Saccarificazione, enzimi, fermentazione

La saccarificazione è un processo mediante il quale i carboidrati complessi vengono scomposti in zuccheri semplici tramite sostanze chimiche e/o enzimi. Si tratta di una reazione di idrolisi perché l’acqua combinata con un acido come acido solforico, acido cloridrico o acido nitrico o un enzima viene utilizzata per rompere lo scheletro carbonioso. Tuttavia, i trattamenti ad alta temperatura che utilizzano acidi presentano gli svantaggi di essere ad alta intensità energetica e di inquinare l’ambiente.

Gli enzimi lignocellulosici possono essere classificati in cellulasi, emicellulasi e ligninasi in base alle proprietà dei substrati; degradano rispettivamente la cellulosa, l’emicellulosa e la lignina.

La saccarificazione della biomassa in zucchero fermentabile è un metodo importante per la produzione di bioetanolo. Il crescente interesse mondiale per le fonti energetiche alternative ha attratto l’interesse dei ricercatori a concentrarsi sulla biomassa come materia prima conveniente ed efficiente per la produzione di bioetanolo e può servire come carburante per i trasporti adatto a sostituire il petrolio.

biomassa da Chimicamo
biomassa

La bioconversione dei rifiuti cellulosici in bioprodotti di alto valore mediante processi di saccarificazione e fermentazione è quindi un passo importante che può ridurre l’inquinamento ambientale causato dai rifiuti agricoli. Attualmente, la conversione di rifiuti agricoli di scarso valore in beni di valore, energia, sostanze chimiche e proteine ​​microbiche mediante processi di saccarificazione e fermentazione non è economicamente fattibile, in gran parte a causa dei costi dei materiali cellulosici e degli enzimi cellulosici, nonché dei problemi tecnici associati saccarificazione della cellulosa.

Una sostanziale riduzione dei costi può essere possibile esplorando modi di conversione della cellulosa utilizzando microrganismi che producono enzimi cellulosici. Le specie Aspergillus sono i principali agenti di decomposizione e decadimento che possiedono quindi la capacità di produrre una gamma di enzimi come la cellulasi.

Saccarificazione ed enzimi

Il primo passo del percorso di conversione prevede la conversione biochimica del materiale lignocellulosico nei loro costituenti monomerici attraverso una fase di idrolisi enzimatica, con formazione di zucchero fermentabile.

processo di saccarificazione 1 da Chimicamo
processo di saccarificazione

Recenti preparazioni commerciali di cellulasi hanno dimostrato di essere efficaci nell’idrolizzare la cellulosa tuttavia il loro alto costo rimane un ostacolo significativo alla produzione economica di etanolo dalla biomassa lignocellulosica.

Si rende quindi necessario ridurre la quantità di enzima necessaria per la fase di idrolisi enzimatica. Pertanto, ridurre la quantità di enzima necessaria o aumentarne la produttività nel processo di saccarificazione costituisce un obiettivo primario.

Per raggiungere tale obiettivo si può agire su due fronti migliorando da un lato la resa dell’idrolisi e riducendo dall’altro il consumo di enzimi. Vi è una potenziale varietà di metodi, che tuttavia non hanno ancora dimostrato essere particolarmente convenienti, per ottenere maggiori rese di idrolisi, come l’aggiunta di tensioattivi e il caricamento graduale del substrato.

Un metodo che può ridurre la quantità di enzima utilizzato consiste nel riciclare gli enzimi recuperando gli enzimi attivi dall’uscita della fase di idrolisi enzimatica e quindi riducendo il costo complessivo dell’enzima nel processo. Il riciclaggio può anche aumentare il tempo di interazione del substrato enzimatico, il che può portare a un aumento complessivo dell’efficienza di conversione degli enzimi.

Saccarificazione e fermentazione

Il  processo simultaneo di saccarificazione e fermentazione (SSF) è stato ampiamente studiato al fine di ridurre l’inibizione delle cellulasi causata dai prodotti finali dell’idrolisi ovvero glucosio e catene corte di cellulosa. Nel processo, riducendo gli zuccheri prodotti nell’idrolisi della cellulosa o nella saccarificazione essi vengono contemporaneamente fermentati in etanolo, il che riduce notevolmente l’inibizione del prodotto nell’idrolisi.

In questo caso cellulasi e microrganismi vengono aggiunti nella stessa fase del processo permettendo al glucosio, formatosi durante l’idrolisi enzimatica, di essere immediatamente consumato dalle cellule microbiche convertendolo in etanolo.

Come inconveniente, poiché la temperatura di massima attività enzimatica differisce da quella ottimale di crescita del lievito, una delle due funzioni o entrambe non funzionerà nelle sue condizioni ottimali. Ad esempio, la cellulasi del Trichoderma reesei ha un’attività ottimale a 55°C, mentre l’attività del Saccharomyces cerevisiae è ottimale a 37°C.

birra 1 da Chimicamo
birra

Il processo può essere migliorato con l’introduzione di microbi geneticamente modificati in grado di fermentare contemporaneamente monosaccaridi pentosi ed esosi, aumentandola resa di produzione di etanolo.

Oltre che per l’ottenimento di zuccheri e successivamente di bioetanolo da materiali lignocellulosici la saccarificazione è un processo utilizzato nella fabbricazione della birra determinando la qualità del prodotto finale. Il processo richiede diversi tempi di attesa che variano solitamente dai 30 ai 60 minuti, a seconda del tipo di malto utilizzato nel cereale, e variazioni di temperatura per ottenere risultati migliori nel corso della successiva fermentazione.

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