Process development for bioethanol production using wheat straw biomass

Abstract

This thesis is focused on the process development for bioethanol production based in the biorefinery concept. Nowadays, the role of biorefineries is centred on integration of traditional and modem processes for utilization of biological raw material in the production of energy and chemicals.

Lignocellulosic materials such as wheat straw are renewable biomass than can be used as substrate in fermentation processes. The use of wheat straw includes the following steps: milling, pretreatment, enzymatic saccharification and bioconversion of the obtained sugars in bioethanol. In a first stage, autohydrolysis pretreatment was used for solubilization of hemicellulose. In this part, the evaluation of autohydrolysis conditions and determination of their mono saccharide composition in the liquid phase was studied. The results showed the importance of the variation of the particle size distribution on the extraction of total sugars from hemicellulose (glucose, xylose and arabinose), demonstrating that the use of a blend with defined percentages of the various particle sizes is an important parameter to establish before carrying out a pretreatment. In a second stage, the pretreated solids obtained after autohydrolysis were subjected to delignification using organosolv process. A high purity lignin was obtained after the sequential autohydrolysis-organosoiv process.

Following the biorefinery philosophy, the autohydrolysis hemicellulose extracted by autohydrolysis optimum conditions was used as reinforcements in a k-car/ LBG polymeric matrix for biocomposite manufacturing. Biocomposite from extracted hemicellulose showed to be a good material to be used in the reinforcement of edible films.

The susceptibility to enzymatic saccharifiction of pretreated solids obtained by autohydrolysis and by sequential autohydrolysis-organosolv was studied. According to the obtained results, enzymatic saccharification of the autohydrolysis pretreated solids proved to be more effective than when the organosolv pretreated solids were used. The maximum extent of the enzymatic conversion of cellulose to glucose was 90.88 % and 64.04 %, respectively. These results demonstrate that the autohydrolysis pretreated solids are a good substrate for simultaneous saccharification and fermentation.

The simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of lignocellulosic materials requires the utilization of mcroorganisms capable of working at high temperatures. In this part of the work, a flocculant Saccharomyces cerevisiae CA1 1 was evaluated for its ability to grow and ferment glucose in the temperature range of 40 - 50 °C. The highest ethanol concentrations obtained were 24.12 and 24.38 gfL at 40°C and 45 °C, respectively, for an initial glucose concentration of 50 gfL. The results indicate that the S. cerevisiae CA1 1 was able to produce ethanol, showing a good performance at high temperatures. In order to evaluate the effects of temperature, substrate concentration (autohydrolysis pretreated wheat straw) and enzyme loading on: 1) ethanol conversion yield, 2) ethanol concentration, and 3) CO2 concentration, a central composite design (CCD) was used. Results showed that the ethanol conversion yield was mainly affected by enzyme loading, whereas for ethanol and CO2 concentration, enzyme loading and substrate concentration were found to be the most significant parameters. The maximum ethanol concentrations (14.84 gfL) were obtained at 45 °C, 3 % (w/v) substrate and 30 FPU of enzyme loading, corresponding to an ethanol yield of 82.4 %. The scale-up of SSF was performed evaluating the effect of stirring on ethanol yield. When the SSF was conducted at higher stirring speed (250 rpm), 15.09 gfL of ethanol was obtained. This corresponds to an overall ethanol yield of 84.49 %.

Overall, results presented in this work, describe the development of an integrated process based on the biorefinery concept for the production of bioethanol from wheat straw. It is shown that wheat straw pretreated with autohydrolysis process can be used as a substrate for bioethanol production using a flocculent S. cerevisiae strain. Moreover, extracted hemicellulose is applied as reinforcement for edible films and the obtained lignin is a high purity product.

Esta tese trata do desenvolvimento de um processo para produção de bioetanol com base no conceito de biorefinaria. Hoje em dia o papel das biorefinarias centra-se na integração de processos tradicionais e modernos para utilização de material biológico bruto na produção de energia e reagentes.

Materiais lenhocelulôsicos como a palha de trigo são uma biomassa renovável que pode ser usada corno substrato em processos de fermentação. Este processo consiste em moagem da palha de trigo, pré-tratamento da palha de trigo, sacarificaçäo enzimática e bioconversão dos açúcares obtidos em bioetanol. Inicialmente o tratamento de auto-hidrólise foi usado para solubilizar a hemicelulose. Nesta parte do trabalho, avaliaram-se as condições de auto-hidrólise e determinaram-se os monossacáridos presentes na fase liquida. Os resultados demonstraram a importância da variação da distribuição do tamanho das partículas na extração dos açúcares totais a partir da hemicelulose (glucose, xilose e arabinose), e a necessidade de estabelecer a composição da mistura a utilizar antes de proceder a um pré-tratarnento. Os sólidos pré-tratados por auto¬hidrólise foram recuperados e deslenhificados através do processo organosolv, tendo sido obtida urna lenhina de elevada pureza.

Corn base no conceito de biorefinaria, a hemicelulose extraída por auto-hidrólise sob condições ótimas foi incorporada como reforço para uma matriz polirnénca de k-carl LBG, sendo obtido um biocompósito que demonstrou ser um bom material para ser usado no reforço de filmes edíveis.

A suscetibilidade à sacarificação enzimática dos sólidos pré-tratados obtidos por auto¬-hidrólise e urna sequência de auto-hidrólise-organosolv foi estudada. Os resultados obtidos demonstram que a sacarificação enzimática é mais eficiente quando se usaram sólidos pré-tratados sé por auto-hidrólise. Os valores máximos de conversão enzimática de celulose em glucose foram de 90.88 % e de 64.04 %, para sólidos tratados por auto¬-hidrólise e pela sequência auto-hidrólise-organosolv, respectivamente.

O processo de sacarificação e fermentação simultânea (SFS) de materiais lenhocelulâsicos requer o uso de microrganismos capazes de trabalhar a elevadas temperaturas. Nesta parte do trabalho, uma estirpe floculante de Saccharomyces cerevisiae CA11 foi utilizada pela sua capacidade de crescer e fermentar glucose numa gama de temperaturas de 40 - 50 °C. As produções máximas de etanol obtidas a partir de 50 g/L glucose foram de 24.12 e 24.38 g/L a 40 °C e 45 °C, respectivamente. Os resultados indicam que as células de S. cerevisiae CA1 i forem capazes de produzir etanol, demonstrando um bom desempenho a altas temperaturas. Para avaliar os efeitos da temperatura, concentração de substrato (palha de trigo pré tratada com auto-hidrólise) e carga de enzima em: 1) rendimento de conversão em etanol, 2) concentração de etanol, e 3) concentração de CO2, usou-se um desenho experimental do tipo "central composite design" (DCC). Os resultados demonstraram que o rendimento de conversão em bioetanol foi principalmente afetado pela carga de enzima, enquanto a concentração de etanol e de CO2, carga de enzima e concentração de substrato foram considerados os parâmetros mais significativos. A concentração máxima de etanol (14.84 giL) foi obtida a 45 °C, 3 % (piv) de substrato e 30 FPU de carga enzimática, correspondendo a um rendimento em etanol de 2.4 %. O aumento de escala do SFS foi realizado avaliando o efeito da agitação no rendimento de etanol. Quando o SFS foi efetuado a velocidade de agitação mais elevada (250 rpm), obtiveram-se 15.09 g/L de etanol. Este valor corresponde a um rendimento global em etanol de 84.49 %.

Globalmente, os resultados apresentados neste trabalho descrevem o desenvolvimento de um processo integrado baseado no conceito de biorefinaria para a produção de etanol a partir da palha de trigo. Demonstrou-se que a palha de trigo tratada por auto-hidrólise pode ser usada como substrato para a produção de bioetanol utilizando uma estirpe floculante de Saccharomyces cerevisiae. Demonstrou-se também a possibilidade de utilizar a hemicelulose extraída como reforço em filmes edíveis e a alta pureza da lenhina obtida.