Heterogen grupp

Väljandet av ett lämpligt underlag för att utföra SFF är väsentligt, eftersom processens framgång är beroende av det. SSF-substrat kräver egenskaper i förhållande till avfallets kemiska sammansättning (kolhydrater, kvävekälla, mineralsalter etc.) och dess fysiska egenskaper för en god tillväxt av filamentös svamp över avfallet. Fig. 15.3 visar hur svampen Trichoderma longibrachiatum växer på det fasta substratet och det är uppenbart att partikelstorleken och porositeten i substratet kan påverka flödesmönstret och fördelningen av näringsämnen. Små partiklar, eller partiklar med stora plana ytor, tenderar att packa ihop tätt, vilket gör det svårt att lufta substratmassan. Om mikroorganismen kan tränga in i partikeln ökar den direkt tillgängliga substratmängden och minskar det avstånd över vilket diffusionen måste ske. Därför utgör den optimala partikelstorleken ofta en kompromiss mellan näringsämnenas tillgänglighet och tillgången på syre .

Figur 15.3. Elektronisk skanningsmikroskopisk bild av Trichoderma longibrachiatum som odlas på polyamidfiber som används som stöd i faststatens fermentering.

För SSF innehåller flera restprodukter från jordbruksindustrin, t.ex. apelsin- och citronskal, värdefulla mängder pektin, som fungerar som stöd och inducerare. Citrusskal, som är den viktigaste fasta biprodukten från fruktförädlingsindustrierna, utgör cirka 50 % av den färska fruktens vikt. Citronskal är den viktigaste fasta biprodukten från citronförädlingsindustrin och utgör cirka 19,8 % av citronens torrvikt. Av denna anledning blir bortskaffandet och hanteringen av dessa restprodukter ett allvarligt problem för industrierna. Som ett alternativ till bortskaffande av skal kan de användas som substrat för produktion av höga nivåer av pektinolytiska enzymer.

Ruiz et al. studerade produktionen av pektinas av åtta olika svampstammar från släktena Aspergillus och Penicillium under SSF med citronskalrester som substrat, där A. niger Aa-20 var den bästa stammen. De fastställde betydelsen av valet av partikelstorlek och utförde SSF i en kolonn-bioreaktor vid 30 °C, 70 % fukthalt, 194 ml/min luftflöde och en substratpartikelstorlek (2-0,7 mm) av citronskalrester i 96 timmar. Under dessa förhållanden nådde de en maximal pektinasaktivitet runt 2181 U/L, vilket tyder på att denna process är ett mycket lovande alternativ för produktion av pektinas.

I flera studier noterades en ökning av nivån på produktionen av pektinas när de agroindustriella restprodukterna kompletterades med ytterligare kol- och kvävekällor. Patil och Dayanand rapporterade till exempel att tillskott av sackaros i citronskal, sorghumstam och solrosskalle för produktion av pektinas av A. niger DMF 27 och A. niger DMF 45 i SSF var effektivare än glukos. Vidare noterade de också att bland kvävekällorna höjde ammoniumsulfat produktionsnivån av pektinas från alla substrat .

Å andra sidan utfördes SSF också med ett konventionellt substrat som vetekli och kompletterat med apelsinskal som inducerare. Liu et al. förbättrade produktionen av extracellulärt pektinas av en nyisolerad A. niger JL-15-stam genom att optimera villkoren för SSF med hjälp av responsytemetodik. Den maximala pektinasaktiviteten var fyra gånger så hög som i basmediet med de optimala parametrarna 12,10 % apelsinskalspulver, 3,20 % ammoniumsulfat med användning av vetekli som fast substrat, 51,10 % fukthalt och 75 timmars jäsning. Li et al. fastställde också att apelsinskal och vetekli var de bästa substraten för produktion av pektinas och Diaz et al. visade den positiva effekten av att använda en blandning av druvrester och apelsinskal.

Det finns få konstruktioner tillgängliga för bioreaktorer som fungerar i SSF vid storskalig produktion av pektinas. Huerta et al. genomförde inledningsvis SSF med A. niger i en bioreaktor med packad bädd med en kapacitet från 10 till 25 kg torrsubstans och använde som kolkälla sockerrörsbagasse som impregnerats med en näringslösning som innehöll sackaros och citruspectin. Han och Chen rapporterade att gasdynamisk SSF med dubbel dynamik erbjöd större fördelar än statisk SSF vid industriell enzymberedning, t.ex. pektinas, glukoamylas, proteas och cellulosa, på grund av förbättrad enzymaktivitet och förkortad jäsningstid. I denna bioreaktor på 800 liter innehöll det fasta mediet 90 % vetekli, 5 % riskli, 2 % citrusskalpulver och 3 % majsmjöl, och olika vätske-fast-förhållanden i mediet (0,7, 1,0 och 1,3 (w/w)) användes. Pitol et al. skalade upp produktionen av pektinas av A. niger under SSF i bioreaktorer med packad bädd från 12 g torrsubstans i laboratorieskala till 20-30 kg torrsubstans i pilotskala. Utifrån den erhållna informationen, t.ex. förbrukningsgraden av O2 och fördelningen av temperatur och pektinasaktivitet, föreslog författarna en genomförbar strategi för att skala upp processen till industriell nivå.

Användningen av extremofila enzymer (alkalofila, termostabila osv.) pektinas har rönt stor uppmärksamhet på grund av potentialen för industriella tillämpningar. Hög stabilitet och aktivitet vid hög temperatur och alkalisk miljö har därför blivit önskvärda enzymegenskaper för industriell bearbetning. En hög nivå av alkalofilt pektinas producerades från en isolerad stam av B. subtilis under SSF med hjälp av kombinationer av billiga jordbruksrester (vetekli och bomullsfrökakaka, vetekli och citrusavfall, vetekli och alfa-alfa-löv, bomullsfrökakaka och citrusavfall, bomullsfrökakaka och alfa-alfa-löv, citrusavfall och alfa-alfa-löv, en blandning av de fyra substraten) . De bästa nivåerna erhölls dock när en blandning av vetekli och citrusavfall med ett tillägg av jästextrakt användes som substrat, vilket stämmer överens med de tidigare studier som rapporterats tidigare.

Thermostabila enzymer kan produceras av termofila stammar som den isolerade termofilen Thermoascus aurantiacus 179-5, som kunde producera höga halter av pektinlyas och polygalakturonas under SSF med apelsinbagass och vetekli som kolkällor. Dessa enzymer uppvisade en optimal temperatur runt 65 °C med god termostabilitet, särskilt pektinlyas, som var stabilt i 5 timmar vid 60 °C . Kaur och Saryanarayana fann att bland fyra termofila mögel producerade Sporotrichum thermophile en hög koncentration av xylanas, pektinas och cellulas efter fyra dagars inkubation i SSF. De kombinationer av jordbruksrester som testades var vetekli och citruspectin i förhållandet 1:1. I en annan studie isolerade Martin et al. 34 termofila och termotoleranta svampstammar från jord, organisk kompost och industriavfall med hjälp av ett odlingsmedium som innehöll pektin som enda kolkälla. Alla dessa isolerade stammar, som identifierades på genusnivå som Thermomyces, Aspergillus, Monascus, Chaetomium, Neosartoria, Scopulariopsis och Thermomucor, producerade pektinas under SSF. När Thermomucor indicae seudaticae odlades under SSF-förhållanden på medier som innehöll en blandning av vetekli och apelsinbagass (1:1) vid 70 % av den ursprungliga fuktigheten, var den maximala aktiviteten av polygalakturonas 120 U/mL, medan den i SmF endast producerade 13,6 U/mL.