Search

Barley straw (BS) is considered a good candidate for fuel-ethanol production due to its abundance and high carbohydrate content. Economic viability of the process requires ethanol titer in fermenta...

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης διεργασίας για την παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη ήταν το υδροθερμικά κατεργασμένο άχυρο σίτου. Η βιομετατροπή του κατεργασμένου αχύρου σε αιθανόλη γίνεται με τη χρήση εμπορικών ενζυμικών σκευασμάτων, το μύκητα Fusarium oxysporum F3 και τη ζύμη Saccharomyces cerevisiae. Αρχικά κρίθηκε σκόπιμο να μελετηθεί το ενζυμικό και το μεταβολικό σύστημα του μύκητα ως προς την αντοχή και ανθεκτικότητά τους α) στις παρεμποδιστικές ενώσεις που σχηματίζονται κατά την υδροθερμική κατεργασία και β) στο κύριο προϊόν της ζύμωσης, την αιθανόλη. Επίδραση των παρεμποδιστών εμφανίστηκε κατά την αερόβια ανάπτυξη του μύκητα τόσο στην τελική απόδοση σε βιομάζα όσο και στο ρυθμό ανάπτυξης του μύκητα. Η ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη επηρεάζεται σημαντικότερα από τα καρβοξυλικά οξέα. Επιπλέον, οι παρεμποδιστικές ενώσεις εμφανίζουν συνεργιστική δράση στην παρεμπόδιση του μύκητα στην παραγωγή αιθανόλης. Η μελέτη της επίδρασης της αιθανόλης στην ανάπτυξη και την ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη έγινε με αρχικές συγκεντρώσεις αιθανόλης έως και 6% β/ο. Από τα πειραματικά δεδομένα εξάγεται το συμπέρασμα ότι η αιθανόλη παρεμποδίζει τον ρυθμό ανάπτυξης και την παραγωγή βιομάζας σε αερόβιες συνθήκες. Εντονότερη παρεμπόδιση προκαλεί η αιθανόλη στη μεταβολική δράση του μύκητα σε αναερόβιες συνθήκες. Τέλος, δείχτηκε ότι εάν η αιθανόλη αφαιρεθεί από σύστημα, ο F. oxysporum ανακτά τη μεταβολική του ενεργότητα. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η δυνατότητα να αξιοποιηθεί το πλούσιο σε ημικυτταρίνη Υγρό Κλάσμα της προκατεργασίας. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι το ΥΚ είναι έντονα τοξικό για το μύκητα και δεν είναι αποδοτική η παραγωγή αιθανόλης με τη χρήση του ως πηγή άνθρακα. Για την ικανοποιητική βιομετατροπή του υδροθερμικά κατεργασμένου αχύρου σε αιθανόλη είναι απαραίτητη η μείωση του ιξώδους του υλικού πριν τη ζύμωση. Αυτό επετεύχθη με την κατασκευή ενός ειδικού ενζυμικού αντιδραστήρα ρευστοποίησης. Το ρευστοποιημένο υλικό χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη σε πειράματα ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης.Δείχτηκε ότι η προσθήκη των ενζύμων του F. oxysporum κατά την ζύμωση βοηθά σημαντικά στην απόδοση της διεργασίας. Επίσης, με την ταυτόχρονη προσθήκη ενζύμων και κυτταρικής μάζας του μύκητα, επετεύχθη τελική συγκέντρωση αιθανόλης 62 g L-1. Για να γίνει δυνατή η αξιοποίηση της ενζυμικής και μεταβολικής δράσης του F. oxysporum, σχεδιάστηκε μία ενοποιημένη διεργασία για την ταυτόχρονη εισαγωγή στη ζύμωση, καλλιέργειας του μύκητα και ξηρής ζύμης αρτοποιίας. Σε αυτή την περίπτωση η μέγιστη παραγωγή αιθανόλης ήταν 58 g L-1. Τέλος, με βάση όλα τα ανωτέρω αποτελέσματα μελετήθηκε ένα πλούσιο σε ημικυτταρίνη προκατεργασμένο άχυρο σίτου στο οποίο δεν έγινε διαχωρισμός της υγρής και της στερεής φάσης της προκατεργασίας, καθώς και η χρήση ενός πιλοτικού μίγματος θερμοενζύμων. Με αυτό το υλικό η μέγιστη παραγωγή αιθανόλης περιορίστηκε στα 35 g L-1.

Ground cotton stalks at a solid loading of 15% (w/v) were subjected to alkali pretreatment with different concentrations of NaOH (0–10% NaOH, w/w) at 121 °C/15ss psi for 60 min. Compositional analysis of the pretreated material revealed 31.9% lignin removal at the highest NaOH concentration applied, while structural changes in native and pretreated CS were evaluated through XRD analysis. Alkali-treated cotton stalks (ATCS) was hydrolyzed at 15% (w/v) ATCS concentration using 1–80 FPU/g cellulose Cellic® CTec 2. Glucose concentration reached 68.19 g/L at the highest enzyme loading. Factors affecting ethanol production namely enzyme loading (7–80 FPU/g cellulose), substrate concentration (15% and 20%, w/v) and pre-hydrolysis time (6–36 h) where evaluated implementing non-isothermal simultaneous saccharification and fermentation (NSSF). Ethanol production at different enzyme loading exhibited almost the same trend as in hydrolysis. When operating NSSF at 15% (v/w) ATCS increase in pre-hydrolysis time from 6 to 14 h resulted in increase on ethanol production which reached 21.85 g/L. In an attempt to increase ethanol production, ATCS at 20%, w/v substrate concentration was pre-hydrolyzed for 14, 24 and 36 h. The highest ethanol concentration was 34.80 g/L (55.40% of the maximum theoretical) in the NSSF preceded by 14 h pre-hydrolysis.

A co-fermentation process involving Saccharomyces cerevisiae and Fusarium oxysporum was studied, using hydrothermally pretreated wheat straw as substrate. In the first step of the study, we examined liquefaction of the material in a free-fall reactor. Both the enzyme loading and the dry matter content affected severely the liquefaction efficiency. In the second step (simultaneous saccharification and fermentation (SSF) experiments), we found that the enzymatic system of F. oxysporum contributed significantly to substrate hydrolysis, while its metabolic system played a secondary role in fermentation. SSF in the presence of F. oxysporum cells and enzymes gave 62 g L −1 ethanol. In the third step of the study, a semi-consolidated bioprocess was designed in which F. oxysporum culture (submerged or solid-state) was added at the SSF stage along with S. cerevisiae . The addition of solid F. oxysporum culture increased ethanol production by 19%, leading to a final ethanol concentration of 58 g L −1 . The present study proposes a semi-consolidated process combining two microorganisms for the fermentation at high solids concentration of a liquefied material using an in house free fall mixing reactor. The semi-consolidated process proposed not only increased the ethanol yields significantly, but could also lead to lower overall cost of the process by incorporating in-situ enzyme production.

Cotton stalks (CS) are considered a good candidate for fuel-ethanol production due to its abundance and high carbohydrate content, but the direct conversion without pretreatment always results in extremely low yields due to the recalcitrant nature of lignocelluloses. The present study was undertaken to investigate the effect of various chemical and physicochemical pretreatment methods, i.e., alkali, microwave-assisted acid, organosolv, hydrothermal treatment, and sequentially organosolv and hydrothermal pretreatment, on chemical composition of CS and subsequent ethanol production applying pre-hydrolysis and simultaneous saccharification and fermentation (PSSF) at high solid loading. The best results in terms of ethanol production were achieved by the sequential combination of organosolv and hydrothermal pretreatment (32.3 g/L, using 15% w/v substrate concentration and 6 h pre-hydrolysis) with an improvement of 32% to 50% in ethanol production compared to the other pretreatments. Extending pre-hydrolysis time to 14 h and increasing substrate concentration to 20% w/v, ethanol production reached 47.0 g/L (corresponding to an ethanol yield of 52%) after 30 h of fermentation.

BACKGROUND: During the pretreatment of lignocellulosic materials, molecules such as carboxylic acids, furan derivatives and phenolic compounds, which inhibit the growth and ethanol fermentation by bacteria, fungi and yeasts, are produced. The present work determines the tolerance levels of the C5, C6 fermenting fungus Fusarium oxysporum, towards individual model inhibitory compounds on aerobic growth, on lignocellulolytic activities and on fermentative performance. RESULTS During the growth stage, maximum biomass production was more affected than the specific growth rate by the presence of inhibitors. The presence of high concentrations of inhibitors resulted, in most cases, in prolongation of the lag phase. The fermentative performance of F. oxysporum was significantly inhibited by carboxylic acids, while the lignocellulolytic activities were affected to a lesser extent. CONCLUSION: The toxicity tolerance of fF. oxysporum was high enough for aerobic growth in the presence of significant concentrations of inhibitors, which in most cases were higher than those generated from various treatments of lignocellulosic materials, while its fermentative performance was relatively more affected by the presence of inhibitors. The decrease of ethanol production in the presence of weak organic acids could be the main obstacle to the application of F. oxysporum in large-scale bioconversion processes of hydrolysates containing inhibitors. Copyright © 2010 Society of Chemical Industry

Background Fusarium oxysporum is a filamentous fungus which has attracted a lot of scientific interest not only due to its ability to produce a variety of lignocellulolytic enzymes, but also because it is able to ferment both hexoses and pentoses to ethanol. Although this fungus has been studied a lot as a cell factory, regarding applications for the production of bioethanol and other high added value products, no systematic study has been performed concerning its ethanol tolerance levels. Results In aerobic conditions it was shown that both the biomass production and the specific growth rate were affected by the presence of ethanol. The maximum allowable ethanol concentration, above which cells could not grow, was predicted to be 72 g/L. Under limited aeration conditions the ethanol-producing capability of the cells was completely inhibited at 50 g/L ethanol. The lignocellulolytic enzymatic activities were affected to a lesser extent by the presence of ethanol, while the ethanol inhibitory effect appears to be more severe at elevated temperatures. Moreover, when the produced ethanol was partially removed from the broth, it led to an increase in fermenting ability of the fungus up to 22.5%. The addition of F. oxysporum’s system was shown to increase the fermentation of pretreated wheat straw by 11%, in co-fermentation with Saccharomyces cerevisiae. Conclusions The assessment of ethanol tolerance levels of F. oxysporum on aerobic growth, on lignocellulolytic activities and on fermentative performance confirmed its biotechnological potential for the production of bioethanol. The cellulolytic and xylanolytic enzymes of this fungus could be exploited within the biorefinery concept as their ethanol resistance is similar to that of the commercial enzymes broadly used in large scale fermentations and therefore, may substantially contribute to a rational design of a bioconversion process involving F. oxysporum. The SSCF experiments on liquefied wheat straw rich in hemicellulose indicated that the contribution of the metabolic system of F. oxysporum in a co-fermentation with S. cerevisiae may play a secondary role.