Continuous enzymatic hydrolysis of biomass

Abstract

Enzymatic hydrolysis is well known biological process for converting complex substrates into smaller units. In enzymatic hydrolysis of biomass, the enzymes degrade polymeric chain of cellulose into monomeric sugar units – glucose. The process has advantages such as mild operating conditions, high selectivity, and low energy consumption. The process is mainly used in bioethanol processing at the moment, but monomeric sugars as multifunctional platform chemicals has gained increasing attention.

Conventionally the process is done in batch reactor, but the advantages of continuous processing have raised attention. By changing the batch process into a continuous process, the aim is to improve runnability, enhance the use of tank volume, and prevent contamination better. With continuous process the water consumption could be reduced since the tanks are full at all times. Cleaning and disinfection after each batch consumes more water compared to continuous process where cleaning sequences can be reduced. Due to the decreased water consumption the wastewater capacity can also be reduced. In addition, contamination microorganisms have less or no time to grow when the biomass is changing all the time.

The trials were conducted in a pilot scale one step continuous enzymatic hydrolysis with a simple continuous tank reactor in which the feed was fed to the bottom of the reactor and the outlet was on the surface. Due to pumpability difficulties the steady operation was challenging to reach. Promising results were obtained from the three successful trials. With 14,8 h, 25,9 h, and 105,5 h retention times 48 %, 70 %, and 95 % conversions were reached. The conversions were at the same level as in reference batch process. The continuous operating did not have an effect to the sugar purity compared to the batch process. Scaling up the process into a larger scale holds the potential to overcome pumpability challenges and be a feasible process for producing sustainable green sugars and lignin.

Entsymaattinen hydrolyysi on biologinen konversio prosessi, jossa kompleksiset substraatit hajotetaan pienempiin yksiköihin. Biomassan entsymaattisessa hydrolyysissä entsyymit hajottavat selluloosan polymeerisen ketjun monomeerisiksi sokeriyksiköiksi - glukoosiksi. Prosessilla on useita etuja kuten miedot operointiolosuhteet, korkea selektiivisyys ja matala energian kulutus. Tällä hetkellä prosessia käytetään enimmäkseen bioetanolin valmistukseen, mutta monomeeriset sokerit ovat kasvattaneet huomiota monikäyttöisinä jalostuskelpoisina kemikaaleina.

Perinteisesti entsymaattinen hydrolyysi on tehty panostoimisena prosessina, mutta jatkuvatoimisen prosessin edut ovat myös herättäneet kiinnostusta. Vaihdettaessa jatkuvatoimiseen prosessiin pyrkimys on parantaa prosessin ajettavuutta, saada käytettävissä oleva tankkitilavuus tehokkaampaan käyttöön ja parantaa kontaminaation hallintaa. Jatkuvatoimisessa prosessissa vedenkulutusta on mahdollista vähentää harvemmilla pesusekvensseillä. Vähentynyt vedenkulutus pienentää myös tarvittavaa jäteveden puhdistuskapasiteettia. Lisäksi kontaminaatiota aiheuttavilla organismeilla on vähemmän aikaa lisääntyä, kun biomassa on jatkuvassa liikkeessä.

Koeajot suoritettiin pilottimittakaavassa yksivaiheisena entsymaattisena hydrolyysinä. Kokeet tehtiin yksinkertaisessa säiliöreaktorissa, johon biomassa syötettiin pohjalle ja ulostulo virtasi pois pinnalta. Pumppausongelmat vaikeuttivat tasaista operointia. Kolmesta onnistuneesta koeajosta saatiin kuitenkin lupaavia tuloksia. Viipymäajoilla 14,8 h, 25,9 h ja 105,5 h päästiin 48 %, 70 % ja 95 % prosentin konversioihin. Konversiot olivat samaa luokkaa panostoimisen prosessin kanssa. Jatkuvatoimisuudella ei ollut vaikutusta sokerin laatuun verrattaessa panostoimiseen prosessiin. Prosessilla on selkeästi potentiaalia ja isommassa mittakaavassa pumppauksen ongelmat voivat ratketa isompien linjojen ja pumppujen avulla, jolloin prosessilla voidaan tuottaa kestävästi vihreitä sokereita ja ligniiniä.