Interaction of Solvents and Mechanical Pretreatment with Enzymatic Lignocellulose Hydrolysis

Wang, Yumei; Spieß, Antje (Thesis advisor); Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Treibstoffe und Chemikalien aus erneuerbarer pflanzlicher Biomasse können als eine Alternative zu den begrenzten fossilen Ressourcen betrachtet werden. Die enzymatische Hydrolyse von vorbehandelter Lignocellulose ist ein wichtiger Prozessschritt in der Bioraffinerie, um bei moderaten Prozessbedingungen hohe Zuckerkonzentrationen ohne Nebenprodukte zu produzieren. Durch die widerstandsfähige Struktur der Lignocellulose wird jedoch nur eine geringe Effizienz erreicht. Um den Zugang der Enzyme zur Biomasse zu verbessern, wird diese vorbehandelt. Während der enzymatischen Hydrolyse des Substrates wird verlangsamt sich der Prozess nach dem Reaktionsstart stark. Die anfängliche Reaktionsrate sowie der Umsatzgrad hängen stark von der Art der Cellulose ab, welche von kommerziell beziehbarer Cellulose bis zu vorbehandelter Lignocellulose reicht. Zusätzlich beeinflussen Lösungsmittel entweder durch Reste der Vorbehandlung oder rezyklierte Fermentationsprodukte die Aktivität und Stabilität der Cellulasen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Lösungsmittel und der mechanischen Vorbehandlung auf die enzymatische Hydrolyse von Lignocellulose im Detail untersucht.Die mechanische Vorbehandlung, in dieser Arbeit durch eine Schneckenpresse, trennt die Fasern des Buchenholzes und des Weizenstrohs in kleinere Stücke. Die zusätzliche chemische Vorbehandlung durch das Tränken der Fasern in Natronlauge zeigte eine Steigerung der enzymatischen Hydrolyse. Die Delignifizierung durch die chemische Vorbehandlung hatte einen großen Einfluss auf die enzymatische Hydrolyse, während die alleinige mechanische Vorbehandlung kaum einen Effekt zeigte. Die kombinierte Behandlung der Biomasse mit Natronlauge und der Schneckenpresse unter moderaten Bedingungen erhöhte die Glucose- und Xyloseausbeute um je 96% und 126%. Eine weitere Verbesserung der enzymatischen Hydrolyse wurde durch eine anschließende Behandlung mit Wasserstoffperoxid erreicht. Zahlreiche chemische Vorbehandlungen wurden durchgeführt, um den Einfluss unterschiedlicher Lösungsmittel auf die enzymatische Hydrolyse zu untersuchen. Organosolv-Vorbehandlungen mit Ethanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol und 2-MTHF zeigten eine Delignifizierung und eine Steigerung des Cellulosegehalts. Ionische Flüssigkeiten wie 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat (EMIM Ac) sind ebenfalls in der Lage, Lignocellulose zu zersetzen, sie sind allerdings stark vom Wasser- bzw. Säuregehalt in der Vorbehandlungslösung abhängig.Um ein tiefergehendes Verständnis der enzymatischen Hydrolyse der vorbehandelten Biomasse zu gewinnen, wurde die Adsorption der Enzyme an die Cellulose während der Hydrolyse untersucht. Die anfängliche Reaktionsrate korrelierte mit der durch die Adsorptionsisotherme prognostizierten adsorbierten Enzymbeladung. Während der Hydrolyse verringert sich die Geschwindigkeit des Prozesses jedoch, und die Adsorptionsbeladung der Cellulose weicht von der Enzymadsorptionsisotherme ab. Partikelgrößenverringerung, der Porositätsanstieg und die Zusammensetzungsänderungen tragen teilweise zu dieser Abweichung bei. Die irreversible Cellulaseadsorption und -inaktivierung während der Hydrolyse führen zu diesem Ergebnis. Die meisten Lösungsmittel, wie ionische Flüssigkeiten, Ethanol oder 2-MTHF zeigten während der Hydrolyse negative Effekte auf die Hydrolyseausbeute. Im Gegensatz dazu hatte Itaconsäure, als aus Biomasse produzierte Plattformchemikalie, keinen signifikanten Einfluss auf die Hydrolyse und kann für die Pufferung im Hydrolyseprozess rezykliert werden. Die Lösungsmittel besitzen hauptsächlich einen Einfluss auf die Cellulaseaktivität. 2% Ethanol und 1% 2-MTHF förderten die Cellulaseaktivität, während 10% Ethanol die Aktivität um 20% senkte. Die Stabilität der Cellulasen in 10% Ethanol blieb unverändert im Vergleich zur Stabilität im Puffer. Im Gegensatz dazu war bei 10% 2-MTHF ein Verlust der Aktivität um 40% zu beobachten, und die Stabilität nahm bei der Zugabe von 2-MTHF schnell ab.Für die Analyse der Enzymaktivität wurde eine Methode zur Onlinemessung der Aktivität, basierend auf HPAEC-PAD, entwickelt. Weiterhin wurde die Enzymmischung hinsichtlich einer höheren Ausbeute bei der Hydrolyse für den nächsten Prozessschritt der Bioraffinerie optimiert.Basierend auf der Arbeit wurden verschiedene Vorbehandlungen, sowie deren Einfluss auf die enzymatische Hydrolyse bewertet. Einige grundlegende Zusammenhänge der enzymatischen Hydrolyse, wie z.B. der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Biomasse und der Hydrolysegeschwindigkeit, sowie der Lösungsmittel-Einfluss, wurden identifiziert. Des Weiteren kann die online Messmethode für weitere Optimierung der Enzymmischung für andere Substrate und zur Überwachung der enzymatischen Hydrolyse genutzt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sind für die Optimierung des wirtschaftlichen Betriebs einer Bioraffinerie von größtem Interesse.

Identifikationsnummern