Titelaufnahme

Titel
Enzymatic degradation of superflat cellulose surfaces / Judith Dohr
Verfasser/ VerfasserinDohr, Judith
Begutachter / BegutachterinKrenn Joachim
Erschienen2011
UmfangVII, 93 Bl. : 2 Zsfassungen ; Ill., graph. Darst.
HochschulschriftGraz, Univ., Dipl.-Arb., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. und engl. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (GND)Cellulose / Hydrolyse / Enzymaktivität / Bioenergie / Cellulose / Hydrolyse / Enzymaktivität / Bioenergie / Online-Publikation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-32723 Persistent Identifier (URN)
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Enzymatic degradation of superflat cellulose surfaces [6.14 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im Bereich der erneuerbaren Energien ist die enzymatische Hydrolyse von Zellulose eine zentrale Thematik für die Produktion von Biotreibstoffen zweiter Generation. Seit über 4 Jahrzehnten ist die enzymatische Hydrolyse Bestandteil intensiver Untersuchungen und obwohl dieser Prozess aus empirischem Blickwinkel weitgehend geklärt ist, sind morphologische und strukturelle Untersuchungen vergleichsweise unvollständig, obwohl eben diese Einblick in die Dynamik und deren Limitierungen ermöglichen würden. Zeitaufgelöste Rasterkraftmikroskopie (RKM) ermöglicht durch das hohe räumliche Auflösungsvermögen derartige Einblicke, bedarf jedoch gleichmäßig ebener und ultraflacher Probenoberflächen mit Rauheiten im nm-Bereich. Darüber hinaus ist der Aspekt der Reproduzierbarkeit, durch die korrelativen Untersuchungen einer großen Anzahl von Proben, eine essentielle Anforderung. Die vorliegende Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung einer Präparationsstrategie von Zellulose, welche die reproduzierbare Herstellung von extrem ebenen Oberflächen mit einer statistischen Höhenvariation von weniger als 10 nm ermöglicht. Dies ermöglicht die Beobachtung des enzymatischen Zellulose Abbaus über Cellulasen, sowie die Beobachtung einzelner Cellulase Komplexe als Schlüsselelement für weiterführende Untersuchungen. Die detaillierte Analyse der RKM Untersuchungen lieferte Einblick in die zeitliche Entwicklung von Oberflächenrissen und zeigte erstmals das komplexe Zusammenspiel von Hydrolyseeffekten außerhalb (Oberflächen Abtrag) und innerhalb (Oberflächen Penetration) der Risse. Die Untersuchungen ermöglichten die Ableitung eines Models für den enzymatischen Zellulose Abbau, welches in Einklang mit früher publizierten mechanistischen Modelvorschlägen ist. Die Herstellung von ultraflacher Zellulose als Voraussetzung für dynamische Untersuchungen mit molekularer Auflösung stellt das Zentralstück dieser Diplomarbeit dar und birgt enormes Potential für künftige Verbesserungen in diesem Gebiet.

Zusammenfassung (Englisch)

In the field of sustainable energies, enzymatic cellulose hydrolysis is a central topic for the production of second generation biofuels. Intensively investigated for more than 4 decades, the mechanisms of enzymatic cellulose hydrolysis are widely understood from an empirical point of view, whereas morphological and structural investigations, which would provide an important insight in their dynamics and limitations, are widely lacking. One approach is time resolved atomic force microscopy (AFM) which basically provides the spatial resolution required for a direct characterization of cellulose degradation process. However, the visualization of individual enzymes (cellulase complexes) and their hydrolyzing effect on cellulose demands homogenously smooth and nano-flat specimen surfaces even after exposure to the enzyme carrying buffer solution. In this diploma thesis we present a strategy for the fabrication of cellulose substrates, fulfilling the demands on roughness from the micro to the nanoscale with a reproducible character, revealing a final root mean square (RMS) surface roughness of less than 10 nm. The preparation strategy developed enabled the observation of enzymatic surface degradation and revealed the capability of visualizing individual single cellulases. The detailed analysis of AFM data revealed the temporal evolution of surface fissuring as a complex interplay between external (surface erosion) and internal (surface penetration/crack formation) enzymatic activity. The mesoscopic view presented within this thesis allows for the proposal of a model for the enzymatic cellulose hydrolysis consistent with previous mechanistic models in literature. The fabrication of ultraflat cellulose surfaces for dynamic investigations of enzymatic degradation with nm-resolution, as the main achievement of this thesis, provides high potential for further optimization of saccharification processes. This could be of crucial importance in this promising scientific field.