Alternatives for the Management of Industrial Forest Waste: Energy, Bioethanol, and Cellulose Pulp

Modern kraft pulp mills generate solid waste of 1–2% of incoming debarked wood. Given the size of these plants, with an annual production capacity of at least 1000,000 tons, each plant generates 20,000–30,000 dry tons of waste per year. The largest current use of these residues is for combustion in biomass boilers for steam and power generation. However, the conversion of biomass into biofuels and chemicals is gaining interest due to increasing demands for energy, limited sources of fossil fuels, and growing concerns about the environmental impact of greenhouse gas emissions. This chapter shows the laboratory-scale results of the use of eucalyptus wood wastes to obtain cellulose pulp by alkali pulping reinforced with hydrogen peroxide to obtain alkaline peroxide mechanical pulp or cellulosic bioethanol. Based on the results, an industrial-scale techno-economic analysis of the processes is presented and compared with current alternatives for energy generation

26th Annual Computational Neuroscience Meeting (CNS*2017): Part 3 - Meeting Abstracts - Antwerp, Belgium. 15–20 July 2017

This work was produced as part of the activities of FAPESP Research,\ud Disseminations and Innovation Center for Neuromathematics (grant\ud 2013/07699-0, S. Paulo Research Foundation). NLK is supported by a\ud FAPESP postdoctoral fellowship (grant 2016/03855-5). ACR is partially\ud supported by a CNPq fellowship (grant 306251/2014-0)

Biotechnological production of zeaxanthin by an Antarctic Flavobacterium: Evaluation of culture conditions

24 Páginas.-- 1 Figura.-- 7 TablasStatistical experimental designs were used to formulate a culture medium for zeaxanthin production by an Antarctic Flavobacterium sp. P8 strain. Eleven nutritional factors were assayed in shaken flasks. The effect of temperature on zeaxanthin and carotenoid production was also studied. Peptone, yeast extract, and sodium chloride were the nutrients that caused the principal impact on the biomass growth. These components were further studied to enhance zeaxanthin and total carotenoid concentrations. Although a high production rate of zeaxanthin and carotenoids was achieved, the aerobic characteristics of the bacterial strain and the oxygen requirements for zeaxanthin biosynthesis incorporate a factor that requires additional consideration. Scaling up the process to a 5 L-bioreactor that increased dissolved oxygen availability resulted in a 4.5-fold increase in the total carotenoid content and an almost 9-fold increase in zeaxanthin, which represented 98% of the total carotenoids produced. The results reveal that Flavobacterium sp. P8 is a promising strain for zeaxanthin production.The authors would like to thank Comisión Académica de Posgrado (CAP) for the postgraduate scholarship given to Eugenia Vila and the Instituto Antártico Uruguayo and Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC) for their financial support (CSIC I+D 2014 219, CSIC INI 230).Peer reviewe

Informe final del proyecto: Producción integrada de biobutanol y nanocelulosa a partir de eucalipto

El interés en la valorización de materiales lignocelulósicos ha incrementado en los últimos años e incluso la producción de biocombustibles avanzados y productos químicos. La producción de biobutanol via fermentación a partir de estos materiales aún no es económicamente viable dado los elevados costos de procesamiento, debido fundamentalmente a los bajos rendimientos de sacarificación de la biomasa y al bajo rendimiento de producto atribuido a su toxicidad sobre el microorganismo. Para que la producción de biobutanol sea sostenible en el tiempo, debe integrarse a procesos y equipamientos de conversión de biomasa ya existentes, permitiendo la coproducción de compuestos de valor agregado que mejoren la economía global del proceso. La nanocelulosa presenta varias aplicaciones potenciales en distintas áreas como ser fabricación de polímeros, dispositivos de almacenamiento de energía, incluso su uso en productos papeleros ha mostrado mejorar notoriamente sus propiedades. En este proyecto, se evaluó la producción integrada de biobutanol y nanofibras de celulosa (CNF) a partir de pulpa de celulosa de eucalipto nacional mediante combinación de procesos enzimáticos, mecánicos y fermentativos. Esta estrategia de coproducción representa un proceso prometedor, incluso a nivel industrial, dado que representan productos de valor agregado atractivos para las industrias de pulpa y papel, que buscan diversificar su cartera de productos. Mediante la combinación de tratamientos mecánicos y enzimáticos se logró obtener CNF a partir de pulpa de celulosa de eucalipto con un ancho de 4–14 nm y una relación de aspecto de 220–230, con propiedades atractivas para su aplicación en el sector papelero. Se logró convertir azúcares de forma efectiva fermentables, producidos durante el pretratamiento enzimático de la materia prima, en biobutanol y coproductos utilizando microorganismos del género Clostridium capaces de metabolizar tanto glucosa como xilosa. En este proyecto se demostró la factibilidad de coproducir CNF y biobutanol como productos de alto valor agregado a partir de pulpa de celulosa de eucalipto. Los resultados alcanzados en este proyecto sirven como punto de partida importante para futuros estudios sobre la coproducción de biomateriales y químicos de valor agregado en un concepto de biorrefinería forestal. Además, pretende contribuir al conocimiento de nuevas herramientas en la obtención de nanocelulosa y su potencial aplicación.Agencia Nacional de Investigación e Innovació

Carotenoids from heterotrophic bacteria isolated from Fildes Peninsula, King George Island, Antarctica

Carotenoids are isoprenoid pigments used by pharmaceutical, cosmetic, food and feed industry as antioxidants and colorants. Although traditional sources of carotenoids are fruits, vegetables and chemical synthesis, prospecting for alternative sinks of common and/or unusual carotenoids is important for the development of natural carotenoid industry. In this work, 30 pigmented bacterial strains from Fildes Peninsula in King George Island, Antarctica, were isolated and identified by 16S rRNA gene sequencing and classified in three phyla, Bacteroidetes, Firmicutes and Actinobacteria. After cells extraction, ten different carotenoids were identified based on the chromatographic and spectroscopic characteristic obtained by HPLC-PDA and HPLC-PDA-APCI-MS analyses. Strains assigned to Bacteroidetes affiliated to Flavobacterium, Chryseobacterium and Zobellia genera, presented a pigment profile composed of zeaxanthin, β-cryptoxanthin and β-carotene. Firmicutes strains of Planococcus genus produced a C50 carotenoid, identified as C.p. 450 glucoside. Actinobacteria isolates were mainly assigned to Arthrobacter genus, and few to Salinibacterium and Cryobacterium genera. Arthrobacter strains produced C50 carotenoids such as decaprenoxanthin and its glucosylated derivatives, as well as some C40 carotenoids such as lycopene which is used as synthesis precursors of the C50 carotenoids. Salinibacterium and Cryobacterium genera produced C.p. 450 free form and its glucosylated derivatives. Although most isolates produce carotenoids similar in diversity and quantity than those already reported in the literature, novel sources for C50 carotenoids results from this work. According to their carotenoid content, all isolates could be promising candidates for carotenoids production.This work was supported by “Comisión Sectorial de Investigación Científica” [project CSIC I+D 2014 219], and “Agencia Nacional de Investigación e Innovación” [grant POS_NAC_2014_1102321] and [grant MOV_CA__2017_1_138162].Peer Reviewe

Bioprocess intensification for isopropanol, butanol and ethanol (IBE) production by fermentation from sugarcane and sweet sorghum juices through a gas stripping-pervaporation recovery process

Producción CientíficaButanol and isopropanol are important commodity chemicals with a variety of applications. One of the main obstacles for biobutanol production by IBE (isopropanol–butanol–ethanol) fermentation is the intensive energy consumption for product recovery by conventional distillation due to low butanol titer in fermentation broth caused by butanol toxicity to cells. In the present study, butanol production by batch IBE fermentation coupled to an in situ gas stripping-pervaporation process to recover the butanol is proposed using Clostridium beijerinckii DSM 6423 and a mixture of sugarcane-sweet sorghum juices as substrate. Gas stripping was used to continuously remove butanol from the fermentation broth, followed with pervaporation to further concentrate butanol. The strategy used allows alleviating butanol inhibition and to recuperate a condensate containing high butanol concentration (559 g/L). A kinetic model describing butanol production by IBE fermentation was developed. Kinetic parameters and experimental data were used to estimate the energy consumption of the sugarcane-sweet sorghum IBE production process. It was found that although the IBE production process showed less energy consumption (15%) than the butanol production process by ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation, a substantial improvement is still necessary for the process to be energetically/economically attractive.Agencia Nacional de Investigación e Innovación (ANII), Uruguay ( FSE 102720

Lactic acid production by Carnobacterium sp. isolated from a maritime Antarctic lake using eucalyptus enzymatic hydrolysate

Carnobacterium sp., a lactic acid bacterium isolated from a maritime Antarctic lake, was evaluated for lactic acid production from a lignocellulosic hydrolysate. Eucalyptus sawdust, a residue from pulp and paper industries, was subjected to alkaline pretreatment to enhance its enzymatic hydrolysis. Fermentations were performed without and with pH control using eucalyptus enzymatic hydrolysate containing a mixture of glucose and xylose sugars. The sugars were successfully converted into lactic acid in 24 h, resulting in 7.6 g/L of lactic acid and a product yield of 0.50 g/g for pH controlled at 6.5. Fed-batch fermentation performed at a controlled pH of 6.5 improved both the lactic acid production (30 g/L) and the biomass growth (4.2 g/L). l-lactic acid optical purity higher than 95 % was obtained. These results demonstrated the potential usage of Carnobacterium sp in l-lactic acid production from eucalyptus

Informe final del proyecto: Producción de zeaxantina por una cepa antártica de Flavobacterium sp.

Los microorganismos tienen gran potencial como fuente de pigmentos naturales debido a su alta eficiencia de producción y diversidad de compuestos. Sin embargo, gran parte de los pigmentos del mercado son producidos por síntesis química. En la actualidad se encuentran disponibles en el mercado pigmentos extraídos de microorganismos como: betacaroteno y licopeno de Blakeslea trispora, betacaroteno de Dunaliella salina, y astaxantina de Haematococcus pluvialis. La creciente demanda de los carotenoides se debe al aumento de su utilización como colorantes y como componentes de suplementos alimenticios, debido a exigencias en la reglamentación alimentaria y a crecientes evidencias de su rol biológico beneficioso en la salud. Para que la producción de pigmentos bacterianos sea económicamente viable es necesario mejorar la eficiencia de la fermentación y de la recuperación del producto, pero además hay que considerar su sustentabilidad. Esta propuesta tiene como objetivo la producción de zeaxantina a partir de una cepa antártica de Flavobacterium sp.aislada por el grupo de trabajo. El pigmento formado por cepas del género Flavobacterium puede contener entre un 95-99% zeaxantina. Se estudiarán la influencia de inductores en el crecimiento y en la producción de zeaxantina, y las mejores condiciones operativas a nivel de fermentador. Se realizará el modelado matemático de las cinéticas de producción de biomasa y carotenoide. Además, se estudiará la extracción de los compuestos con CO2 supercrítico. Con la información recabada se realizará un estudio técnico-económico de la propuesta.Agencia Nacional de Investigación e Innovació

Informe final del proyecto: Producción de zeaxantina por una cepa antártica de Flavobacterium sp.

Los microorganismos tienen gran potencial como fuente de pigmentos naturales debido a su alta eficiencia de producción y diversidad de compuestos. Sin embargo, gran parte de los pigmentos del mercado son producidos por síntesis química. En la actualidad se encuentran disponibles en el mercado pigmentos extraídos de microorganismos como: betacaroteno y licopeno de Blakeslea trispora, betacaroteno de Dunaliella salina, y astaxantina de Haematococcus pluvialis. La creciente demanda de los carotenoides se debe al aumento de su utilización como colorantes y como componentes de suplementos alimenticios, debido a exigencias en la reglamentación alimentaria y a crecientes evidencias de su rol biológico beneficioso en la salud. Para que la producción de pigmentos bacterianos sea económicamente viable es necesario mejorar la eficiencia de la fermentación y de la recuperación del producto, pero además hay que considerar su sustentabilidad. Esta propuesta tiene como objetivo la producción de zeaxantina a partir de una cepa antártica de Flavobacterium sp.aislada por el grupo de trabajo. El pigmento formado por cepas del género Flavobacterium puede contener entre un 95-99% zeaxantina. Se estudiarán la influencia de inductores en el crecimiento y en la producción de zeaxantina, y las mejores condiciones operativas a nivel de fermentador. Se realizará el modelado matemático de las cinéticas de producción de biomasa y carotenoide. Además, se estudiará la extracción de los compuestos con CO2 supercrítico. Con la información recabada se realizará un estudio técnico-económico de la propuesta.Agencia Nacional de Investigación e Innovació

Steam Explosion of <i>Eucalyptus grandis</i> Sawdust for Ethanol Production within a Biorefinery Approach

In this work, Eucalyptus grandis sawdust was subjected to steam explosion as the first step in cellulosic ethanol production within a biorefinery approach. The effect of the moisture content in the eucalypt sawdust (8 and 50%) and pretreatment process variables, such as temperature and residence time, were evaluated along with the influence of the water washing of steam-exploded solids on enzymatic hydrolysis and C6 fermentation yields. All other process streams were characterized to evaluate the recovery yield of valuable co-products. A recovery of nearly 100% glucans in the solid fraction and 60% xylans in the liquid fraction, mainly as partially acetylated oligomers, was obtained. The best enzymatic hydrolysis efficiencies (66–67%) were achieved after pretreatment at 205 °C for 10 min. The washing of pretreated sawdust with water improved the hydrolysis efficiencies and ethanol production yields by 10% compared to the unwashed pretreated solids under the same experimental condition. The highest ethanol yields were achieved after pretreatment of the sawdust with an 8% moisture content at 205 °C for 10 min, enzymatic hydrolysis at 13 wt% total solids with 25 FPU/g glucans, and fermentation with S. cerevisiae PE-2. In this case, 227 L ethanol and 40 kg total xylose (including xylo-oligomers) were obtained per ton of dry eucalypt sawdust