Bahan Bakar dan bahan kimia industry Dalam 50-100 tahun ke depan beberapa pasokan bahan bakar fosil , terutama minyak , cenderung menjadi habis . Akibatnya, ada kebutuhan mendesak untuk mengembangkan sumber energi alternatif . Sebagian besar persyaratan akan dipenuhi dari sumber panas bumi , nuklir , matahari , air dan angin . Namun, generasi bahan bakar biologis cenderung menjadi semakin penting , terutama karena dapat memberikan bahan bakar baik cair dan gas . Yang penting , bahan bakar ini diproduksi dari sumber daya terbarukan , terutama tanaman biomassa , dalam bentuk tanaman yang dibudidayakan energi , vegetasi alami , dan limbah pertanian , domestik dan industri . Kedua produk bahan bakar mikroba utama saat ini berasal dari sumber daya ini metana dan etanol , tetapi ini bukan satu-satunya bahan bakar yang dapat dibentuk . lain contoh cair dan gas termasuk hidrogen , propana , metanol dan butanol , listrik juga dapat dihasilkan oleh sistem mikrobiologi . Banyak senyawa kimia penting lainnya kini paling ekonomis yang dihasilkan oleh fermentasi mikroba dan proses biotransformasi . Mayoritas adalah metabolit primer yang meliputi asam organik , asam amino , pelarut industri dan berbagai biopolimer . Banyak dari produk mikroba digunakan sebagai bahan baku kimia dan bahan fungsional dalam berbagai produk industri dan makanan . alkana Metana digunakan untuk bahan bakar domestik dan industri . Saat ini,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bahan Bakar dan bahan kimia industry
Dalam 50-100 tahun ke depan beberapa pasokan bahan bakar fosil , terutama minyak , cenderung
menjadi habis . Akibatnya, ada kebutuhan mendesak untuk mengembangkan sumber energi
alternatif . Sebagian besar persyaratan akan dipenuhi dari sumber panas bumi , nuklir , matahari , air
dan angin . Namun, generasi bahan bakar biologis cenderung menjadi semakin penting , terutama
karena dapat memberikan bahan bakar baik cair dan gas . Yang penting , bahan bakar ini diproduksi dari
sumber daya terbarukan , terutama tanaman biomassa , dalam bentuk tanaman yang dibudidayakan
energi , vegetasi alami , dan limbah pertanian , domestik dan industri .
Kedua produk bahan bakar mikroba utama saat ini berasal dari sumber daya ini metana dan etanol ,
tetapi ini bukan satu-satunya bahan bakar yang dapat dibentuk . lain contoh cair dan gas termasuk
hidrogen , propana , metanol dan butanol , listrik juga dapat dihasilkan oleh sistem mikrobiologi . Banyak
senyawa kimia penting lainnya kini paling ekonomis yang dihasilkan oleh fermentasi mikroba dan proses
biotransformasi . Mayoritas adalah metabolit primer yang meliputi asam organik , asam amino , pelarut
industri dan berbagai biopolimer . Banyak dari produk mikroba digunakan sebagai bahan baku kimia dan
bahan fungsional dalam berbagai produk industri dan makanan .
alkana
Metana digunakan untuk bahan bakar domestik dan industri . Saat ini, pasokan sebagian besar berasal
dari ladang gas dan minyak atau gasifikasi batubara .Akibatnya, produksi metana melalui fermentasi
menarik hanya dalam situasi lokal skala kecil terbatas. Namun, mode ini produksi dapat menjadi
semakin penting kemudian di abad ke-21 , ketika pasokan dari sumber-sumber non - terbarukan mulai
berkurang. Produksi metana oleh mikroorganisme adalah proses yang sangat kompleks, yang
melibatkan campuran mikroorganisme anaerobik ditemukan secara alami di rawa-rawa , organik
sedimen dan di perut ( rumen ) dari hewan ruminansia . Produksi mikroba saat metana untuk
pembakaran mungkin melalui pencernaan anaerobik agri-limbah budaya , industri dan perkotaan ( lihat
Bab 15 ) .
Limbah ini sebagian besar adalah tanaman biomassa ( bahan lignoselulosa ) yang memiliki biaya tinggi
koleksi . berpotensi menarik , tapi mahal , modus skala besarproduksi adalah melalui penimbunan ( lihat
Bab 15 ) , dengan ketentuan bahwa produksi gas jangka panjang yang stabil dapat
dikembangkan . Sebaliknya , fermentor biogas menggunakan teknologi rendah dalam produksi lokal
skala kecil metana . Mereka sering menggunakan kotoran hewan dan sangat berharga di lokasi di mana
bahan bakar lain tidak tersedia . Biogas yang dihasilkan terutama terdiri dari 50-80 % metana dan 15-45
% CO , bersama dengan beberapa jejak gas. Populasi mikroba campuran yang terkait dengan 2
generasi metana sangat fleksibel sehubungan dengan berbagai substrat yang mereka dapat
memanfaatkan . Produksi metana dari bahan organik melibatkan tiga spesifik
fase . Pertama , sekelompok mikroorganisme menghidrolisis polimer organik , termasuk lemak , protein
dan polisakarida , untuk monomer larut masing-masing
Senyawa ini kemudian dimetabolisme menjadi asam organik oleh organisme Acidogenic
anaerobik . Pada tahap akhir , asam organik dikonversi ke alkana dan karbon dioksida (Gambar
10.1 ) . Bakteri metanogen menghasilkan metana dari asetat , yang merupakan produk utama . Namun,
metana memiliki menghasilkan energi lebih rendah darialkana rantai panjang , etana dan propana
( Tabel 10.1 ) , yang berasal dari propionat dan butirat , masing-masing (Gambar 10.1 ) . Jumlah Biasanya
, hanya kecil
dua asam organik ini diproduksi selama asidogenesa , tetapi jumlah yang dihasilkan tergantung pada
kondisi tertentu . Oleh karena itu, ada potensi untukmanipulasi masa depan fermentasi tersebut untuk
menghasilkan proporsi yang lebih besar dari bahan bakar yang lebih menarik etana dan propana .
butanol
Aseton , butanol , asam butirat dan isopropanol , bersama dengan asam organik lainnya dan alkohol ,
dapat diperoleh dengan fermentasi clostridial dari berbagai bahan baku , termasuk pati , molase dan
cellulosicmaterials dihidrolisis . Jumlah relatif dari masing-masing produk fermentasi tergantung pada
spesies bakteri dan strain tertentu yang digunakan , dan lingkungan conditionsof fermentasi . Ada tiga
jenis fermentasi utama :1 aseton - butanol ( Clostridium acetobutylicum ) , produk tambahan :
asam butirat , asam asetat , acetoin , etanol , CO2 dan H , 2 butanol - isopropanol ( Clostridium
butylicum ) , produk tambahan : asam butirat , asam asetat , CO2 dan
H , dan 3 butyric acid -acetic acid ( Clostridium butyricum ) , produk tambahan : CO2 dan H2 .
Anggota genus Clostridium adalah Gram - positif 2 batang dengan flagella peritrichous dan sesuai sangat
motil . Mereka dicirikan oleh kemampuan mereka untuk membentuk spora tahan panas , metabolisme
sangat fermentasi dan tanggapan mereka terhadap oksigen . Semuanya anaerobik , tetapi berkisar dari
anaerob obligat untuk aerotolerant spesies . Biasanya , mereka tidak mengandung derivatif haem ,
seperti sitokrom dan katalase . Namun, beberapa spesies dapat menghasilkan sitokrom jika disertakan
dengan prekursor yang sesuai . Kebanyakan mesophiles , meskipun beberapa termofilik
spesies diketahui , misalnya C. thermoaceticum . Mereka tumbuh dengan baik pada pH netral dan basa ,
tetapi terhambat dalam kondisi asam dan sangat bervariasi dalam kisaran
dari substrat bahwa mereka dapat memanfaatkan . Fermentasi aseton - butanol memiliki sejarah
panjang sebagai proses fermentasi industri sukses . Itu Weizmann di Inggris , pada awal abad ke-20 ,
yang melakukan banyak penelitian dasar ke produksi aseton , butanol dan etanol oleh C. aceto -
butylicum . Ini sangat berharga selama Perang Dunia I , khususnya untuk produksi aseton , yang
dibutuhkan dalam pembuatan bahan peledak . Aseton secara khusus digunakan sebagai agen
gelatinizing untuk nitroselulosa dalam produksi mesiu . Proses Weizmann juga menghasilkan riboflavin
( vitamin B2 ) sebagai produk sampingan .
Setelah Perang Dunia I , butanol menjadi produk utama kepentingan . Itu digunakan secara luas sebagai
bahan kimia bahan baku dalam produksi lak , rayon ,plasticizers , pelapis , deterjen , cairan rem dan
butadiena untuk pembuatan karet sintetis . Butanol juga digunakan sebagai pelarut untuk lemak , lilin ,
resin , pernis dan lak , dan sebagai ekstraktan berharga dan pelarut dalam industri makanan . Produksi
tahunan fermentationderived butanol lebih dari 20 000 ton pada tahun 1945 , tapi di dunia barat proses
mulai menurun akhir 1940-an . Hal ini disebabkan perubahan dalam pasokan bahan baku fermentasi
( molase , gula tebu , dll) dan peningkatan ketersediaan bahan baku petrokimia murah untuk sintesis
kimia . Butanol kini sebagian besar dibuat dari bahan baku berbasis minyak bumi . Di Amerika Serikat ,
misalnya , produksi saat ini disintesis secara kimia butanol lebih dari 500 000 ton / tahun , dengan
pertumbuhan tahunan sebesar 3-4 % . Namun demikian , fermentasi butanol masih beroperasi di
negara-negara tertentu . Di bekas negara Uni Soviet beberapa proses didasarkan pada molase bit ,
sedangkan fermentasi menggunakan tetes tebu berlanjut sampai relatif baru-baru ini di Afrika Selatan ,
dan China masih mempertahankan beberapa pabrik fermentationbased . Masa depan untuk berbasis
fermentasi produksi terlihat cukup cerah , terutama karena konsumsi di seluruh dunia butanol telah
meningkat selama beberapa tahun terakhir . Ini memberikan kesempatan bagi pendahuluan
teknologi proses fermentasi baru dan lebih efisien , terutama karena pasokan petrokimia
dwindles . Selain peran yang ada sebagai bahan baku pelarut dan kimia , butanol memiliki beberapa sifat
yang menguntungkan untuk penggunaan motor bakar , baik sendiri atau bila dicampur dengan bensin
( Tabel 10.2 ) .Butanol memiliki oktan - meningkatkan sifat yang baik , panas yang relatif tinggi
pembakaran dan tekanan uap yang lebih rendah dibandingkan metanol dan etanol . Karakteristik ini
membuat butanol bahkan lebih cair bahan bakar extender dari etanol , yang saat ini digunakan dalam
perumusan gasohol . Selain itu, butanol memiliki miscibility rendah dengan air , tetapi miscibility tinggi
dengan baik diesel dan bensin . Karena panas yang tinggi dari pembakaran , solusi butanol mengandung
sebanyak 20 % ( v / v ) air memiliki nilai yang sama seperti pembakaran etanol anhidrat . Hal ini secara
tidak langsung dapat mengurangi nitrogen oksida ( NO ) emisi dengan menurunkan suhu operasi mesin
pembakaran internal . Sebagai aditif bahan bakar , alkohol seperti butanol juga memiliki potensi untuk
mengurangi emisi karbon monoksida .
Proses produksi Butanol
Di masa lalu, ekonomis produksi butanol telah biasanya diperlukan volume fermentor minimal 1000
m3 . The fermentor tidak diaduk , sebagaievolusi gas disediakan pencampuran yang
memadai . Fermentasi ini dioperasikan sebagai proses batch, sering menggunakan 5-7 % ( b / v ) pati
atau molasses sebagai karbon substrat . Baru-baru ini , dengan meningkatnya permintaan untuk butanol
, proses maju berdasarkan jagung , produk sampingan pengolahan jagung dan limbah selulosa lainnya
telah diusulkan , khususnya di Amerika Serikat ( lihat di bawah ) .Dalam proses konvensional , sebelum
fermentasi , maka media dan fermentor yang disterilkan dan dibersihkan dengan CO fermentor tersebut
kemudian diinokulasi dengan relative rendahnya tingkat inokulum , 0,03 % ( v / v ) C.
acetobutylicum . Selama 18-24 jam pertama pH jatuh dari tingkat awal 5,8-6,0 pH 5.2 , karena produksi 2
dari butirat dan asam asetat selama pertumbuhan yang cepat inifase . Selama mengikuti 20-24 h pH naik
kembali ke pH5.8 - 6.0 , asam ini dimetabolisme untuk membentuk pelarut netral aseton , butanol dan
etanol .mereka
konsentrasi total mencapai sekitar 2 % ( v / v ) dalam rasio 6 : 3 : 1 untuk aseton , butanol dan etanol ,
masing-masing. Keseluruhan hasil hingga 37 % ( b / b ) , didasarkan pada awal
karbohidrat , dapat dicapai . Produk pemulihan secara tradisional melibatkan distilasi fraksional . Gas
yang dihasilkan selama fermentasi , terutama CO , Dapat dipulihkan untuk dijual sebagai produk
sampingan dan residu distilasi dapat dijual sebagai pakan ternak . Sebagian produksi butanol di Cina dan
beberapa negara lain mungkin masih melalui proses fermentasi yang sama , tapi terakhir industri
fermentasi aseton - butanol - etanol dioperasikan di dunia barat ditutup pada awal 1990-an . Hal ini
dilakukan oleh National Chemical Products di Germiston , Afrika Selatan , menggunakan C.
acetobutylicum P262 . Ini melibatkan fermentasi batch dengan molase sebagai substrat , yang
berlangsung selama 40-60 jam dan menghasilkan produk rata-rata konsentrasi 15-18 g / L. Namun,
kelayakan ekonomi dari fermentasi ini sekarang menuntut yield pelarut dari 22-28 g / L dalam waktu ini ,
jika tidak mereka tidak bias bersaing dengan proses kimia . Konsentrasi ekonomi kompetitif yang tepat
tergantung pada harga minyak yang berlaku . Metode Batch tradisional telah menderita beberapa
masalah , termasuk kontaminasi oleh lactobacilli , serangan bakteriofag , inhibisi produk, biaya energi
yang tinggi untuk distilasi dan fakta bahwa campuran produk fermentasi diperoleh . Proses yang lebih
efisien sekarang sedang dikembangkan dengan peningkatan strain yang dominan menghasilkan satu
produk fermentasi dan menggunakan substrat yang lebih murah , termasuk limbah rumah tangga dan
pertanian . Mereka mungkin melibatkan temperatureprogrammed , multistage , kultur suspensi terus
menerus atau sel dimasukkan ke dalam reaktor fluidizedbed bergerak . Proses fermentasi tersebut
cenderung memiliki sistem pemulihan produk terintegrasi , seperti pervaporasi . Metode ini khusus
melibatkan selektif membran pemisahan komponen pelarut ke dalam ruang tekanan rendah ( misalnya
menggunakan membran poli dimethylsilane ) diikuti oleh kondensasi produk . Ini prosedur ditingkatkan
memiliki potensi untuk memproduksi konsentrasi pelarut total yang lebih besar dari 30 g / L dan
memungkinkan pemulihan simultan pelarut dari kaldu selama fermentasi . Ini menghilangkan inhibisi
produk dan memungkinkan pemanfaatan lengkap dari substrat karbon pada tingkat yang relatif tinggi
selama fermentasi kontinyu . etanol industri Sebagian besar wilayah di dunia telah diproduksi secara
tradisional minuman beralkohol dari substrat tersedia secara lokal ( lihat Bab 12 ) . Fermentasi alkohol
serupa sekarang digunakan di beberapa negara untuk memproduksi bahan bakar grade atau
bahan baku kimia etanol . Produksi dunia tahunan etanol lebih dari 30 miliar liter , sekitar 70 % dari yang
dihasilkan oleh fermentasi , sisanya yang sebagian besar diproduksi oleh hidrasi katalitik dari etilen .
Hampir 12 % dari etanol fermentasi minuman alkohol , 20 % adalah untuk berbagai keperluan industri
dan 68 % sisanya adalah bahan bakar etanol. Etanol merupakan bahan bakar yang menarik karena dapat
digunakan sendiri atau dicampur dengan bahan bakar cair lainnya , misalnya ' gasohol ' , campuran 10-
22 % ( v / v ) etanol dengan bensin ( lihat Tabel 10.2 ) . Pada 1970-an , Brazil dan beberapa negara lain
melakukan produksi skala penuh etanol fromindigenous sumber daya terbarukan biomassa untuk
mengimbangi biaya pertumbuhan impor minyak . Etanol diproduksi
dengan fermentasi sukrosa , berasal dari tebu , menggunakan Saccharomyces
cerevisiae . Brazil sekarang bertanggung jawab untuk lebih dari 46 % dari produksi dunia tahunan ,
beberapa 14,5 miliar liter etanol . Namun, ini tidak cukup untuk bersaing dengan meningkatnya
permintaan untuk bahan bakar . Kegagalan untuk mengembangkan proses produksi mereka telah
menghasilkan kebutuhan untuk mengimpor etanol dari Amerika Serikat dan
negara penghasil lainnya . Terlepas dari sukrosa , fermentasi konvensional lainnya
substrat untuk fermentasi etanol meliputi gula sederhana yang berasal dari tanaman dan limbah susu .
Ini memerlukan relatif sedikit pengolahan ( Gambar 10.2 dan 10.3 ) . Namun, penggunaan akar dan umbi
pati ( singkong , kentang , dll )atau butiran zat tepung ( jagung , gandum, beras , dll ) menuntut operasi
pengolahan energi memakan untuk mencapai hidrolisis . Pengolahan yang lebih besar diperlukan
sebelum pemanfaatan bahan lignoselulosa tanaman ( lihat hal . 149 ). Biokonversi pati jagung Di
Amerika Utara , proses penggilingan basah atau kering telah dikembangkan untuk pengolahan jagung
untuk minyak jagung terpisah dari pati . Hal ini juga menghasilkan produk sampingan yang dapat
digunakan untuk pakan ternak . Diekstrak pati terkena gelatinisasi dan sakarifikasi , dan gula yang
dihasilkan kemudian dapat mengalami fermentasi alkohol . Teknologi awalnya digunakan sebagian besar
didasarkan pada yang sebelumnya dikembangkan untuk produksi minuman beralkohol , tapi sekarang
proses yang jauh lebih efisien . Sakarifikasi enzimatik digunakan untuk mengkonversi pati menjadi gula
difermentasi menggunakan berbagai amilase termostabil , termasuk glucoamylases . Fermentasi gula
yang dihasilkan , sebagian besar glukosa , dilakukan oleh strain yang dipilih dari S. cerevisiae pada 32-38
° C dan pH 4,5-5,0 . Fermentasi mungkin batch atau proses yang terus menerus , sering dengan
beberapa bentuk daur ulang sel , yang mengurangi baik waktu fermentasi dan jumlah substrat
' Terbuang ' di konversi ke biomassa yang tidak diinginkan . Operasi di bawah vakum , memfasilitasi
penghapusan terus menerus etanol untuk mengurangi penghambatan etanol , dan bahkan imobilisasi
sel telah diuji coba ( Tabel 10.3 )
Ini fermentasi alkohol menghasilkan ' bir ' yang mengandung sekitar 10 % ( v / v ) etanol dari mana ragi
biasanya dipisahkan sebelum distilasi . Etanol pulih maka bisa mengalami dehidrasi ( lihat Bab 7 ,
Distilasi ) . Biaya pemulihan etanol ini sering hingga 50 % dari pengeluaran total proses . Proses produk
sampingan termasuk metanol , gliserol dan alkohol yang lebih tinggi , seperti amil , butil dan propil
alkohol . Pendekatan alternatif kemungkinan pemulihan etanol meliputi penggunaan proses fermentasi
ekstraktif terus menerus menggunakan non -volatile , pelarut tidak beracun , seperti oleil alkohol , yang
memiliki afinitas tinggi untuk etanol . Stategy ini berguna dalam mengatasi hambatan - end produk .
Pelarut yang digunakan secara terus menerus diperkenalkan ke fermentor dan naik melalui media untuk
membentuk lapisan yang terus dihapus . Perjalanan melalui hasil centrifuge dalam pemisahan pelarut
ethanolladen dari media dan sel-sel , yang dikembalikan untuk fermentor . Etanol dapat dipulihkan oleh
lampu kilat penguapan dan pelarut non -volatile digunakan kembali . Althoug h S. cerevisiae masih
banyak digunakan untuk fermentasi alkohol dari substrat gula sederhana, ada organisme lain dengan
potensi komersial ( Tabel 10.4 ) . Ini termasuk spesies dari genus bakteri Zymomonas , seperti Z. mobilis ,
yang Gramnegative anaerob fakultatif yang biasanya fermentasi hanya glukosa , fruktosa atau sukrosa .
Mereka mampu menghasilkan etanol lebih besar dari yang S. cerevisiae , tetapi tidak sebagai
toleran etanol . Di masa depan , rute alternatif cenderung melibatkan organisme hasil rekayasa genetika
yang memiliki kemampuan untuk memanfaatkan lebih luas sumber karbon dan memiliki sifat fermentasi
yang lebih baik . Sebagai contoh, Escherichia coli , yang biasanya menghasilkan hanya sejumlah relatif
kecil etanol , telah berubah dengan plasmid yang mengkode alkohol dehidrogenase
dan piruvat dekarboksilase dari Z. mobilis . Transforman tersebut menghasilkan etanol di bawah kedua
kondisi aerobik dan anaerobik . Biokonversi bahan lignoselulosa seperti tanaman energi ( sereal , tebu
dan bit , dll ) , limbah tanaman lignoselulosa ( serbuk gergaji , serpihan kayu , jerami , ampas tebu ,
limbah kertas , dll ) tidak menggunakan makanan langsung . Mereka adalah sumber daya terbarukan
belum sepenuhnya dieksploitasi . Miliaran ton bahan-bahan selulosa
saat ini sia-sia setiap tahun , yang dapat diubah menjadi energi kimia atau produk fermentasi yang
berguna lainnya . Lignoselulosa terdiri dari polimer berikut . Lignin ( 10-35 % , b / b ) , polimer tiga
fenolik alkohol ( p - coumaryl , sinapyl dan alkohol coniferyl ) yang mengelupasi selulosa . Bahan ini tidak
bisa didegradasi oleh mikroorganisme dalam kondisi anaerob , tetapi dapat digunakan sebagai sumber
vanili , katekol , dimethylsulphide ( DMS ) dan dimetil sulfoksida ( DMSO ) melalui proses kimia . Selulosa
( 15-55 % , b / b ) , homopolimer linear dari b - 1 unit glukosa ,4 -linked . Setelah dihidrolisis , glukosa
yang dihasilkan mudah difermentasi oleh banyak mikroorganisme , tetapi hanya sedikit dapat langsung
memanfaatkan polimer asli . Hemiselulosa ( 25-85 % , b / b ) , kelas heteropolymers mengandung
berbagai heksosa ( d - glukosa , dgalactose dan d - mannose ) dan pentosa ( l - arabinosa
dan d - xylose ) . Xylose adalah kedua gula yang paling melimpah di alam setelah d - glukosa dan
mungkin merupakan hingga 25 % dari berat kering beberapa pohon berkayu , tetapi hanya beberapa
mikroorganisme fermentasi pentosa menjadi etanol . Yang penting , produksi etanol dari lignoselulosa
yang ekonomis hanya jika kedua pentosa dan heksosa yang difermentasi . Beberapa mikroorganisme
dapat memanfaatkan lignoselulosa secara langsung dan mereka yang melakukan, seperti beberapa
spesies Clostridium , menghasilkan sedikit atau tidak ada etanol . Oleh karena itu , fermentasi mikroba
langsung cellulosics menjadi etanol adalah kesempatan yang jauh . Sebuah pendekatan yang lebih
mungkin untuk membuktikan sukses dalam jangka pendek melibatkan beberapa langkah . Pertama ,
pretreatment bahan lignoselulosa diperlukan sebelum sakarifikasi hemiselulosa dan selulosa
komponen . Gula yang dihasilkan dari bahan kimia dan / atau hidrolisis enzimatik kemudian dapat
difermentasi untuk menghasilkan etanol , yang dapat dipisahkan dari fase air dengan distilasi .
Pretreatment dan sakarifikasi harus dilakukan dengan cara yang memaksimalkan hasil biokonversi
berikutnya dan meminimalkan pembentukan berpotensi hambat senyawa , khususnya furfural dan
fenolik larut . Kebanyakan bahan lignoselulosa memerlukan pretreatment untuk membuat selulosa dan
hemiselulosa
lebih setuju untuk hidrolisis asam atau enzim . Persyaratan Pretreatment bervariasi dengan bahan baku
dan sering substansial kurang untuk bahan olahan seperti kertas dan kartu . Metode yang digunakan
termasuk ukuran mekanik pengurangan oleh penggilingan, pulp kimia , hidrolisis asam , perlakuan
alkali , autohydrolysis , ekstraksi pelarut , mengukus dan ledakan uap ( dekompresi eksplosif setelah
pengobatan uap bertekanan tinggi di 4000kPa selama 5-10 menit ) . Berbagai kombinasi dari proses
pretreatment mungkin digunakan tergantung pada sumber bahan lignoselulosa (Gambar 10.3 ) .
Beberapa mencapai sakarifikasi parsial , tapi perawatan lebih lanjut dengan asam atau enzim biasanya
diperlukan . Hidrolisis asam umumnya dilakukan dengan asam encer (misalnya 0,5-5 % ( v / v ) asam
sulfat ) di bawah tekanan untuk mencapai suhu yang tinggi dari 100-240 ° C. Perawatan ini relatif
murah , tetapi juga menghasilkan sejumlah besar produk sampingan degradasi
dan senyawa penghambat yang tidak diinginkan . Hidrolisis asam kuat sering menggunakan asam klorida
pekat pada suhu kamar , yang memberikan hasil gula tertinggi dari setiap proses hidrolisis asam .
namun, operasi tersebut sangat korosif dan pemulihan asam hampir lengkap adalah penting untuk
membuat proses ekonomis . Hidrolisis asam dari campuran selulosa dan
hemiselulosa sulit dikendalikan . Hemiselulosa lebih mudah dihidrolisis daripada selulosa dan
menghasilkan gula pada awal proses . Gula ini dapat mengalami kerusakan lebih lanjut untuk senyawa
penghambat , misalnya furfural . Akibatnya , pengkondisian hidrolisat mungkin diperlukan untuk
menghilangkan senyawa ini , sebelum fermentasi . Gula yang dihasilkan oleh hidrolisis terutama
glukosa , selobiosa ( disakarida yang terdiri dari - b 1 , unit glukosa 4linked ) dan xylose . Fermentasi
xilosa bermasalah. S. cerevisiae , yang saat ini bertanggung jawab untuk 95 % dari semua etanol yang
dihasilkan oleh fermentasi , tidak memfermentasi monosakarida ini . organisme tersebut
do itu ( lihat Tabel 10.4 ) , tidak etanol toleran dan memberikan hasil etanol miskin . Ada beberapa cara
yang mungkin dengan mana S.cerevisiae dapat digunakan dalam fermentasi alkohol dari xylose (Gambar
10.4 ) . Isomerisasi dari aldo - gula , d - xylose , ke ketoform d - xylulose , yang S. cerevisiae
dapat memfermentasi . Hal ini dapat dicapai dengan melakukan fermentasi ragi
dengan adanya suatu xylose isomerase bakteri . Rekayasa genetika dari S. cerevisiae , untuk
mengekspresikan gen baik untuk ( a) xylose isomerase bakteri , misalnya dari spesies Actinoplanes ,
Bacillus , dll; atau ( b ) xylose reduktase dan xylitol dehydrogenase dari ragi fermentasi pentosa ,
misalnya spesies Candida , Pichia , dll Namun, ada kemungkinan masalah dengan ketidakseimbangan
kofaktor dengan pilihan ini . Z. mobilis juga telah direkayasa secara genetik untuk memfermentasi xilosa
dan mungkin memainkan peran masa depan dalam produksi etanol dari biomassa tanaman , yang
mungkin E. coli rekayasa genetika disebutkan sebelumnya , dan termofilik tertentu
mikroorganisme . Hidrogen Hidrogen merupakan bahan bakar yang sangat menarik karena isinya tinggi
energi ( 118,7 kJ / g ) , yaitu sekitar empat kali lipat lebih besar dari etanol dan lebih dari dua kali lipat
lebih tinggi dari metana . Teknologi untuk penggunaannya sudah dikembangkan dan produk
pembakaran adalah water.A berbagai mikroorganisme menghasilkan hidrogen sebagai bagian dari
mekanisme untuk membuang elektron yang dihasilkan selama reaksi metabolik :
ion hidronium ion hidrogen terhidrasi ( ) Generasi hidrogen menggunakan mikroorganisme , atau sistem
sel - bebas berbasis komponen mikroba , masih sangat banyak dalam masa pertumbuhan . Namun, ada
tiga rute yang mungkin production.Biophotolysis air melibatkan pemisahan air dengan menggunakan
energi cahaya dan tidak memerlukan substrat eksogen . Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan
sistem fotosintesis , seperti kloroplas ganggang , yang dapat dianggap sebagai sel surya . In vivo , energi
yang dihasilkan biasanya digunakan untuk membentuk nikotinamid adenin dinukleotida fosfat ( NADPH )
. Namun, dengan adanya sebuah hydrogenase bakteri dan pembawa elektron yang tepat , molekul
hidrogen dapat dihasilkan (Gambar 10.5 ) .Fotoreduksi , dekomposisi tergantung cahaya senyawa
organik , dilakukan oleh bakteri fotosintetik . Ini adalah proses anaerobik yang membutuhkan cahaya
dan substrat organik eksogen , yang dihambat oleh oksigen , dinitrogen dan amonium ion .
Pembentukan hidrogen dikaitkan dengan nitrogenase yang dapat mengurangi proton serta dinitrogen .
Anggota Chlorobiaceae , Chromatiaceae dan Rhodospirillaceae melaksanakan
fotoreduksi . Mereka bakteri dengan paling potensial mungkin bakteri non - sulfur ungu , seperti spesies
Rhodospirillium , yang photometabolize asam organik . Fermentasi senyawa organik oleh banyak bakteri
menghasilkan sejumlah kecil hidrogen . Sebagai contoh, beberapa enterobacteria menghasilkan
hidrogen dan CO dengan membelah format, dan Clostridia itu dihasilkan dari penurunan ferredoxin .
Secara teoritis , 4 mol hidrogen dapat dihasilkan dari setiap mol glukosa , yang mewakili hanya
menghasilkan energi 33 % . Namun, sebagian besar organisme menghasilkan lebih sedikit . Akibatnya,
ada sedikit kemungkinan untuk produksi komersial hidrogen melalui rute ini dalam waktu dekat .
Peran mikroorganisme dalam pembangkit listrik mungkin melibatkan gas dan cair bahan bakar mikroba
yang dihasilkan , seperti etanol atau metana , yang digunakan untuk menggerakkan generator mekanik
konvensional . Atau , generasi langsung dapat digunakan , tapi ini masih dalam tahap awal
pengembangan . Kemungkinan rute ini adalah rute melalui mikroorganisme utuh atau enzim mikroba
dimasukkan dalam sel bahan bakar (Gambar 10.6 ) . Sistem enzim berbasis lebih disukai , karena transfer
elektron antara sel-sel utuh dan elektroda umumnya kurang efisien . Dalam beberapa kasus , enzim
amobil dapat digunakan . Kemungkinan calon dehydrogenases mikroba digabungkan dengan sistem
elektroda dan catalysing interkonversi hidrogen dan listrik . Juga, ada kemungkinan bahwa phototrophic
mikroorganisme , atau sistem photoactive mereka , langsung bisa mengkonversi sinar matahari menjadi
listrik . Misalnya, menggunakan membran buatan menggabungkan sistem berbasis bacteriorhodopsin
dari archaeans , egHalobacterium halobium . Sistem seperti memfasilitasi translokasi tergantung cahaya
proton dan transmembran gradien elektrokimia yang dihasilkan dibuat dapat digunakan untuk
menghasilkan listrik . asam amino Beberapa asam amino yang diproduksi dalam jumlah komersial
melalui proses fermentasi langsung menggunakan strain mikroba overproducing , atau dengan
biotransformasi mikroba . Mereka sebagian besar bekerja sebagai makanan atau pakan ternak
suplemen dan senyawa rasa. Namun, beberapa asam amino juga memiliki kegunaan dalam obat-obatan
dan kosmetik , dan industri kimia untuk pembuatan polimer . l - Glutamic acid Dari semua proses
produksi asam amino , yang asam lglutamic mungkin adalah yang paling penting dalam hal
kuantitas . Kegunaan utamanya adalah sebagai penambah rasa , monosodium glutamat l -
( MSG ) , yang dapat meningkatkan dan mengintensifkan rasa makanan tanpa menambahkan rasa
signifikan sendiri . MSG secara alami ada dalam makanan tertentu dan ditemukan menjadi komponen '
aktif ' dari rasa - enhancing tradisional saham rumput laut yang digunakan dalam makanan Timur Jauh .
Senyawa ini adalah pertama diisolasi dari rumput laut , Laminaria japonica , pada tahun 1908 . Produksi
komersial di Jepang segera diikuti , menggunakan ekstrak protein kedelai dan gluten gandum . Pada
tahun 1959 pemerintah Food and Drug AS ( FDA ) mengklasifikasikan MSG sebagai ' umumnya dianggap
sebagai aman ' ( GRAS ) karena sejarah penggunaan yang aman , dan Organisasi Pangan dan Pertanian
Bersama ( FAO ) / Organisasi Kesehatan Dunia ( WHO ) Komite Pakar Aditif Makanan ( 1970) memberi
asupan harian yang dapat diterima sebagai berat 0-120 mg / kg tubuh . Sejak awal 1960-an , produksi
klasik metode menggunakan sumber tanaman sebagian besar telah digantikan oleh proses fermentasi ,
yang sekarang bertanggung jawab untuk produksi tahunan lebih dari 400 000 ton . Harga MSG dalam
perdagangan internasional adalah rata-rata dari US $ 1.20/kg dan terpisah dari penggunaan yang luas
dalam makanan oriental , itu akan ditambahkan ke berbagai produk makanan , khususnya sup , gravies ,
saus dan makanan ringan . Penghasil asam glutamat mikroorganisme termasuk spesies dari genus
Arthrobacter terkait erat , Brevibacterium , Corynebacterium , Microbacterium dan Micrococcus . Ini
adalah Gram - positif , biotinrequiring , bakteri non - motil yang memiliki aktivitas dehidrogenase
glutamat intens .Spesies Brevibacterium dan Corynebacterium digunakan untuk sebagian fermentasi
industri. The wild type Corynebacterium glutamicum , misalnya , menunjukkan inhibisi umpan balik
ketika konsentrasi asam glutamat seluler meningkat menjadi 5 % pada basis berat kering . Namun, strain
produksi dikembangkan dengan menggunakan mutagenesis dan seleksi program keduanya mutan
peraturan dan auksotrofik . Strain ini telah dikembangkan dengan konsentrasi steady -state asam amino
sitoplasma tinggi . Mereka mengumpulkan sekitar 30 % - l glutamat asam dan menghasilkan 1 mol
glutamat per 1,4 mol glukosa , dan yang lebih penting tahan fag . Baru-baru ini , teknologi DNA
rekombinan telah digunakan untuk meningkatkan aktivitas enzim biosintesis tertentu dengan
transformasi dengan plasmid multicopy bantalan gen struktural untuk enzim tersebut . Strategi
keseluruhan untuk mencapai kelebihan produksi asam amino meliputi :
1 meningkatkan aktivitas enzim anabolik ;
2 manipulasi peraturan untuk menghapus mekanisme kontrol umpan balik ;
3 memblokir jalur yang mengarah ke produk sampingan yang tidak diinginkan ;
4 memblokir jalur yang mengakibatkan degradasi produk target , dan
5 membatasi kemampuan untuk memproses prekursor langsung dari asam - l glutamat ,
asam yaitu Oxoglutaric , untuk nextintermediate asam trikarboksilat
( TCA ) siklus , suksinil koenzim A ( CoA ) , yaitu penggunaan mutan kurang
dehidrogenase asam Oxoglutaric .
Selama fase pertumbuhan mutan ini menghasilkan intermediet penting
dari isocitrate melalui siklus glioksilat (Gambar 10.7 ) . Selain itu, bakteri ini biasanya tidak mengeluarkan
glutamat , berbagai perawatan yang digunakan untuk membuat sel-sel lebih permeabel dan bantuan
rilis amino
asam ke dalam media . Perawatan ini meliputi: pembatasan biotin , pembatasan biosintesis fosfolipid
dengan menambahkan asam lemak jenuh C16 - C selama fase pertumbuhan , dan penyertaan surfaktan
( misalnya Tween 40 ) dan penisilin di media produksi .
PRODUKSI INDUSTRI asam L-glutamat
Fermentor skala industri biasanya stainless steel reaktor tangki berpengaduk hingga 450 m . Ini adalah
proses batch, dioperasikan aerobik pada 30-37 ° C , temperatur tertentu tergantung pada
mikroorganisme yang digunakan .
Terlepas dari karbon dan nitrogen sumber , media fermentasi biasanya mengandung garam anorganik ,
menyediakan tingkat membatasi biotin magnesium , mangan , fosfat dan kalium , dan . Corynebacteria
yang bergizi
cerewet dan mungkin juga memerlukan vitamin lain , asam amino , purin dan pirimidin . Sumber karbon
yang disukai adalah karbohidrat , sebaiknya glukosa atau sukrosa . Tebu atau gula bit molasses dapat
digunakan , tetapi
menengah memerlukan modifikasi lebih lanjut sebagai tingkat biotin mereka cenderung terlalu tinggi .
Hal ini dapat diatasi dengan penambahan asam lemak jenuh , penisilin atau surfaktan yang
mempromosikan ekskresi . Sumber nitrogen ( garam amonium , urea atau amonia ) diumpankan secara
perlahan untuk mencegah penghambatan l - glutamat
produksi . PH Medium dipertahankan pada 7-8 dengan penambahan alkali , sebaliknya
pH semakin jatuh sebagai l - glutamat diekskresikan ke dalam medium . Akumulasi asam - l glutamat
tidak menjadi nyata sampai pertengahan fermentasi , yang biasanya berlangsung selama 35-40 jam dan
mencapai kadar asam lglutamic dalam kaldu dari 80 g / L.
Produk pemulihan melibatkan pemisahan sel dari medium kultur . Asam - l glutamat kemudian
mengkristal dari media dihabiskan dengan menurunkan pH titik isoelektrik atas pH 3,2 menggunakan
asam klorida . Kristal asam - l glutamat kemudian disaring dan dicuci . MSG dibuat dengan
menambahkan larutan natrium hidroksida dengan kristal - l glutamat asam diikuti dengan rekristalisasi .
L -Lysine
l - Lysine tidak disintesis oleh manusia dan mamalia lainnya . Ini asam amino ' esensial ' harus diperoleh
sebagai
bagian dari diet mereka . Namun, banyak sereal dan sayuran relatif rendah lisin . Akibatnya, produk
makanan dan pakan ternak berasal dari sumber-sumber ini sering dilengkapi dengan asam amino ini .
Dunia tahunan
produksi l - lisin yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan ini sekarang lebih dari 380 000 ton . Lebih
dari 90 000 ton lisin ini sedang diproduksi oleh fermentasi dan biotransformasi metode mikroba
langsung .
Sisanya diproduksi oleh sintesis kimia .
Namun, rute ini memiliki kelemahan utama yang campuran d -the
dan l - isomer disintesis , tetapi hanya l - lisin bahwa tubuh memanfaatkan . Dengan demikian , resolusi
optik diperlukan setelah sintesis kimia , sedangkan
produksi mikroba memiliki keuntungan bahwa hanya lisomer terbentuk .
PRODUKSI INDUSTRI l - LISIN
Kontrol metabolik - l lisin produksi wild type C. glutamicum ditunjukkan pada Gambar . 10.8 . Langkah
kunci pertama dari jalur metabolisme ini , aspartat untuk aspartil fosfat , dikatalisis oleh aspartokinase ,
dikendalikan melalui umpan balik
penghambatan oleh dua produk akhir ini bercabang jalur , lisin dan treonin . Aktivitas dehidrogenase
homoserine juga tunduk pada umpan balik inhibisi oleh
treonin dan represi oleh metionin . Namun, dihydropicolinate
sintetase tidak dihambat oleh akumulasi lisin , yang tidak biasa untuk enzim pertama setelah titik cabang
jalur . Strain over- produksi dari C. glutamicum dipilih untuk produksi lisin memiliki cacat dalam
mekanisme kontrol umpan balik ini . Mereka tidak homoserine dehidrogenase
aktivitas dan dengan demikian auxotrophs homoserine . Auxotrophs ini mengkonversi semua aspartat
semialdehid untuk lisin , dan karena kurangnya sintesis treonin , tidak ada lagi kontrol umpan balik ( lihat
Gambar . 10,8 ) .
Namun, jumlah yang diukur dengan hati-hati dari treonin , metionin
dan isoleusin harus ditambahkan ke dalam media kultur untuk mengaktifkan bakteri auksotrofik ini
untuk tumbuh . Kebanyakan - l lisin fermentasi komersial dioperasikan sebagai proses batch dalam