Development of pretreatment technology and enzymatic hydrolysis for biorefineries
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2014-05-28
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
107 + app. 64
Series
VTT Science, 56
Abstract
The growing demand for energy, materials and food, depletion of fossil raw material reservoirs and increasing environmental concerns have all increased interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass is an alternative for replacing fossil raw materials in the production of fuels, materials and various chemicals. Lignocellulose present in plant cell walls consists mainly of polysaccharides, cellulose and hemicellulose, and aromatic lignin. These major components form a complex structure that is resistant to microbial and enzymatic activity. Due to the recalcitrant structure of plant cell walls, lignocellulosic raw materials must be pretreated before their enzymatic hydrolysis to monosaccharides. Various pretreatment methods; chemical, physical, biological or their combinations, have been developed. After pretreatment, polysaccharides can be hydrolysed enzymatically to monosaccharides, which in turn can be fermented to different products such as ethanol. Currently the first commercial scale lignocellulosic ethanol plants have started production. A secure supply of biomass is one of the key factors for a feasible biorefinery, and new alternative feedstocks are still required especially in northern climates in order to fulfil the raw material demands of biorefineries in a sustainable way. In addition, development of new pretreatment technologies and more efficient enzymatic hydrolysis are needed. New lignocellulosic feedstocks and improved pretreatment methods were studied in the work described in this thesis. Reed canary grass and barley straw were found to be interesting carbohydrate-rich raw materials that could be pretreated by steam explosion and hydrolysed enzymatically with yields comparable to those obtained from wheat straw. Selection of the most favourable harvest time for reed canary grass, autumn or spring, was studied in relation to pretreatment and hydrolysis yields. Spring harvested reed canary grass was found to be the more suitable raw material as it had a higher cellulose content and the pretreated fibre was hydrolysed more efficiently compared to autumn harvested material. A new pretreatment method using sodium carbonate and oxygen pressure was developed. The alkaline oxidation method fractionated biomass into a carbohydrate-rich fibre and a dissolved fraction containing most of the lignin. The produced carbohydrate-rich fibre could be efficiently hydrolysed by enzymes and the hydrolysis was also efficient at 12% dry matter content. Compared to the 52% total glucose yield obtained in enzyme hydrolysis of spruce after pretreatment by steam explosion, a significantly higher glucose yield of 84% was obtained in hydrolysis after alkaline oxidation. Different kinds of raw materials, such as spruce, birch and sugar cane bagasse, could be efficiently pretreated by alkaline oxidation. The main effects of alkaline oxidation pretreatment were dissolution and partial degradation of lignin and hemicellulose. Some galactoglucomannan and xylan was solubilised and further oxidised to other products, and therefore relatively low yields of hemicellulose were obtained. Organic acids were formed as degradation products of lignin and carbohydrates. Process conditions were partially optimized using spruce as raw material in order to improve the efficiency of alkaline oxidation. The pretreatment could be accelerated by increasing the treatment temperature, by the use of copper-phenanthroline catalyst, and by decreasing the particle size of the raw material. Further optimization of e.g. alkali dosage and the solid to liquid ratio is still required to improve hemicellulose yield and economical feasibility. Fibre fractions of alkaline oxidation could be hydrolysed by low enzyme dosages, 2–4 FPU/g dry matter. Significantly higher enzyme dosages were required in the hydrolysis of steam exploded materials, probably due to the inhibitory effect of the high residual lignin content after the pretreatment. The efficient hydrolysis of alkaline oxidised materials by low enzyme dosages can decrease enzyme costs or enable shorter hydrolysis time. In order to further improve the hydrolysis efficiency and decrease the required enzyme dosage, enzyme mixtures were optimized regarding the major enzymes needed in biomass hydrolysis. Optimized mixtures of thermostable enzymes were found to have significantly different proportions of cellobiohydrolases, endoglucanases and xylanase than the optimized mixtures of Trichoderma reesei enzymes. Although different, the significant role of cellobiohydrolases was demonstrated in both types of mixtures. The results also indicated that high xylanase activity was required in the hydrolysis of pretreated materials having decreased enzyme accessibility to cellulose due to high xylan content or possibly due to drying of the substrate. The hydrolysis performance of optimized enzyme mixtures of five thermostable enzyme components was shown to be close to that of state-of-the-art commercial mixtures.Kasvavat energian, materiaalien ja ruuan tarpeet, fossiilisten raaka-ainevarojen vähentyminen ja huoli ympäristöstä ovat lisänneet kiinnostusta uusiutuviin luonnonvaroihin. Lignoselluloosapohjainen biomassa on vaihtoehto fossiilisille raaka-aineille polttoaineiden, materiaalien ja monien kemikaalien tuotannossa. Kasvien soluseinän lignoselluloosa koostuu pääosin polysakkarideista, kuten selluloosasta ja hemiselluloosasta, sekä aromaattisesta ligniinistä. Nämä pääkomponentit muodostavat monimutkaisen rakenteen, joka on hyvin kestävä mikrobien ja entsyymien hajotukselle. Koska kasvien soluseinät ovat lujia, lignoselluloosapohjaiset raaka-aineet täytyy esikäsitellä ennen entsymaattista hydrolyysia monosakkarideiksi. Erilaisia kemiallisia, fysikaalisia ja biologisia esikäsittelymenetelmiä tai niiden yhdistelmiä on kehitetty. Esikäsittelyn jälkeen polysakkaridit voidaan hydrolysoida entsymaattisesti monosakkarideiksi, jotka voidaan edelleen fermentoida erilaisiksi tuotteiksi, kuten etanoliksi. Tällä hetkellä ensimmäiset kaupallisen mittakaavan lignoselluloosapohjaista bioetanolia valmistavat tehtaat ovat aloittaneet tuotannon. Koska kannattava biojalostamo vaatii turvatut raaka-ainelähteet, uusia ja vaihtoehtoisia biomassoja tarvitaan edelleen erityisesti pohjoisessa ilmastossa täyttämään biojalostamoiden raaka-ainetarve. Myös uusien esikäsittelytekniikoiden kehitystä ja nykyistä tehokkaampaa entsyymihydrolyysiä tarvitaan. Tässä työssä tutkittiin uusia lignoselluloosaraaka-aineita ja kehitettiin esikäsittelymenetelmiä. Tutkimuksessa havaittiin, että ruokohelpi ja ohran olki olivat kiinnostavia korkean hiilihydraattipitoisuuden omaavia raaka-aineita, jotka voitiin esikäsitellä höyryräjäytyksellä ja hydrolysoida entsymaattisesti vehnän olkeen verrattavilla saannoilla. Ruokohelven korjuuajankohdan vaikutusta esikäsittelyyn ja hydrolyysisaantoon tutkittiin syksyllä ja keväällä korjatulla ruokohelvellä. Keväällä korjatun ruokohelven havaittiin olevan sopivampi raaka-aine, sillä sen selluloosapitoisuus oli suurempi ja siitä saatu esikäsitelty kuitu hydrolysoitui paremmin verrattuna syksyllä korjattuun materiaaliin. Tutkimuksessa kehitettiin uusi esikäsittelymenetelmä, joka perustui alkaliseen käsittelyyn hapettavissa olosuhteissa käyttämällä kemikaaleina natriumkarbonaattia ja happea. Alkalihapetus fraktioi biomassan hiilihydraattipitoiseen kuituun ja ligniinipitoiseen liuenneeseen fraktioon. Tuotettu kuitu voitiin hydrolysoida tehokkaasti entsyymeillä, ja hydrolyysi oli tehokas myös 12 %:n kuiva-ainepitoisuudessa. Verrattuna höyryräjäytetyllä kuusella saatuun 52 %:n glukoosisaantoon esikäsittelyssä ja hydrolyysisssä, merkittävästi korkeampi 84 %:n glukoosisaanto saatiin käyttämällä alkalihapetusta esikäsittelynä. Menetelmä soveltui erilaisten raaka-aineiden, kuten kuusen, koivun ja sokeriruokobagassin, esikäsittelyyn. Alkalihapetuksen päävaikutukset olivat ligniinin ja hemiselluloosan liukeneminen ja osittainen hajoaminen. Osa galaktoglukomannaanista ja ksylaanista liukeni ja hapettui edelleen muiksi tuotteiksi, ja siksi hemiselluloosasaanto oli suhteellisen alhainen. Alkalihapetuksessa muodostui ligniinin ja hiilihydraattien hajoamistuotteina orgaanisia happoja. Prosessiolosuhteita optimoitiin alkalihapetuskäsittelyn tehokkuuden parantamiseksi käyttämällä kuusta raaka-aineena. Esikäsittelyä voitiin tehostaa nostamalla käsittelylämpötilaa, käyttämällä kupari-fenantroliini-katalyyttiä ja pienentämällä raaka-aineen partikkelikokoa. Hemiselluloosasaannon ja taloudellisen tehokkuuden parantamiseksi tarvitaan esimerkiksi alkaliannostuksen ja kiintoaine-neste-suhteen lisäoptimointia. Alkalihapetus-esikäsittelystä saadut kuitufraktiot hydrolysoituivat tehokkaasti jo alhaisilla entsyymiannoksilla, 2–4 FPU/g kuiva-ainetta. Merkittävästi korkeampia entsyymiannoksia tarvittiin höyryräjäytettyjen materiaalien hydrolyysissä, mikä johtui todennäköisesti korkean ligniinipitoisuuden aiheuttamasta inhiboivasta vaikutuksesta. Alkalihapetettujen materiaalien tehokas hydrolyysi alhaisilla entsyymiannostuksilla voi alentaa entsyymikustannuksia tai mahdollistaa lyhyen hydrolyysiajan. Biomassan hydrolyysissa tarvittavien pääentsyymien seoksien koostumusta optimoitiin, jotta hydrolyysiä voitaisiin edelleen tehostaa ja alentaa entsyymiannoksia. Lämpöstabiilien entsyymien optimoiduissa seoksissa oli eri suhteissa sellobiohydrolaaseja, endoglukanaaseja ja ksylanaasia kuin Trichoderma reesei -homeen entsyymeistä koostetuissa optimoiduissa seoksissa. Sellobiohydrolaasit olivat kuitenkin merkittävin entsyymi molemmissa seoksissa. Saadut tulokset viittaavat siihen, että korkeaa ksylanaasiaktiivisuutta tarvitaan sellaisten esikäsiteltyjen materiaalien hydrolyysissä, joissa entsyymien pääsy selluloosaan on heikentynyt korkeasta ksylaanipitoisuudesta tai mahdollisesti raaka-aineen kuivaamisesta johtuen. Viiden termostabiilin entsyymin optimaaliset seokset vastasivat hydrolyysitehokkuudeltaan kaupallisia entsyymiseoksia.Description
Supervising professor
Ojamo, Heikki, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Espoo, FinlandThesis advisor
Kruus, Kristiina, Research Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finlandvon Weymarn, Niklas, Dr., Metsä Fibre Ltd, Espoo, Finland
Keywords
lignocellulose, pretreatment, enzymatic hydrolysis, optimal enzyme mixture
Other note
Parts
- [Publication 1]: Anne Kallioinen, Jaana Uusitalo, Katri Pahkala, Markku Kontturi, Liisa Viikari, Niklas von Weymarn, and Matti Siika-aho. 2012. Reed canary grass as a feedstock for 2nd generation bioethanol production. Bioresource Technology, volume 123, pages 669-672. doi:10.1016/j.biortech.2012.07.023.
- [Publication 2]: Stella Rovio, Anne Kallioinen, Tarja Tamminen, Maija Hakola, Markku Leskelä, and Matti Siika-aho. 2012. Catalysed alkaline oxidation as a wood fractionation technique. BioResources, volume 7, number 1, pages 756-776. doi:10.15376/biores.7.1.0756-0776.
- [Publication 3]: Anne Kallioinen, Maija Hakola, Tiina Riekkola, Timo Repo, Markku Leskelä, Niklas von Weymarn, and Matti Siika-aho. 2013. A novel alkaline oxidation pretreatment for spruce, birch and sugar cane bagasse. Bioresource Technology, volume 140, pages 414-420. doi:10.1016/j.biortech.2013.04.098.
- [Publication 4]: Anne Kallioinen, Terhi Puranen, and Matti Siika-aho. Mixtures of thermostable enzymes show high performance in biomass saccharification. Applied Biochemistry and Biotechnology. In press. doi:10.1007/s12010-014-0893-3.
