SO2-ethanol-water fractionation and enzymatic hydrolysis of forest biomass

Abstract

Utilization of forest harvest residues in a biofuel production process was studied. The chemical composition of forest biomass and its effects on processability were evaluated. The biomass was fractionated using the SO2-ethanol-water (SEW) pulping technology and optimal processing conditions were determined. Conversion of the released cellulosic fibers into sugar monomers through enzymatic hydrolysis was also studied. The raw materials included hardwood (HW) and softwood (SW) biomass which consisted mainly of branches and tree tops. The chemical composition differed clearly from that of stem wood due to the presence of bark and special tissues, such as reaction wood, in biomass. SEW fractionation efficiently dissolved lignin and hemicelluloses from biomass while cellulose remained mostly intact. The degradation of dissolved hemicelluloses was minimal and thus, compounds inhibiting the fermentation were not produced in notable quantities at normal operating conditions. However, sugar degradation was observed at severe treatment conditions. Hemicellulose dissolution and HW delignification were comparable to those of stem wood but SW delignification was clearly inferior. Especially the presence of polyphenolic acids, typical for coniferous bark, was found to reduce the degree of delignification. The negative effect of SW bark was also demonstrated by purposely adding bark to the feedstock, resulting in increased amounts of undigested wood rejects. Similar effect was not observed with HW biomass since its rejects consisted mainly of undigested bark. Both HW and SW SEW fibers were effectively hydrolyzed by commercial enzymes although SW biomass fibers required significantly higher enzyme dosages. Especially a high residual lignin content in the SEW treated fibers reduced the enzymatic hydrolysis and this explains in part the high recalcitrance of SW biomass. Besides lignin, polyphenolics present in SW bark also bind to the enzymes thereby reducing their hydrolytic activity. SW bark was found to notably impair hydrolysis while HW bark only had a negative effect on enzymatic hydrolysis at very high bark content. Based on this study it was estimated that the best method for overcoming the negative effects of bark was to apply surfactants during enzymatic treatment. It was also speculated that lignosulfonates produced in the SEW fractionation could be utilized as enzyme enhancers instead of commercial surfactants.

Työssä tutkittiin metsähakkuutähteiden käyttöä eräässä biopolttoaineen valmistusprosessissa. Erityisesti perehdyttiin raaka-aineen kemialliseen koostumukseen sekä sen vaikutuksiin prosessissa. Metsäbiomassaa fraktioitiin SO2-etanoli-vesi-keitolla, ja prosessille määriteltiin suotuisat olosuhteet. Lisäksi tutkittiin fraktioinnista saatavan kiinteän jakeen eli kuitujen entsymaattista hydrolyysiä. Raaka-aineena käytettiin sekä havu- että lehtipuubiomassaa, joka koostui pääosin puun oksista ja latvuksista. Biomassan kemiallinen koostumus poikkesi selvästi runkopuusta johtuen sekä hakkuutähteiden sisältämistä kuoresta että erilaisista solukoista, kuten reaktiopuusta. Tutkittu fraktiointimenetelmä liuotti biomassasta tehokkaasti sekä hemiselluloosaa että ligniiniä, mutta selluloosa ei hajonnut fraktioinnin aikana. Keittonesteeseen liuenneiden sokerien hajoaminen käsittelyn aikana oli erittäin vähäistä, ja näin ollen fermentaatiota estäviä kemikaaleja ei syntynyt merkittävästi normaaleissa käsittelyolosuhteissa. Voimakkaampi käsittely nosti kuitenkin hajoamistuotteiden pitoisuutta. Hemiselluloosan liukeneminen ja lehtipuubiomassan delignifiointi olivat verrattavissa runkopuun vastaaviin tuloksiin, mutta havupuubiomassan delignifiointi oli huomattavasti heikompaa johtuen etenkin havupuukuoren fenolihapoista. Havupuukuoren haitallinen vaikutus todistettiin myös tutkimalla kuoripitoisuuden kasvattamisen vaikutusta rejektien määrään ja laatuun: puurejektin määrä lisääntyi selvästi kuoripitoisuuden noustessa. Lehtipuulla vastaavaa vaikutusta ei havaittu, vaan rejekti koostui pääosin kuoresta. Sekä havu- että lehtipuukuidut hydrolysoituivat tehokkaasti kaupallisen entsyymiliuoksen avulla, mutta havupuubiomassa vaati huomattavasti korkeampia entsyymiannoksia. Tutkitulla fraktiointimenetelmällä valmistettujen kuitujen ominaisuuksista erityisesti korkean ligniinipitoisuuden todettiin heikentävän entsymaattista hydrolyysiä, mikä osaltaan vaikeutti havupuukuitujen käsittelyä. Ligniinin lisäksi myös kuoren fenolihapot voivat sitoa entsyymejä heikentäen niiden tehokkuutta. Havupuukuori heikensi entsymaattista hydrolyysiä merkittävästi, kun taas lehtipuukuorella oli negatiivinen vaikutus vain huomattavan korkeissa kuoripitoisuuksissa. Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin, että pinta-aktiivisten aineiden käyttö entsymaattisessa hydrolyysissä on paras tapa vähentää kuoren haittavaikutuksia. Näiden kaupallisten kemikaalien sijaan fraktioinnissa syntyviä lignosulfonaatteja voitaisiin mahdollisesti hyödyntää saantojen parantamisessa.