Common and novel approaches to convert cellulose to platform chemicals
Hohlweck, Daniel Gustav Leander
Renewable sources of cellulose, such as crop residues and food industry by-products, can be a valuable resource for energy production and the generation of platform chemicals. In order to enable this, simple sugars need firstly to be liberated from the cellulose via enzymatic or chemical hydrolysis (saccharification) before being fermented; generating the desired end products. The hydrolysis process, however, is hindered by the structure and composition of the lignocellulosic material, and its associated physicochemical properties. Pretreatment methods are used to overcome some of these issues, with many different options available. In this study, the development and application of a novel continuous pretreatment method was investigated: extrusion cooking. Application of the extrusion approach to cellulose and sugar beet fibres (fibrex) was performed in a lab scale extruder, and issues associated with the operation of the extruder overcome by the addition of a plastifying agent. In order to optimise the effectiveness of the extrusion pretreatment, a range of different parameters were assessed. Enzymatic hydrolysis of the resulting extruded material demonstrated that extrusion did improve the conversion of cellulosic biomass to glucose, with a maximum conversion rate of 53% obtained. Furthermore, a novel fermentation method was also explored in this study utilising anaerobic fungi (Neocallimastigomycota). Anaerobic fungi are found in the intestinal tract of herbivores, and have become of increasing biotechnical interest in the recent years due to their highly active cellulolytic enzyme system. A standardised rumen-fluid free medium for the growth of anaerobic fungi was developed, and then the cellulolytic ability of anaerobic fungal strains from various genera (Anaeromyces, Caecomyces, Neocallimastix, Orpinomyces and Piromyces) investigated in isolation or in co-culture with Saccharomyces cerevisiae. Neocallimastix was found to exhibit the best overall culture activity, and co-culturing with Saccharomyces cerevisiae had a stimulating effect on fungal fermentation results depend-ing on the culturepartner.
Nachwachsende Rohstoffe, wie z.B. Ernterückstände und Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie, können eine wertvolle Basis für die Erzeugung von Plattformchemikalien und Energie darstellen. Um dies zu erreichen, müssen zunächst die Glucosemoleküle, aus denen die Zellulosemoleküle in der Biomasse aufgebaut sind, durch enzymatisch oder chemische Hydrolyse freigesetzt werden, um in einer darauf folgenden Fermentation die gewünschten Endprodukte zu generieren. Jedoch wird eine effektive Hydrolyse durch die Struktur und Zusammensetzung des zellulosegehalten Materials sowie die physikochemischen Eigenschaften der Cellulose behindert. Durch eine Vorbehandlung des Materials kann allerdings die Effektivität der Hydrolyse gesteigert werden. In dieser Arbeit werden aktuelle Vorbehandlungsmethoden vorgestellt und diskutiert sowie zwei neue Ansätze, Kochextrusion und Fermentation mit anaeroben Pilzen, auf ihre Anwendbarkeit zur Zellulose-Saccharifikation hin untersucht. Hierzu wurden Zuckerrübenschnitzel (Fibrex) und Zellulose in einem Laborextruder mit Hilfe von Stärke als Prozesshilfsmittel extrudiert. Um den Prozess zu optimieren, wurden verschiedene Prozessparameter untersucht. An die Extrusion anschließend wurden die vorbehandelten Materialien einer enzymatischen Hydrolisation unterzogen. Die Ergebnisse der Umsetzungsraten zeigten, daß die Extrusion die Effektivität der Hydrolyse steigern konnte, bei einer maximalen Umsetzungsrate von 53%. Eine neue Fermentationsmethode unter Verwendung von anaeroben Pilzen (Neocallimastigomycota) wurde ebenfalls untersucht. Anaerobe Pilze kommen im Verdauungstrackt von Pflanzenfressern vor und stellen dort eine der Hauptgruppen der funktionalen Mikroorganismen dar. In den letzten Jahren sind anaerobe Pilze auf Grund ihrer hochaktiven Enzymsysteme in den Focus biotechnologischer Forschung gerückt. Ein standardisiertes pansenflüssigkeitfreies Medium für die Kultivierung von anaeroben Pilzen wurde entwickelt, anschließend wurde die zellulolytische Fähigkeit von verschiedenen Gattungen (Anaeromyces, Caecomyces, Neocallimastix, Orpinomyces und Piromyces) in Einzel- oder Co-Kultur sowie in Co-Kultur mit Saccharomyces cerevisiae getestet. Neocallimastix zeigte die beste gesamt Kulturaktivität. Co-Kultivierung mit Saccharomyces cerevisiae zeigte einen positiven Effekt auf die Fermentationsergebnisse abhängig vom Kultivierungspartner.
