusus

dari teorema crossover (Turun et al, 1958.),

di mana titik kontrol enzimatik dari glikolitik

jalur diidentifikasi sebagai enzim tersebut dengan

yang terbesar fase pergeseran antara substrat dan

produk. Kerja eksperimental dari Hess (1979) lebih lanjut

didukung kesimpulan ini. Dari sudut kontemporer

pandang, ini teorema crossover pada analisis

osilasi glikolitik tampaknya terlalu sederhana dan lemah. Namun,

regulasi alosterik dari PFK tidak memberikan kunci

kontrol dalam regulasi dinamis dari seluruh glikolitik

jalur dalam S. cerevisiae (Boiteux et al, 1975.;

Yuan et al, 1990.).

Betz dan Chance (1965) juga melaporkan fase

hubungan dari intermediet glikolisis dalam ragi

sel. Selain komponen ditunjukkan oleh Ghosh

dan Chance (1964), fosfat dan dihidroksiaseton

piruvat juga diberi label pada titik-titik cabang di

jaringan glikolitik, dimana fluks melalui

cabang tergantung pada ketersediaan NADH (untuk

gliserol 3-fosfat dehidrogenase reaksi dalam kasus ini

dihidroksiaseton fosfat, dan untuk ADH

reaksi dalam kasus piruvat), menunjukkan kompleksitas

dari dinamika glikolisis dan keberadaan

situs kontrol lebih dari PFK saja.

Kontrol terdistribusi adalah mekanisme lain yang menarik.

Orang bisa berharap bahwa osilasi, fluks dan konsentrasi

perubahan dalam glikolisis dalam sel ragi adalah

sistemik properti, yang ditentukan oleh interaksi yang

antara konstituen intraseluler. Oleh karena itu,

PFK jelas bukan satu-satunya bagian dari jaringan mengerahkan

mengontrol pada sifat dinamis glikolitik. Berdasarkan

fase sudut dari intermediet glikolisis, Hynne

et al. (2001) menunjukkan pentingnya piruvat

kinase, pasangan enzim: kinase phosphoglycerate

dan glyceraldehydes-3-fosfat dehidrogenase

(GAPDH), heksosa transportasi kinetika, dan glikolitik

ATP stoikiometri. Loop umpan balik redoks terdiri

dari jumlah kekal NAD + dan NADH telah menerima

perhatian, karena memainkan peran kunci dalam asetaldehida berbasis

mekanisme, yang diyakini bertanggung jawab atas

aktif sinkronisasi osilasi antara individu

ragi sel. Asetaldehida bertindak sebagai substrat

untuk ADH, NADH menghasilkan etanol dan oksidasi untuk

NAD +. NAD diubah + / NADH rasio kemudian memodulasi

fase osilasi melalui reaksi GAPDH

(Richard et al, 1996;. Wolf et al, 2000.).

Meskipun telah ada kemajuan begitu banyak penelitian

dalam menjelaskan mekanisme dari glikolitik

96 F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105

dinamika dalam sel ragi, jembatan antara ilmiah

wawasan dan aspek rekayasa etanol

fermentasi adalah hampir tidak tersedia, misalnya,

intrinsik hubungan antara metabolit intraseluler

dan ekstraseluler substrat dan produk. Ini

membuat fermentasi etanol proses desain dan tanaman

operasi, untuk sebagian besar, tergantung pada pengetahuan

bukan pemahaman ilmiah mendasar.

3.4. Proses desain

Sebagaimana dibahas di atas, kinetika fermentasi etanol

ditandai oleh inhibisi produk yang kuat,

terutama di bawah HG dan VHG kondisi fermentasi.

Dalam penghapusan situ etanol tampaknya menjadi cara terbaik untuk

meminimalkan efek ini, meningkatkan laju fermentasi

dan produktivitas (Roffler et al., 1984). Di antara banyak

yang tersedia untuk menghilangkan etanol dari teknologi

fermentasi yang sesuai sistem, kombinasi dari

pervaporasi dan fermentasi telah banyak diselidiki

(Ikegami et al, 2002;. Groot et al, 1992a, b.).

O'Brien dan Craig (1996) dan O'Brien et al. (2000)

menganalisis kelayakan ekonomi pervaporasi kopling

dengan fermentasi etanol dengan membandingkannya dengan

pabrik penggilingan kering etanol khas, dan menunjukkan bahwa

biaya untuk proses fermentasi-pervaporasi adalah

jauh lebih tinggi. Selain itu, masalah membran

fouling, saat menangani mash fermentasi dengan tinggi

konsentrasi residu bahan baku padat, juga besar

masalah (Vane, 2005), membuat teknologi ini tidak praktis

untuk digunakan dalam produksi etanol kering penggilingan bahan bakar.

Mungkin, itu bisa menjadi pilihan untuk proses basah-penggilingan

di mana residu bahan yang paling baku dipisahkan sebelum

fermentasi, dan cairan daripada bubur bubur

dimasukkan ke dalam fermentor. Namun, fluks dari

pervaporasi membran tersedia saat ini masih belum

cukup tinggi untuk realistis memenuhi etanol besar

produksi kapasitas basah-penggilingan proses. Di

Selain itu, membran fouling oleh sel ragi bisa

masalah lain yang perlu ditangani.

Fermentasi vakum juga dapat menurunkan etanol

konsentrasi di dalam fermentor, dan teknologi ini

dikembangkan untuk fermentasi etanol

dengan S. cerevisiae serta mobilis Z. di tahun 1970 dan

1980 (Cysewski dan Wilke, 1977; Ghose et al, 1984.;

Lee et al, 1981.). Namun, juga tidak praktis untuk

etanol fermentor, dengan volume kerja mereka dari

ratusan sampai ribuan meter kubik, untuk dioperasikan

pada kondisi vakum signifikan. Biaya modal untuk

tangki pembuatan dan konsumsi energi untuk menjaga

kondisi vakum cenderung ekonomis

tidak dapat diterima.

Dalam pendekatan lain dalam penghapusan etanol situ, Taylor

et al. (2000) mengevaluasi operasi pabrik percontohan kecil di

yang fermentasi etanol ditambah dengan

pengupasan kolom dan kondensor. Etanol dilucuti oleh

dengan daur ulang CO2 dalam kolom stripping, dan CO2

diperkaya dengan etanol dilewatkan melalui kondensor

dimana etanol diserap oleh encer beredar

kondensat etanol. Kering-penggilingan jagung tumbuk yang mengandung

309 gl-1 padat kering terus dimasukkan ke dalam

fermentor dengan laju aliran 3,36 kg h-1, dan etanol

konsentrasi di dalam fermentor diturunkan menjadi 48 g

l-1, menghasilkan fermentasi meningkat secara signifikan

tingkat. Para mengandung kondensat 257 g l-1 etanol

dipompa keluar dari sistem pada laju alir 0,879 kg h-1.

Sementara itu, mash fermentasi yang mengandung 48 gl-1

etanol juga dipompa keluar dari sistem pada kecepatan aliran

dari 2,8 kg h-1, pencampuran dengan mengandung kondensat

270 gl-1 etanol, untuk menjaga keseimbangan massa

fermentasi sistem. Campuran dengan etanol lebih rendah

konsentrasi didestilasi, membuat distilasi

memproses masih sangat intensif energi. Kerugian lain

dari sistem ini adalah kompleksitas desain prosesnya

dan operasi, meskipun penelitian lebih lanjut dapat menyebabkan

beberapa perbaikan.

Dalam hal ekonomis teknologi

yang dapat menghapus etanol di situ untuk meringankan etanol

penghambatan tidak tersedia, rekayasa bioreaction

strategi yang dapat mengurangi penghambatan etanol melalui

penurunan backmixing dalam sistem fermentasi

bisa menjadi alternatif. Secara teoritis, batch bioreaktor

(BBR) dan bioreaktor aliran plug (PFBR) adalah yang terbaik

pilihan karena kurangnya backmixing, yang

efektif mengurangi waktu rata-rata-inhibisi produk mereka

(Levenspiel, 1999). Memang, BBRs telah

banyak digunakan di banyak fermentasi etanol konvensional,

terutama pada tanaman dengan produksi kecil

kapasitas. Saat ini, karena secara dramatis meningkatkan

permintaan pasar untuk bahan bakar ethanol, skala yang lebih besar

fermentasi etanol tanaman dengan produksi tahunan mereka

kapasitas beberapa ratus ribu ton sedang

direncanakan, didirikan dan dioperasikan, dimana fermentor

dengan volume yang bekerja di urutan ribuan

meter kubik diperlukan. Sebagai contoh, total 20

fermentor, masing-masing dengan volume kerja 3000 m3,

dibangun untuk pabrik etanol dengan produksi

kapasitas setengah juta ton di Jining, Shandong

Propinsi, Cina Timur, pada tahun 2003. Kerugian dari

BBRs lagi operasional downtime yang dibutuhkan oleh tumbuk

menambahkan, panen kaldu, dan pembersihan fasilitas membuatnya

tidak menarik untuk digunakan dalam fermentasi etanol skala besar

tanaman. Sebagai waktu fermentasi rata-rata 48 -

72 jam biasanya diperlukan untuk mencapai etanol akhir

F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105 97

konsentrasi 10-12% (Bothast dan Schlicher, 2005),

PFBRs dengan tinggi tingkat aliran dangkal juga sulit

untuk merancang dan beroperasi secara efektif.

Teori rekayasa bioreaktor menunjukkan bahwa,

dibandingkan dengan single terus menerus diaduk bioreaktor tangki

(CSTR), sebuah sistem tank-in-seri dapat secara efektif

mengurangi hambatan produk dengan mengurangi keseluruhan

backmixing (Levenspiel, 1999). Bahkan, strategi ini memiliki

dipraktekkan dalam industri fermentasi etanol untuk

bertahun-tahun (Madson dan Monceaux, 1999). Secara umum,

4-6 tangki dalam seri lebih disukai karena seperti desain

cenderung untuk mencapai keseimbangan terbaik antara etanol

fermentasi kinetika dan investasi modal untuk

tangki pembuatan. Untuk fermentasi etanol VHG,

inhibisi produk jauh lebih buruk dari fermentasi biasa,

dan inhibisi substrat juga dapat terjadi.

Pertimbangan khusus yang diperlukan.

4. Mekanisme penghambatan etanol

Sel-sel mikroba terkena etanol Sejalan

menyesuaikan metabolisme intraseluler mereka, dan ini dimanifestasikan

sebagai penghambatan etanol. Tidak hanya sel ragi

pertumbuhan dan produksi etanol dihambat, tetapi juga goyah

negara dan osilasi yang dipicu oleh tertunda

respon sel ragi untuk penghambatan etanol yang diberikan

pada mereka. Memahami mekanisme melalui mana

etanol beracun menghambat sel ragi adalah prasyarat untuk

lebih baik eksploitasi potensi strain juga

seperti untuk optimasi dari proses fermentasi

efektif mengurangi penghambatan etanol.

Penghambatan etanol memiliki beberapa efek dan sangat

rumit. Gambar. 5 menunjukkan beberapa situs mungkin dalam ragi

sel di mana etanol dapat memberikan pengaruh yang signifikan

(D'Amore dan Stewart, 1987).

Beberapa kunci enzim dalam jalur glikolisis ragi

sel, seperti heksokinase dan ADH, dapat dipengaruhi oleh

etanol, dan etanol juga dapat mempengaruhi serapan hara

dan membran potensial dengan mengurangi aktivitas

membran plasma ATPase (Casey dan Ingledew, 1986;

Larue et al, 1984.). Meskipun banyak perbedaan ada

antara studi tentang mekanisme penghambatan etanol,

telah diterima secara umum bahwa

membran dari beberapa organel dan sel adalah utama

target serangan etanol (D'Amore dan Stewart, 1987).

Dalam banyak kasus, penghambatan etanol diperburuk

oleh adanya fermentasi lainnya oleh-produk seperti

sebagai asetaldehida dan asetat, dan tekanan lain seperti

suhu tinggi (Jones, 1989).

Asam lemak, terutama asam lemak tak jenuh seperti

asam palmitoleat (C16: 1) dan asam oleat (C18: 1), merupakan kunci

membran komponen, yang melawan penghambatan etanol

dengan meningkatkan fluiditas membran plasma,

sebagai kompensasi untuk fluiditas menurun sehingga

dari efek etanol. Tingkat kedua tak jenuh

asam lemak diukur lebih tinggi untuk etanol

strain yang toleran, atau meningkat secara signifikan setelah etanol

stres diberikan (Anda et al, 2003.). Mereka disintesis

di S. cerevisiae oleh katalisis dari oxygenand

NADH-dependent desaturase asam palmitat

(C16: 0) dan asam stearat (C18: 0). Oleh karena itu, kecil

jumlah oksigen yang diperlukan untuk sel ragi untuk

Gambar. 5. Kemungkinan sasaran situs untuk penghambatan etanol dalam sel ragi (D'Amore dan

Stewart, 1987).

98 F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105

mensintesis asam lemak tak jenuh di bawah anaerobik

fermentasi kondisi. Bahkan, peran kecil

jumlah pasokan oksigen dalam meningkatkan etanol

toleransi sel ragi diteliti sejak tahun

tahun 1980 (Ryu et al., 1984) dan telah dipraktekkan di

fermentasi etanol industri untuk waktu yang lama. Hal ini

meramalkan bahwa, di bawah kondisi fermentasi VHG, yang

peran seperti "aerasi mikro" dalam meningkatkan etanol

toleransi akan lebih signifikan sejak jauh lebih kuat

penghambatan etanol dapat berkembang.

Trans-membran proton yang mendorong aliran sekunder

transportasi nutrisi banyak telah ditemukan

sensitif terhadap penghambatan etanol. Disipasi dari

proton gradien disebabkan oleh etanol diusulkan menjadi

terlibat dalam kedua peningkatan dari membran plasma

permeabilitas (Pascual dkk., 1988) dan penghambatan

proton yang memompa aktivitas ATPase membran plasma

(Salguerio et al., 1988). Ini karena itu menunjukkan bahwa

plasma membran ATPase adalah protein membran kunci,

aktivitas yang dapat langsung berhubungan dengan

etanol toleransi strain (Cartwright et al., 1987).

Rosa dan Sá-Correia (1992) melaporkan bahwa etanol diaktifkan

membran plasma ATPase dari S. cerevisiae dan

K. marxianus pada tingkat yang lebih rendah, sementara itu diberikan penghambatan

pada tingkat yang lebih tinggi. Jelas, kegiatan yang memadai

dari membran plasma ATPase adalah dasar untuk sel ragi

untuk mempertahankan pH intraselular fisiologis mereka, karena

H + yang dihasilkan selama kebutuhan etanol fermentasi

harus terus dipompa keluar dari sel ragi oleh

proton kekuatan motif didorong oleh ATPase tersebut. Oleh karena itu,

penghambatan etanol dalam fermentasi VHG diharapkan

harus diatasi dengan benar menetralkan lingkungan

H + dan menurunkan gradien H + di

membran ketika membran plasma ATPase adalah

dihambat oleh konsentrasi etanol yang tinggi dan tidak bisa

memberikan cukup kekuatan pendorong untuk mendorong H + keluar.

Nilai pH dari fermentor belakang di kaskade

sistem fermentasi diamati lebih tinggi daripada

orang-orang dari fermentor utama depan. Alasan utama

mungkin peningkatan permeabilitas membran plasma

serta penurunan aktivitas ATPase

disebabkan oleh penghambatan etanol lebih kuat, daripada

oleh metabolisme oleh-produk seperti penyerapan

organik asam yang diproduksi dalam fermentor utama,

yang umumnya diasumsikan pada kondisi yang disebut

penipisan gula dalam fermentor belakang. Di

fermentor ini, konsentrasi etanol mendekati

sampai setinggi 12% (v / v), menyebabkan inhibisi yang sangat kuat

pada sel ragi, sedangkan sisa gula dalam kisaran

dari 0,1-0,2% (b / v) belum sepenuhnya habis.

Memang, mekanisme penghambatan etanol masih

tidak jelas dalam banyak aspek, terutama pada tingkat genetik,

dan penyelidikan di bidang ini sedang berlangsung (Alper

et al, 2006.). Banyak faktor, seperti suhu dan

nutrisi, langsung atau tidak langsung, mempengaruhi penghambatan etanol

efek pada strain yang sama, baik atau memperburuk

mengurangi itu. Banyak strategi telah dan akan terus

untuk dikembangkan.

5. Ragi sel imobilisasi

5.1. Ragi sel imobilisasi menggunakan bahan pendukung

Konsep imobilisasi sel seluruh diusulkan

pada tahun 1970 (Kierstan dan Bucke, 1977), dan

awalnya dikembangkan dari konsep enzim

imobilisasi, dengan tujuan menyederhanakan rumit

bioreactions yang dikatalisis oleh beberapa intraseluler

enzim yang melibatkan kofaktor atau koenzim. Diasumsikan

bahwa sel amobil lebih ekonomis

kompetitif dari enzim terpisah. Namun,

karena sel-sel, baik hidup maupun tidak aktif, jauh lebih

rumit, sel-sel amobil dalam banyak kasus tidak

bekerja seefisien seperti yang diperkirakan. Baru-baru ini, penelitian

kemajuan terkait dengan fermentasi etanol menggunakan

sel ragi amobil telah diperiksa (Kourkoutas et al.

2004; Brányik et al, 2005;. Verbelen et al, 2006)..

Secara teori, sel amobil lebih masuk akal

untuk produksi metabolit sekunder selain untuk

produksi metabolit primer yang erat

dengan pertumbuhan sel. Ketika sel-sel yang bergerak,

pertumbuhan mereka dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti

fisik kendala, deplesi nutrisi dan akumulasi

metabolit beracun karena potensi

perpindahan massa pembatasan. Di sisi lain, perlahan-lahan

sel tumbuh dalam sistem sel amobil adalah

sulit untuk dihapus dari sistem, terutama

ketika sel-sel amobil dengan entrapments gel, salah satu

strategi sel yang paling umum digunakan imobilisasi.

Etanol adalah metabolit primer khas yang produksinya

terkait erat dengan pertumbuhan sel-sel ragi.

Fermentasi etanol tingkat non-pertumbuhan ragi

sel adalah minimal 30 kali lipat lebih lambat dibandingkan dengan pertumbuhan

yang (Ingledew, 1999), karena akumulasi dari

ATP sangat menghambat aktivitas PFK, salah satu kunci

regulasi enzim dalam jalur glikolisis. Banyak

penelitian yang melibatkan fermentasi etanol menggunakan

amobil ragi sel didukung oleh bahan inert,

terutama terperangkap oleh gel, telah dilakukan

dalam tiga dekade terakhir. Namun, tidak ada sukses

kasus telah dilaporkan sejak Nagashima dkk. (1984)

melaporkan percontohan pabrik mereka operasi, di mana sel-sel ragi

diimobilisasi oleh jebakan kalsium alginat gel.

Dari secara metabolik, fermentasi etanol menggunakan

F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105 99

sel-sel ragi bergerak melalui entrapments gel

bukan arah produktif, tetapi baris ini penelitian memiliki

lanjutan (Jamai et al, 2001;. Saraydin et al, 2002.;

Öztop et al, 2003;. Najafpour et al, 2004;. Decamps

et al, 2004.).

Beberapa metode imobilisasi sel ragi, terutama

oleh adsorpsi permukaan, tampaknya lebih masuk akal

dibandingkan dengan jebakan gel, retensi membran, atau

mikroenkapsulasi melalui mana sel-sel ragi yang erat

dibatasi. Ketika sel-sel ragi yang bergerak oleh

adsorpsi permukaan, pertumbuhan mereka tidak secara signifikan terpengaruh,

dan beberapa sel ragi dapat dicuci keluar dari

fermentasi sistem, karena adsorpsi ragi

sel ke permukaan umumnya lemah. Ketika salah satu

penulis (F. Bai) mengunjungi fermentasi etanol molase

pabrik di Provinsi Guangdong, Cina Selatan di

tengah tahun 1990-an, dan menemukan para pekerja di sana

yang menggunakan serat untuk menjebak sel ragi untuk meningkatkan

fermentasi, jelas bahwa jenis sel ragi

teknologi imobilisasi lebih praktis daripada banyak

orang lain. Bahkan, sel-sel ragi untuk sementara amobil

ke permukaan serat, sehingga sel lebih tinggi

kepadatan, tetapi mereka dapat tumbuh dan terus menerus

diperbaharui. Selain itu, bahan pendukung tersebut

mudah dibersihkan dan kontaminasi mikroba dapat secara efektif

dicegah.

Tujuan dari menggunakan sel ragi amobil dalam etanol

fermentasi adalah untuk meningkatkan produktivitas etanol

sistem fermentasi, dan dengan demikian, menurunkan

kebutuhan untuk volume fermentor untuk menyimpan

modal investasi untuk pembuatan fermentor. Sebagai

fermentor yang digunakan untuk produksi etanol umumnya

terbuat dari tingkat rendah baja karbon murah, tanpa

kuat mixer, ini penghematan diproyeksikan ibukota

investasi sebenarnya tidak signifikan, terutama ketika

parameter proses lainnya terganggu. Oleh karena itu,

dapat disimpulkan bahwa tujuan ini tidak mudah dicapai,

baik secara teknis dan ekonomis.

Namun, ketika sel-sel ragi agregat bersama oleh

mereka berhubungan dekat ketika mereka bergerak, ragi

sel dapat memperoleh perlindungan yang jauh lebih baik dari yang keras

dan kondisi etanol menghambat fermentasi. Jirku

(1999) mempelajari S. cerevisiae amobil dengan gel

jebakan, dan menemukan bahwa kebocoran UV menyerap

zat intraseluler secara signifikan menurun,

dibandingkan dengan sel ragi gratis. Lebih lanjut

analisis komposisi membran amobil

sel ragi menunjukkan bahwa asam lemak, fosfolipid,

dan sterol meningkat, dan karena itu lebih baik

perlindungan diberikan untuk sel ragi dalam etanol

tekanan. Desimone dkk. (2002) juga melaporkan bahwa

angka kematian khusus untuk gel immobilisasi sel ragi

turun menjadi sepersepuluh dari yang dari sel ragi gratis,

ketika dua kelompok yang terkena 50% (v / v) etanol

syok selama 15 menit. Baru-baru ini penelitian di etanol

fermentasi menggunakan diri flocculating sel ragi

menunjukkan hasil yang sama (Hu et al., 2005). Etanol

toleransi meningkat secara signifikan ketika ragi

sel diri flocculated dan membentuk gumpalan di milimeter

skala, dibandingkan dengan sel ragi gratis di

mikrometer skala. Tidak hanya merupakan komposisi membran

mengubah dihasilkan dari flokulasi diri, tetapi

peran sinergis potensi sel-sel ragi juga memberikan kontribusi

terhadap peningkatan etanol toleransi. Ini

temuan penelitian baru menunjukkan potensi

amobil sel ragi dalam mencapai etanol lebih tinggi

konsentrasi dalam fermentasi VHG, yang akan

dibahas kemudian.

5.2. Ragi sel imobilisasi sendiri-flokulasi

Para flokulasi sel ragi, biasanya terjadi

secara spontan, telah diteliti dan digunakan untuk memisahkan

ragi sel dari bir dalam industri pembuatan bir

(Verstrepen et al., 2003). Secara teknis, ketika sel-sel ragi

terflokulasi dan membentuk gumpalan dengan ukuran yang sesuai

jangkauan, mereka dapat secara efektif dipertahankan dan amobil

dalam fermentor. Di alam, itu adalah jenis sel ragi

diri imobilisasi teknologi, yang tampaknya lebih unggul

dengan teknologi sel ragi imobilisasi dengan

mendukung bahan.

Pertama, tidak ada bahan pendukung dikonsumsi, yang

tidak hanya membuat proses lebih sederhana dan ekonomis

kompetitif dibandingkan dengan imobilisasi sel ragi

oleh bahan pendukung, tetapi juga sepenuhnya

menghilangkan kontaminasi potensi untuk kualitas

co-produk pakan ternak dengan bahan pembantu.

Kedua, pertumbuhan sel ragi tidak signifikan

terpengaruh, menjamin fermentasi etanol menjadi

dilaksanakan secara efektif. Ketiga, gumpalan ragi dapat

dibersihkan dari fermentor dalam kondisi yang terkendali,

mempertahankan konsentrasi biomassa di dalam fermentor

pada tingkat yang ditunjuk. Dan akhirnya, ragi gumpalan

dibersihkan dari fermentor dapat dipulihkan oleh sedimentasi

bukan dengan sentrifugasi yang secara luas

digunakan dalam pemulihan sel-sel ragi gratis, menghemat modal

investasi untuk sentrifugal serta konsumsi energi

untuk operasi centrifuge.

Para fermentasi etanol menggunakan diri flocculating

strain ragi yang dilaporkan pada 1980-an dan 1990-an. Berbeda

konfigurasi fermentor dikembangkan, termasuk

udara-lift fermentor (Bu'lock et al., 1984), tunggal dikemas

kolom fermentor (Gong dan Chen, 1984;. Jones et al,

1984; Admassu dan Korus, 1985) dan dua-tahap dikemas

100 F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105

kolom fermentor ditambah dengan pemukim (Kuriyama et al.

1993) dan tanpa pemukim (Kida et al., 1990), CO2

ditangguhkan tempat tidur fermentor dengan pelat penyekat di dalam dan

pemisahan tangki luar (Limtong et al., 1984) atau hanya

dengan forCO2 pemisahan tangki untuk dipisahkan dan didaur ulang

ke fermentor untuk menangguhkan gumpalan ragi (Kida et al.

1989). Namun, untuk alasan yang tidak jelas, penelitian ini

lapangan relatif jarang dalam sepuluh tahun terakhir kecuali

untuk salah satu kelompok penulis 'di Cina (F. Bai), melaporkan

beberapa kemajuan mendasar penelitian, seperti on-line

pemantauan dan karakterisasi diri flocculating

ragi gumpalan, kinetika intrinsik dan yang diamati, serta

beberapa pertimbangan untuk fermentasi yang sesuai

proses desain (Xu et al, 2005;.. Ge et al, 2005; Ge dan

Bai, 2006; Ge et al, 2006a, b)..

Pada tahun 2005, fermentasi etanol dengan diri flocculating

ragi telah dikomersialisasikan, dan bahan bakar

etanol pabrik dengan kapasitas produksi tahunan

200.000 ton didirikan pada BBCA, salah satu dari tiga

bahan bakar etanol produsen di Cina. Gambar. 6 mengilustrasikan nya

fermentasi proses desain. Enam fermentor, masing-masing dengan

volume kerja 1000 m3, dirancang dan diatur

dalam mode cascade. Jagung makan hidrolisat, dengan

konsentrasi gula 200-220 gl-1, dimasukkan ke dalam

fermentasi sistem pada tingkat pengenceran 0,05 jam-1. Itu

fermentasi kaldu dengan konsentrasi etanol 11 -

12% (v / v) dibuang dari sistem fermentasi.

Para gumpalan ragi dipertahankan dalam fermentor dengan

dengan baffle dan efektif bergerak terus menerus selama

fermentasi, dan kaldu ragi bebas overflows

ke dalam fermentor berikutnya atau tangki penyimpanan untuk

hilir distilasi pengobatan. Bubur ragi adalah

diedarkan oleh pompa, melewati sebuah piring eksternal

penukar panas untuk mengontrol suhu fermentasi

pada 32-34 ° C, dan aliran ragi kecil perdarahan ke

fermentor selanjutnya dapat menyeimbangkan pertumbuhan sel ragi

dalam fermentor depan, menjaga biomassa

konsentrasi dalam fermentor pada tingkat

40-60 g (DCW) l-1. Bubur ragi perdarahan dari

fermentor lalu ditransfer ke tangki sedimentasi

dimana gumpalan ragi dipisahkan, dan ragi sisipkan

dikumpulkan untuk pengolahan pasca-nya.

6. VHG fermentasi

Konsentrasi etanol yang tinggi telah terus

dikejar dalam industri, karena energi yang signifikan

tabungan dapat dicapai untuk distilasi hilir

dan limbah distillage pengobatan. HG etanol fermentasi

diusulkan pada 1980-an, dan berhasil dikomersialisasikan

setelah itu, membuat konsentrasi etanol akhir

meningkat secara dramatis dari tingkat sebelumnya

7-8% (v / v) untuk nilai saat ini dari 10-12% (v / v).

Penelitian dalam fisiologi ragi telah mengungkapkan bahwa banyak

strain S. cerevisiae berpotensi dapat mentolerir jauh lebih tinggi

etanol konsentrasi dari sebelumnya diyakini (Casey

dan Ingledew, 1986, Tomas dan Ingledew, 1992),

biasanya tanpa pendingin atau modifikasi genetik.

Dengan demikian, VHG etanol fermentasi menggunakan medium

yang mengandung gula lebih dari 250 g l-1 untuk

mencapai lebih dari 15% (v) etanol diusulkan dalam

1990 (Thomas et al, 1996;. Wang et al, 1999;.. Bai et al,

2004a, b). Diantara teknologi fermentasi etanol banyak,

fermentasi VHG sangat menjanjikan untuk perusahaan

industri aplikasi. Di satu sisi, biaya energi

adalah bagian kedua terbesar dalam produksi etanol hanya setelah

biaya konsumsi bahan baku. Di sisi lain

tangan, ketersediaan mash VHG massa

Gambar. 6. Proses diagram untuk fermentasi etanol terus-menerus dengan ragi diri flocculating.

1. fermentor, 2. baffle, 3. pompa, 4. panas

penukar, 5. sedimentasi tangki. F: aliran substrat, Pi = 1-5: kaldu fermentasi, P: aliran produk

akhir, Y: ragi pasta untuk pasca pengolahan, C1:

beredar sungai, C2: ragi aliran perdarahan. i: jumlah fermentor dalam sistem fermentasi kaskade

(i = 5, fermentor terakhir tidak termasuk).

F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105 101

jumlah yang sekarang secara ekonomi layak, karena rendah

biaya dan enzim yang sangat efisien seperti α-amilase,

glucoamylases, dan protease yang sekarang tersedia. Sementara itu,

konsep dari kilang bio-membutuhkan pemisahan

residu bahan baku yang paling padat di

perlakuan awal, terutama bagi mereka fermentasi etanol

tanaman dengan kapasitas pemrosesan besar, yang selanjutnya

menjamin pasokan mash VHG. Namun,

baik penelitian ilmiah dan teknologi terapan

pembangunan di fermentasi etanol VHG belum

diberikan perhatian yang cukup, dan hanya beberapa kelompok

tampaknya akan bekerja di bidang ini (Bayrock dan Ingledew,

2001; Lin et al, 2002;. Bai et al, 2004a, b;. Devantier

et al, 2005.).

Penelitian telah mengungkapkan bahwa kemampuan strain ragi

untuk mencapai tingkat tinggi etanol sangat tergantung pada

dengan kondisi gizi dan fungsi pelindung yang

beberapa nutrisi dapat menyediakan. Nitrogen Assimilable adalah

yang paling penting komponen dalam medium fermentasi

dan telah dilaporkan menjadi nutrisi pembatas dalam

VHG fermentasi etanol menggunakan gandum mash. Thomas

dan Ingledew (1990) fermentasi gandum tumbuk dengan 350 g

l-1 terlarut padatan dan menghasilkan etanol 17,1% (v / v) dalam

8 hari pada 20 ° C. Ketika dilengkapi dengan ragi 0,9%

mengekstrak, waktu fermentasi mencapai etanol sama

konsentrasi berkurang sampai 3 hari. Mengingat

bahwa ekstrak ragi terlalu mahal untuk keperluan industri,

Jones dan Ingledew (1994a) lebih lanjut mempelajari kemungkinan

dari menggantinya dengan nutrisi industri khas

suplemen, dan menemukan bahwa urea adalah alternatif yang baik.

Ketika protease digunakan, protein dalam mash

dihidrolisis menjadi asam amino bebas dan peptida kecil,

memberi nutrisi pada sel-sel ragi, dan VHG

fermentasi meningkat secara signifikan (Jones dan

Ingledew, 1994b).

Di bawah kondisi fermentasi VHG, substrat

penghambatan mempengaruhi sel-sel ragi dengan mengerahkan osmotik yang tinggi

tekanan (Devantier et al., 2005). Glycine ditemukan

menjadi salah satu osmoprotectants paling efektif, yang

membantu dalam mempertahankan kelangsungan hidup tinggi sel ragi

(Thomas et al, 1994.). Reddy dan Reddy (2005, 2006)

melaporkan bahwa kuda gram (Dolichos biflorus) dan jari

millet (Eleusine coracana) meningkatkan aktivitas S.

cerevisiae dalam kondisi VHG karena mereka

peran sebagai osmoprotectants dan nutrisi.

Selain produk dan inhibisi substrat, lainnya

stres juga mungkin ada. Meskipun suhu tinggi

diinginkan dalam industri fermentasi etanol karena

potensi penghematan dalam biaya pendinginan, negatif

dampak suhu tinggi pada fermentasi etanol

kinerja jauh lebih buruk dalam kondisi VHG

dari fermentasi biasa. Jones dan Ingledew

(1994c) menyelidiki dampak suhu terhadap

VHG fermentasi dan menemukan bahwa waktu fermentasi

diperpanjang secara dramatis ketika suhu adalah

meningkat dari 17 ° C sampai 33 ° C.

Di antara semua aspek yang diteliti, yang paling

penting adalah bahwa peningkatan VHG yang

fermentasi harus layak secara ekonomis dan dapat diterima

oleh industri. Banyak media yang digunakan dalam suplemen

laboratorium penelitian, seperti asam amino, vitamin, sterol

dan asam lemak tak jenuh, terlalu mahal untuk menjadi

digunakan di industri, meskipun mereka dapat memberikan wawasan

ke dalam dasar-dasar fermentasi. Lebih mungkin,

perbaikan dalam desain rekayasa proses dan

operasi, yang dapat membantu mengoptimalkan fisiologis

lingkungan untuk sel ragi dalam berbagai

tekanan, akan lebih ekonomis dan fokus

untuk melanjutkan pembangunan. Misalnya, meningkatkan

jumlah tangki-in-seri sistem untuk tanaman baru atau

menambahkan baffle di dalam tangki yang ada secara signifikan dapat

mengurangi backmixing keseluruhan dan mengurangi etanol

penghambatan efek. Sayangnya, penelitian yang dipublikasikan

di bidang ini sangat terbatas. Pengecualian termasuk pekerjaan

oleh Bayrock dan Ingledew (2001), dan Lin et al. (2002),

yang melaporkan pada fermentasi etanol VHG terus menerus

dalam sistem multistage fermentasi. Juga, Bai et

al. (2004a) meneliti sistem bioreaktor terdiri dari

sebuah CSTR dan tiga bioreaktor berbentuk tabung secara seri.

7. Kesimpulan

Sebagai industri mapan, fermentasi etanol

telah mengembangkan teknik sendiri dan ekonomi

kriteria untuk mengevaluasi teknologi muncul. Sebuah signifikan

kesenjangan antara penelitian akademik dan industri ada,

membuat banyak perkembangan teknis yang diusulkan tidak praktis

meskipun kepentingan ilmiah. Fermentasi etanol

Z. mobilis dengan adalah salah satu dari mereka, dan ragi

sel imobilisasi dengan bahan pendukung, terutama

oleh entrapments gel, adalah hal lain. Di sisi lain,

VHG fermentasi, dengan potensi untuk secara signifikan

menghemat konsumsi energi, sebagian besar telah diabaikan.

Karena biaya produksi etanol terutama

berasal dari konsumsi bahan baku dan

energi, konvensi berikut harus diikuti untuk

memajukan teknologi etanol fermentasi dengan segera

praktis aplikasi:

1) Industri fermentasi etanol menggunakan heterogen

bahan baku daripada glukosa murni, dan

gula sisa pada akhir fermentasi adalah

dikontrol secara ketat pada tingkat yang sangat rendah, sehingga

hasil etanol yang dihitung berdasarkan total

102 F.W. Bai et al. / Bioteknologi Kemajuan 26 (2008) 89-105

gula makan ke dalam sistem fermentasi tanpa

dikurangi sisa dapat setinggi 90-93%

dari nilai teoritisnya etanol menjadi glukosa.

2) Substrat HG mengandung 180-220 gl-1 total halaman

gula sudah digunakan untuk mencapai yang sesuai

etanol konsentrasi 10-12% (v / v). Rendah gravitasi

fermentasi secara signifikan meningkatkan konsumsi energi

dalam proses hilir seperti

penyulingan dan pengolahan limbah distillage. VHG ini

substrat yang mengandung lebih dari 250 gl-1 gula total

didorong sebagai fokus untuk penelitian lebih lanjut menjadi etanol

fermentasi.