From Biodiversity to Bioindustry Development of enzymes for green - PowerPoint PPT Presentation

Verawat Champreda Microbial Biotechnology and Biochemicals Research Unit From Biodiversity to Bioindustry Development of enzymes for green industry

Biobased economy refers to all economic activity derived from activity focused on biotechnology. In other words, understanding mechanisms and processes at the genetic and molecular levels and applying this understanding to creating or improving industrial processes. Renewable resource Green & Clean processing Environmental & Economic sustainability

http://www.bio-step.eu

Bio-economy as a driving force for Thailand 4.0 New S-curve industry Biofuels • • Bioplastics • Commodity chemicals • Specialty chemicals 3.0 4.0 1.0 2.0 Thailand

Value-chain for bio-based industry http://www.slideshare.net/htk999/20160224-bioeconomy-242559

E nzyme & B io-based Food & Feed Pre-biotics/ supplements economy B iotechnology plays an increasing Biofuels & Chemicals importance on key industrial sectors Saccharification/ processing in production of commodity and specialty products in everyday life. Bioresources are explored as a genetic source for novel microbes Green processing and enzymes for the prospective Pulp/ Textile / Detergent bio-industry. C Crude SSF/ SmF enzymes Technical enzyme: Healthcares & T Crude/ Recombinant formulation Pharmacueuticals High-grade recombinant enzyme P Specialty high value enzymes

Enzyme: a key to bio-industry at global scale E nzymes are indispensable components in 2012 Enzyme business and bio-business sales by industry commodity and specialty products. • Biocatalysts in bio-processes • Additives in products for desirable properties Global enzyme market: 9,000 M $ (2020) with the growth rate of 6.8%/year Source: Freedonia Group, 2011

Enzyme & Bio-business in Thailand Enzyme import value: 2550-2555 Expected total value > 4,000 M THB/year Top Importer: FIN, DEN, CHI, USA, JAP

S trength W eakness ความหลากหลายทางชีวภาพและของจุลินทรีย์ ขาดความสามารถ ในการต่อยอดงานวิจัยสู่ระดับ • • ขยายขนาด งานวิจัยที�เข้มแข็งและต่อเนื�องทางด้านเอน ไซม์และ • ไม่มี Demonstration plant เพื�อ OEM/ODM ผลิตภัณฑ์จุลินทรีย์ (lab-scale) • ข้อจํากัด ในการประเมิน feasibility เพื�อ อุตสาหกรรมการหมักที�เข้มแข็ง ในการ ใช ้ • • จุลินทรีย์เพื�อการผลิตอาหาร อาหารสัตว์ ถ่ายทอดเทคโนโลยี SWOT สารเคมี และพลังงาน Enzyme & แผน New S-curve industry ด้าน • อุตสาหกรรมชีวภาพ Bio-industry • การลงทุนที�เพิ�มขึ1นของภาคเอกชน ในอุตสาหกรรม • ชีวภาพ การแข่งขัน ในตลาดเอน ไซม์ระดับ โลก • Niche market: ความจําเพาะต่อวัตถุดิบตั1งต้น • เอน ไซม์ทางการค้าและเทคโนโลยีทางเลือก • สภาวะในกระบวนการผลิต และรูปแบบผลิตภัณฑ์ (non-bio process) ในประเทศ การ license เทคโนโลยีโดยตรงจากต่างประเทศ • ศักยภาพ ในการเป ็ น Bio-industry hub ใน AEC • O pportunity T hreats ความจําเป็นในการพัฒนาเทคโนโลยีโรงงานต้นแบบที�ประกอบด้วยระบบการผลิต (process system) และองค์ความรู้ในการขยายขนาดการผลิต (process knowhow) ซึ�งเป็นสิ�ง สําคัญต่อการก้าวข้าม bottle neck ของงานวิจัยทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพของประเทศ 9

Enzymes for green industry Animal Feed Enhancing nutrition/ From diversity to industry digestibility Environmental Biofuels & metagenome Multi-activity Biorefinery W.T./Mutant Sugar platform conversion Enzyme Expression systems library Green processing Lab-to-pilot Pulp/Textile Production & Recombinant Reducing chemicals Formulation and energy Single activity Culture • E. coli collection • P. pastoris O. thermomethanolica * Specialty enzymes • • Aspergillus Healthcare products Local enzyme market = 2,500 M THB Global market = 4.4 Billion USD http://www.bccresearch.com

Thailand Bioresource Research Center (TBRC) A focal microbial bank network for microbial utilization in ASEAN • >10,000 isolates (+properties) of bacteria, yeast, and fungi Bioactive cpds Waste treatment Food supplement Bioremediation Pro-/Pre-biotics Cosmetics Biofertilizer Biofuels Biocontrol Bioenergy Plant growth promoter Green processing Food/Feed agents: paper, Pro-/Pre-biotics textiles

Cultured microbes Uncultured microbes Public database 99% 1% Termite gut Fosmid: 2 Gb Genome BCC: 80,000 strains Metagenome Peat swamp forest [NCBI/SRA] Shotgun: 13.5 Mb 454 Pyrosequencing Bioinformatic tools Stable lignocellulolytic • Sequence microbial consortium • Structure Shotgun: 34.9 Mb Titanium pyrosequencing Industrial bagasse collection site Strain improvement Shotgun (31.9 Mb)/ • Mutant Fosmid (428 Mb) • Transgenic Ion Proton/ Ion PGM Diversity/Genes/Pathways

Enzyme production platform Solid state fermentation (SSF): simple bulk fermented products Rotary drum fermenter Downstream Products Microbes processing Microbes Fungi Tray Fermented products Bacilli fermenter SSF enzyme Submerged fermentation (SmF): enzymes & high valued products Downstream Products Microbes processing Enzymes Bacteria Microbial agents Yeast Stirred Tank Fermenter Bioactive cpds Fungi • Batch Biopolymers Recombinant • Fed-batch Continuous •

Lignocellulose structure & decomposition Ligninase Auxiliary enz Bagasse • Lignin peroxidase & proteins • Mn-Peroxidase • Laccase Cellulose 33-51% Rice straw Hemicellulose 19-34% Corn stover Hemicellulase Cellulase Lignin 21-32% • Endo-acting: • Endoglucanase Xylanase/Mannanase • Exoglucanase • Exo-acting/debranching • β-Glucosidase Modified from Rubin (2008), Nature 454; 841-845

Pulp & Paper industry

ENZBleach: Alkaliphilic xylanase from termite gut metagenome ENZBleach: Alkaliphilic xylanase from termite gut metagenome Environmental metagenomic gene library Lab-scale 500 L 200 L Pilot-scale industrial process Recombinant DoE Optimisation expression in E. coli HCD Fermentation Brightness Chlorine Chemical Metatranscriptomics Energy Metaproteomics Waste water

Textile industry

Eco-friendly textile processing model Bleaching: Xylanase Singeing: Cellulase Energy Energy Chemical Energy Environment Chemical Waste water Chemical Desizing: Amylase treatment: Scouring: Pectinase bioremediation

ENZEase: Dual action enzyme for textile industry Raw cotton Raw cotton fabric fabric desizing DoE (SSF) Pre-pilot-scale A. aculeatus production by SSF & downstream processing amylase Enzyme for simultaneous scouring starch removal and surface wax cleaning pectinase Desizing: amylase bleaching Tegawa scale 6-7 Scouring: pectinase Printing & Printing & dying dying Water permeation < 30 s

Animal feed industry

Enzymes for animal feed & products Screening of fiber digesting enzymes for increasing digestibility of animal feedstuff Aspergillus • Optimal @40 o C, pH 4-5 Bacillus • Stable @80-90 o C for 1-5 min DoE (SSF) Pre-pilot SSF Cel/Xyl/Man Phytase gene Aspergillus niger BCC Pre-pilot SmF Rec Pichia pastoris Field test in- vitro digestibility test: • fiber • inhibitor Encapsulation & formulation http://www.rentechinc.com/biomassUtilization.php • nutrient

ENZBoost: Thermotolerant high-activity mannanase (WT/Rec) DoE (SSF) Pilot-scale A. niger •Mannanase production by SSF BCC4525 in- vitro Field test digestibility test: •fiber •inhibitor Encapsulation & •nutrient Feed additive formulation Recombinant P. pastoris Highest activity of mannanase from W.T. fungi previously reported Optimal activity @80 o C with wide T range (40-80 o C)

Bioethanol from cassava