Pretreatment categories, process alternatives and material characteristics in enzymatic hydrolysis of lignocellulose
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2016-08-26
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
75 + app. 67
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 146/2016
Abstract
Fractionation of lignocellulose materials to sugars is a major strategy for the production of renewable fuels and chemicals. This study compares the potential of two major pretreatment categories, hydrothermal treatment and delignification, and contributes to scientific understanding of the phenomena behind enzymatic hydrolysability of wheat straw. Delignification was found to allow higher sugar yields. Since enzyme consumption is a key cost of the fractionation process, the optimal yield target depends on enzyme price. To allow yield optimization, a novel empirical model was developed for the process sugar yield as a function of enzyme consumption and hydrolysis time. The usability of the model was demonstrated by comparing the feasibility of different process alternatives for fractionation. The changes in the material properties of lignocellulose by pretreatments were correlated to cellulose hydrolysability, and for the first time, the importance of the different properties was determined statistically. In the order of importance, the hydrolysis yield depended on cellulose surface area, pore accessibility, lignin content, lignin surface chemistry, cellulose crystallinity and hemicellulose content. During enzymatic hydrolysis, the surface area of cellulose correlated linearly with the total cellulose content, but contrary to expectations, hydrolysis did not reveal fresh lignin surfaces. Different rate constraining mechanisms were incorporated in a Michaelis-Menten type kinetic model, and it was found that permanent hydrolysis-dependent enzyme inactivation should be included with the previously well-established effects of product inhibition and reduction of hydrolysability. For improving fractionation processes, different technological solutions were studied. A flow through process was found to improve fractionation by delignification, but no additional improvement was achieved by counter-current operation. By studying and simulating the packing density and flow properties of a packed straw bed, a flow-through process was found to be possible without clogging the straw bed by compaction. The height of an industrial scale column is restricted by the applicable flow rate. With the simulation model, it was possible to determine the maximum volumetric throughput as a function of column height. Recycling of the solid residue during enzymatic hydrolysis was found to be inefficient for enzyme recycling, but efficient for product removal, with similar benefits as sequential hydrolysis. Both processes significantly improved the volumetric productivity of hydrolysis by increasing the solids concentration without reducing yield. Alternatively, this benefit could be redirected into increasing the yield by maintaining reaction volume with additional water, leading to dilution of the hydrolysis conditions.Lignoselluloosamateriaalien fraktiointia ja pilkkomista sokereiksi on tutkittu laajasti uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien tuottamiseksi. Tässä tutkimuksessa vertailtiin kahden tärkeimmän esikäsittelykategorian, hydrotermisen käsittelyn ja delignifioinnin, vaikutusta vehnän oljesta entsyymihydrolyysillä saatavaan sokerisaantoon ja sen taustalla oleviin ilmiöihin. Suuremmat sokerisaannot saavutettiin delignifioinnilla. Koska entsyymikulutus on yksi prosessin avainkustannuksista, saantotavoite tulisi optimoida entsyymin hinnan mukaan. Tätä varten kehitettiin uusi empiirinen malli sokerisaannolle entsyymikulutuksen ja reaktioajan funktiona, ja mallin käyttöä havainnollistettiin suoraviivaisella kannattavuusanalyysillä eri fraktiointiprosesseille. Esikäsittelyjen vaikutuksia lignoselluloosan materiaaliominaisuuksiin vertailtiin hydrolyysisaantoihin ja eri ominaisuudet asetettiin ensimmäistä kertaa tilastollisesti tärkeysjärjestykseen seuraavasti: selluloosan pinta-ala, huokosrakenne, ligniinin määrä, ligniinin pintakemia, selluloosan kiteisyys ja hemiselluloosan määrä. Selluloosan pinta-ala pieneni lineaarisesti selluloosamäärän kanssa, kun taas ligniinin pinta-ala pysyi lähes muuttumattomana, vaikka hydrolyysin odotettiin paljastavan tuoreita ligniinipintoja. Erilaisia reaktionopeutta laskevia tekijöitä arvioitiin yhdistämällä niitä Michaelis-Menten –tyyppiseen kinetiikkamalliin. Havaittiin että aiemmissa malleissa huomioitujen lopputuoteinhibition ja hydrolysoituvuuden laskun lisäksi malliin on perusteltua lisätä hydrolyysiasteesta riippuva peruuttamaton inhibitiotekijä. Fraktioinnin tehostamiseksi tutkittiin vaihtoehtoisia prosessiratkaisuja. Läpivirtausprosessin havaittiin parantavan sokerisaantoja delignifioinnissa, mutta vastavirtaprosessi ei tuonut lisäparannusta suoraan läpivirtaukseen verrattuna. Olkipedin pakkaustiheyttä ja virtausominaisuuksia määritettiin ja simuloinnin avulla läpivirtausprosessi havaittiin käyttökelpoiseksi suuressa mittakaavassa. Oljen kokoonpuristuminen rajoitti käytettävää virtausnopeutta, mikä taas vaikutti kolonnin kapasiteettiin ja korkeuteen. Kolonnin kapasiteetti määritettiin korkeuden funktiona simuloinnin avulla. Kiintoaineen kierrätys entsyymihydrolyysissä ei toiminut entsyymien kierrätysmenetelmänä, mutta oli sen sijaan tehokas tapa poistaa tuotetta, yhtälailla kuin moninkertainen hydrolyysi. Kumpikin tehosti merkittävästi volumetrista tuottavuutta mahdollistamalla korkeamman kuiva-ainepitoisuuden ilman saannon laskua. Vaihtoehtoisesti hyöty kyettiin ohjaamaan hydrolyysisaannon kasvuksi vakioimalla reaktiotilavuus, jolloin veden lisäys johti kokonaisprosessiolosuhteiden laimenemiseen.Description
Supervising professor
Vuorinen, Tapani, Prof., Aalto University, Department of Forest Products Technology, FinlandThesis advisor
Laakso, Simo, Emeritus Prof., Aalto University, FinlandNyyssölä, Antti, D.Sc. (Tech.), VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
Keywords
lignocellulose hydrolysis, cellulase, pretreatment, wheat straw, yield optimization, lignoselluloosan hydrolyysi, sellulaasi, esikäsittely, vehnän olki, optimointi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Pihlajaniemi, V., Sipponen, M.H., Pastinen, O., Lehtomäki, I., Laakso, S. Yield optimization and rational function modeling of enzymatic hydrolysis of wheat straw pretreated by NaOH-delignification, autohydrolysis and their combination. Green Chem, 17, 1683-1691 (2015).
DOI: 10.1039/C4GC02218A View at publisher
-
[Publication 2]: Pihlajaniemi, V., Sipponen, M.H., Liimatainen, H., Sirviö, J.A., Nyyssölä, A., Laakso, S. Weighing the factors behind hydrolysability of lignocellulose materials. Green Chem. 18, 1295–1305 (2016).
DOI: 10.1039/C5GC01861G View at publisher
-
[Publication 3]: Pihlajaniemi, V., Sipponen, M.H., Kallioinen, A., Nyyssölä, A., Laakso, S. Rate constraining changes in surface properties, porosity and hydrolysis kinetics of lignocellulose in the course of enzymatic saccharification. Biotechnol. Biofuels 9:18, 1–12 (2016).
DOI: 10.1186/s13068-016-0431-3 View at publisher
-
[Publication 4]: Pihlajaniemi V., Sipponen, M.H., Pastinen O., Nyyssölä, A., Laakso, S. The effect of direct and counter-current flow-through delignification on enzymatic hydrolysis of wheat straw and flow limits due to compressibility. Biotechnol. Bioeng. In press (2016).
DOI: 10.1002/bit.26030 View at publisher
-
[Publication 5]: Pihlajaniemi, V., Sipponen, S., Sipponen, M.H, Pastinen, O., Laakso, S. Enzymatic saccharification of pretreated wheat straw: Comparison of solids-recycling, sequential hydrolysis and batch hydrolysis. Bioresour. Technol. 153, 15-22 (2014).
DOI: 10.1016/j.biortech.2013.11.060 View at publisher
