Υδροθερμική προκατεργασία και ενζυμική υδρόλυση λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας

Abstract

Lignocellulosic biomass which includes agricultural and forestry residues and/or byproducts, is a promising source for the production of 2nd generation biofuels and chemicals. Lignocellulosic biomass from beech wood and pinewood, poplar and grapevine trimmings were used in the present study. The biomass samples were subjected to hydrothermal pretreatment, which aimed at the deconstruction of the microfibrils, and to enzymatic saccharification of cellulose towards glucose, while the effect of other mild processes, such as surface lignin extraction with organic solvents and the effect of a simultaneous enzymatic hydrolysis with milling, on the saccharification efficiency were also evaluated. The main effect of hydrothermal pretreatment was the selective dissolution of hemicellulose, catalyzed by the acetyl units contained in hemicellulose. Hemicellulose was retrieved in the hydrothermal process liquids as a mixture of soluble xylo-oligomers/monomeric xylose, and their concentration and ratio is governed by the severity of the processes, which is expressed with the severity factor logRo. Maximum hemicellulose recovery in the liquid product for all four types of biomass was close to 60%, a value achieved at severities of logRo= 3.8-4.14, with a corresponding value of 70-80% removal of hemicellulose from biomass. At more intense reaction conditions of logRo 4,7 almost all hemicellulose was removed from biomass but the greater part of xylose was converted to degradation products, such as furfural, formic acid and furoic acid, via dehydration, (re)hydration and oxidation reactions. Small amounts of glucose were also detected in the hydrothermal process liquids, originating either from a limited hydrolysis of cellulose or from soluble extractives present in the biomass of poplar, grapevine and pinewood, which were also converted to degradation products, such as HMF, formic and levulinic acid. Lignin is partially dissolved, relocated and recondensed on the surface of the biomass, while structural cellulose remains almost intact. Ηydrothermal pretreatment lead to an increase of the specific surface area and pore volume of the biomass. In the case of beech wood, poplar, and grapevine biomass, hydrothermal pretreatment allowed for the relatively high saccharification of cellulose at conversion levels of 67%, 50% and 75%, respectively, but only 19% for pine wood. The extraction of surface lignin with the organic solvents ethanol and acetone improved enzymatic conversion for beech wood and grapevine trimmings. Extraction of lignin with acetic acid enabled almost complete delignification of beech wood and its almost complete enzymatic saccharification. Enzymatic hydrolysis combined with milling led to additional improvement of saccharification for all types of biomass, reaching almost complete conversion for beech, 95% for grapevine, 67% for poplar and 58% for pine. The combined enzymatic hydrolysis - milling process resulted in some cases in considerable reduction of the necessary amount of enzyme without affecting the overall hydrolysis conversion. Finally the pretreated and delignified biomass samples were used as a low cost substrate for the production of cellulase from the microorganism T. reesei, achieving greater productivities compared to untreated biomass, while the beech wood hydrothermally pretreated and delignified by acetic acid gave cellulase yields similar to those obtained with commercial crystalline cellulose.

Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, που περιλαμβάνει κάθε είδους αγροτικά και δασικά υπολείμματα και παραπροϊόντα, αποτελεί μια υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή για την παραγωγή ενέργειας, βιοκαυσίμων και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκαν ως λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα ξύλο οξυάς και πεύκου και κλαδέματα λεύκας και αμπελιού. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα υποβλήθηκε σε υδροθερμική προκατεργασία, για την υδρόλυση της ημικυτταρίνης, και σε ενζυμική υδρόλυση για την σακχαροποίηση της κυτταρίνης. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση ήπιων διεργασιών, όπως η εκχύλιση της λιγνίνης με οργανικούς διαλύτες και η εφαρμογή άλεσης ταυτόχρονα με την ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης. Η υδροθερμική προκατεργασία είχε ως αποτέλεσμα την εκλεκτική απομάκρυνση της ημικυτταρίνης μέσω όξινης υδρόλυσης με καταλύτη τις οξικές ομάδες που εμπεριέχονται στην ημικυτταρίνη. Η ημικυτταρίνη ανακτάται στα υγρά προϊόντα της υδροθερμικής προκατεργασίας ως μίγμα ολιγομερών/μονομερών ξυλόζης, ενώ ο λόγος της συγκέντρωσης τους καθορίζεται από την ένταση των πειραματικών συνθηκών εκφραζόμενη με τον συντελεστή δριμύτητας logRo. Η μέγιστη ανάκτηση ημικυτταρίνης κυμαίνεται στο 60% και για τα τέσσερα είδη βιομάζας και επιτυγχάνεται σε τιμές logRo 3,8-4,14, με απομάκρυνση της ημικυτταρίνης από τη βιομάζα 70-80%. Σε υψηλότερες τιμές logRo 4,7 επιτυγχάνεται σχεδόν πλήρης απομάκρυνση της ημικυτταρίνης απο τη βιομάζα αλλά το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγόμενης ξυλόζης και των υπολοίπων πεντοζών μετατρέπεται σε προϊόντα αποικοδόμησης (φουρφουράλη, φορμικό οξύ και φουροϊκό οξύ). Επιπλέον, παράγονται και μικρές ποσότητες γλυκόζης μέσω περιορισμένης υδρόλυσης της κυτταρίνης ή λόγω των διαλυτών εκχυλίσιμων συστατικών της βιομάζας αμπελιού, λεύκας και πεύκου, και προϊόντα αποικοδόμησης της γλυκόζης, όπως 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλη (HMF), φορμικό οξύ και λεβουλινικό οξύ. Η λιγνίνη υφίσταται μερική διαλυτοποίηση, αναδιάταξη και επανασυμπύκνωση στην επιφάνεια των σωματιδίων της βιομάζας ενώ η δομική κυτταρίνη υφίσταται πολύ μικρές μεταβολές. Η υδροθερμική προκατεργασία οδηγεί σε αύξηση της ειδικής επιφάνειας και του όγκου πόρων των σωματιδίων. Για τη βιομάζα από ξύλο οξυάς, λεύκας, και αμπελιού, η υδροθερμική προκατεργασία επέτρεψε την σχετικά υψηλή ενζυμική σακχαροποίηση της κυτταρίνης σε ποσοστό 67%, 50% και 75% αντίστοιχα, ενώ αντίθετα μικρή ήταν η μετατροπή στην περίπτωση του πεύκου με 19% σακχαροποίηση. Η απομάκρυνση της επιφανειακής λιγνίνης με τη χρήση οργανικών διαλυτών αιθανόλη και ακετόνη βελτίωσε την απόδοση της ενζυμικής μετατροπής κυρίως για την οξυά και τη λεύκα. H εκχύλιση της λιγνίνης από βιομάζα οξυάς με οξικό οξύ επέτρεψε την πλήρη απολιγνινοποίηση της βιομάζας και την σχεδόν πλήρη ενζυμική σακχαροποίηση. Ο συνδυασμός της ενζυμικής υδρόλυσης με άλεση επέτρεψε την βελτίωση της σακχαροποίησης για όλες τις βιομάζες, φτάνοντας και πάλι την πλήρη σακχαροποίηση για την οξυά, στο 95% για το αμπέλι, στο 67% για τη λεύκα και στο 58% για το πεύκο. Επίσης, η συνδυασμένη ενζυμική υδρόλυση με άλεση οδήγησε σε ορισμένες περιπτώσεις στην μείωση της ποσότητας του προστιθέμενου ενζύμου χωρίς σημαντική μεταβολή στην μετατροπή της κυτταρίνης σε γλυκόζη. Τέλος τα υδροθερμικά προκατεργασμένα και απολιγνινοποιημένα δείγματα βιομάζας χρησιμοποιήθηκαν ως χαμηλού κόστους υποστρώματα για την παραγωγή κυτταρινασών από τον μύκητα T. reesei, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερες ενεργότητες σε σχέση με την αρχική βιομάζα, ενώ η βιομάζα οξυάς που υπέστη υδροθερμική προκατεργασία και απολιγνινοποίηση με οξικό οξύ, οδήγησε σε παραγωγικότητα κυτταρινασών παρόμοια με αυτή της καθαρής εμπορικής κυτταρίνης.