Integration of cellulases recycling on 2nd generation bioethanol production from recycled paper sludge

Abstract

Finding low-cost cellulosic materials that can provide appropriate amounts of sugars is one of the present challenges for cellulosic ethanol production. The valorization of residues from different sources represent in this context an attractive option. One of these residues is recycled paper sludge (RPS), which is generated in high amounts on the paper recycling process, being usually disposed at landfills. Another critical point concerning the economy of 2G bioethanol is the cost of enzymes. Despite the important cost-reduction achieved lately, enzymes are still very expensive. The recovery and reutilization of enzymes is one of the most promising strategies for a reduction on enzyme cost. The general aim of this thesis is thus to provide relevant insights on the feasibility to integrate enzyme recycling in the process of bioethanol production from RPS. Despite several studies on enzyme binding to cellulosic materials, no such study exists for RPS. Thus, the first aim of this thesis was to evaluate the hydrolytic performance of cellulases and their adsorption on RPS, since this is very important concerning the definition of a strategy for enzyme recycling. Cellulases efficiently convert RPS, no visible toxic effects being detected. The hydrolysate was also easily fermented by yeast cells, no additional nutrients supplement being required. At the end of the process, a large fraction of Cel7A activity was found soluble on the liquid, the solid-bound fraction being efficiently recovered through alkaline elution. Four rounds of hydrolysis and fermentation were successively conducted, both fractions of the enzymes being recovered after each round, using only 30 % of the original enzyme load used in the first stage. This strategy enabled steady levels of enzyme activity while also allowing important levels of solid conversion. Targeting the economy of the process, high solid loadings are required for higher ethanol titers to be achieved. Additionally, different enzymes can present distinct performance and binding affinities towards RPS. On a second part of this thesis we aimed to investigate the performance of different enzyme cocktails and process conditions and their impact on the feasibility of enzyme recycling under intensified conditions. Distinct cocktails were assessed for thermostability, hydrolysis performance and activity partition between phases of the solid-liquid system. Celluclast showed an inferior thermostability, nevertheless, its performance at moderate temperatures was slightly superior to other cocktails (ACCELLERASE®1500 and Cellic®CTec2). Also the enzyme distribution in the solid-liquid medium was more favorable in the case of Celluclast, enabling the recovery of 88 % of the final activity. Using Celluclast, a Central Composite Design was designed to study the influence of solids and enzyme dosage on RPS conversion. Solids loading showed a significant effect on glucose production, no major limitations being found for a concentration under 22 % of solids. Furthermore, an increase on enzyme loading from 20 to 30 FPU/gcellulose showed no significant additional effect on sugars production, thus 22 % solids and 20 FPU/gcellulose were identified as the best operational conditions towards an intensified process. Applying these conditions, a system of multiple rounds of hydrolysis with enzyme recycling was analyzed. Steady levels of activity from one round to another were obtained with only 50 % of fresh enzyme being added at each cycle, enabling interesting levels of solid conversion (70-81 %) in the subsequent rounds. Finally, an economic study was conducted to analyze the viability of RPS conversion into ethanol, under the intensified conditions and enzyme recycling. Overall, this process was found to be economically viable even though the moderate levels of final ethanol critically affected production costs. On a scenario of enzyme recycling, despite the increase on production costs due to the recycling operations (0.15 Million US$/year), a reduced enzyme consumption and a superior ethanol production enabled a better economic output. The exclusive recycling of the liquid fraction allowed lower production costs; however, total ethanol production decreased leading to an inferior economic output. A sensitivity analysis has further suggested that enzyme cost may represent a critical factor on the economic viability of enzyme recycling, with reductions on its cost above a level of 33 % resulting on a scenario where is economically unattractive. Summarizing, this work elucidates the important role of the enzyme cocktail and its interaction with the cellulosic material on enzymes recyclability, thus highlighting the high specificity of the presented results. Overall, the technical and economic feasibility of enzyme recycling in the process of bioethanol production from RPS was demonstrated.

A identificação de materiais celulósicos de baixo custo com elevado teor de açúcares é um dos desafios atuais para produção de etanol celulósico. A valorização de resíduos de diferentes fontes representa neste contexto uma opção atrativa. Um desses resíduos é o recycled paper sludge (RPS), gerado em grandes quantidades no processo de reciclagem de papel, sendo normalmente depositado em aterros. Outro ponto crítico relativo à economia do bioetanol 2G é o custo das enzimas. Apesar da importante redução de custos alcançada ultimamente pelos fabricantes, as enzimas são ainda muito caras. A recuperação e reutilização de enzimas é uma das estratégias mais promissoras para uma redução deste custo. O objetivo geral desta tese é, portanto, fornecer indicações relevantes sobre a viabilidade de integrar reciclagem de enzimas no processo de produção de bioetanol a partir de RPS. Apesar de existirem vários estudos sobre a ligação de enzimas a materiais celulósicos, nenhum destes incide sobre RPS. Assim, o primeiro objetivo desta tese consistiu na avaliação do desempenho das celulases na conversão do RPS; foi também analisada a adsorção das enzimas no RPS, processo muito importante relativamente à definição de uma estratégia para reciclagem. As celulases convertem eficientemente o RPS, não sendo detetados efeitos tóxicos. O hidrolisado foi também facilmente fermentado por leveduras, não sendo necessário um suplemento adicional de nutrientes. No final do processo, uma grande fração de atividade Cel7A encontra-se na fase líquida, sendo a fração ligada ao sólido eficientemente recuperada por eluição alcalina. Foram conduzidos com sucesso quatro ciclos sucessivos de hidrólise e fermentação, sendo ambas as frações de enzima recuperadas após cada ciclo, utilizando apenas 30 % da carga inicial de enzima usada na etapa inicial. Esta estratégia possibilitou níveis de atividade enzimática estáveis ao longo do processo ao mesmo tempo em que permitiu elevados níveis de conversão de sólido. Visando a economia do processo é necessário usar altas cargas de sólido para que maiores níveis de etanol sejam alcançados. Adicionalmente, enzimas diferentes podem apresentar um desempenho e afinidade de ligação distintos face ao RPS. Numa segunda parte desta tese pretendeu-se investigar o desempenho de diferentes cocktails enzimáticos e condições de processo bem como o seu impacto na viabilidade de reciclagem de enzimas sob condições intensificadas. Foram avaliados cocktails distintos quanto à termoestabilidade, desempenho de hidrólise e partição de atividade entre as fases sólido-líquido do sistema. O Celluclast apresentou uma termoestabilidade inferior; no entanto, o seu desempenho de hidrólise a temperaturas moderadas foi ligeiramente superior a outros cocktails (Accellerase®1500 and Cellic®CTec2). Também a distribuição de enzima no meio sólido-líquido foi mais favorável no caso da Celluclast, permitindo a recuperação de 88 % da atividade final. Usando Celluclast, foi projetado um Desenho de Compósito Central para estudar a influência da carga de sólidos e enzima na conversão de RPS. A carga de sólidos mostrou um efeito significativo na produção de glucose, não sendo encontradas grandes limitações para uma concentração abaixo de 22 % de sólidos. Além disso, um aumento na carga de enzima de 20 para 30 FPU/gcellulose não mostrou qualquer efeito adicional significativo na produção de açúcares, portanto 22 % sólidos e 20 FPU/gcellulose foram identificadas como as melhores condições operacionais para um processo intensificado. Aplicando estas condições, foi analisado um sistema de múltiplos ciclos de hidrólise com reciclagem de enzima. Níveis constantes de atividade foram obtidos de um ciclo para outro com adição de apenas 50 % de nova enzima em cada ciclo, permitindo níveis interessantes de conversão de sólido (70-81 %) nos ciclos subsequentes. Finalmente, um estudo económico foi conduzido para analisar a viabilidade da conversão de RPS em etanol, sob condições intensificadas e reciclagem de enzimas. No geral, este processo foi considerado economicamente viável, embora os níveis moderados de etanol final tenham afetado de forma crítica os custos de produção. Num cenário de reciclagem de enzimas, apesar do aumento nos custos de produção devido às operações de reciclagem (0.15 Milhões US$/ano), um consumo reduzido de enzimas e uma produção superior de etanol permitiram um melhor resultado económico. A reciclagem exclusiva da fração líquida permitiu menores custos de produção, no entanto, a produção total de etanol diminuiu levando a um resultado económico inferior. Uma análise de sensibilidade sugeriu ainda que o custo da enzima pode representar um fator crítico na viabilidade económica da reciclagem, que pode resultar num cenário onde esta deixa de ser economicamente atrativa (no caso de reduções no seu custo acima de 33 %). Em suma, este trabalho elucida o papel importante do cocktail enzimático e sua interação com o material celulósico na reciclabilidade de enzimas, destacando assim a alta especificidade dos resultados apresentados. No geral, foi demonstrada a viabilidade técnica e económica da reciclagem de enzimas no processo de produção de bioetanol a partir de RPS.