Pretreatment categories, process alternatives and material characteristics in enzymatic hydrolysis of lignocellulose

Fractionation of lignocellulose materials to sugars is a major strategy for the production of renewable fuels and chemicals. This study compares the potential of two major pretreatment categories, hydrothermal treatment and delignification, and contributes to scientific understanding of the phenomena behind enzymatic hydrolysability of wheat straw. Delignification was found to allow higher sugar yields. Since enzyme consumption is a key cost of the fractionation process, the optimal yield target depends on enzyme price. To allow yield optimization, a novel empirical model was developed for the process sugar yield as a function of enzyme consumption and hydrolysis time. The usability of the model was demonstrated by comparing the feasibility of different process alternatives for fractionation. The changes in the material properties of lignocellulose by pretreatments were correlated to cellulose hydrolysability, and for the first time, the importance of the different properties was determined statistically. In the order of importance, the hydrolysis yield depended on cellulose surface area, pore accessibility, lignin content, lignin surface chemistry, cellulose crystallinity and hemicellulose content. During enzymatic hydrolysis, the surface area of cellulose correlated linearly with the total cellulose content, but contrary to expectations, hydrolysis did not reveal fresh lignin surfaces. Different rate constraining mechanisms were incorporated in a Michaelis-Menten type kinetic model, and it was found that permanent hydrolysis-dependent enzyme inactivation should be included with the previously well-established effects of product inhibition and reduction of hydrolysability. For improving fractionation processes, different technological solutions were studied. A flow through process was found to improve fractionation by delignification, but no additional improvement was achieved by counter-current operation. By studying and simulating the packing density and flow properties of a packed straw bed, a flow-through process was found to be possible without clogging the straw bed by compaction. The height of an industrial scale column is restricted by the applicable flow rate. With the simulation model, it was possible to determine the maximum volumetric throughput as a function of column height. Recycling of the solid residue during enzymatic hydrolysis was found to be inefficient for enzyme recycling, but efficient for product removal, with similar benefits as sequential hydrolysis. Both processes significantly improved the volumetric productivity of hydrolysis by increasing the solids concentration without reducing yield. Alternatively, this benefit could be redirected into increasing the yield by maintaining reaction volume with additional water, leading to dilution of the hydrolysis conditions.Lignoselluloosamateriaalien fraktiointia ja pilkkomista sokereiksi on tutkittu laajasti uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien tuottamiseksi. Tässä tutkimuksessa vertailtiin kahden tärkeimmän esikäsittelykategorian, hydrotermisen käsittelyn ja delignifioinnin, vaikutusta vehnän oljesta entsyymihydrolyysillä saatavaan sokerisaantoon ja sen taustalla oleviin ilmiöihin. Suuremmat sokerisaannot saavutettiin delignifioinnilla. Koska entsyymikulutus on yksi prosessin avainkustannuksista, saantotavoite tulisi optimoida entsyymin hinnan mukaan. Tätä varten kehitettiin uusi empiirinen malli sokerisaannolle entsyymikulutuksen ja reaktioajan funktiona, ja mallin käyttöä havainnollistettiin suoraviivaisella kannattavuusanalyysillä eri fraktiointiprosesseille. Esikäsittelyjen vaikutuksia lignoselluloosan materiaaliominaisuuksiin vertailtiin hydrolyysisaantoihin ja eri ominaisuudet asetettiin ensimmäistä kertaa tilastollisesti tärkeysjärjestykseen seuraavasti: selluloosan pinta-ala, huokosrakenne, ligniinin määrä, ligniinin pintakemia, selluloosan kiteisyys ja hemiselluloosan määrä. Selluloosan pinta-ala pieneni lineaarisesti selluloosamäärän kanssa, kun taas ligniinin pinta-ala pysyi lähes muuttumattomana, vaikka hydrolyysin odotettiin paljastavan tuoreita ligniinipintoja. Erilaisia reaktionopeutta laskevia tekijöitä arvioitiin yhdistämällä niitä Michaelis-Menten –tyyppiseen kinetiikkamalliin. Havaittiin että aiemmissa malleissa huomioitujen lopputuoteinhibition ja hydrolysoituvuuden laskun lisäksi malliin on perusteltua lisätä hydrolyysiasteesta riippuva peruuttamaton inhibitiotekijä. Fraktioinnin tehostamiseksi tutkittiin vaihtoehtoisia prosessiratkaisuja. Läpivirtausprosessin havaittiin parantavan sokerisaantoja delignifioinnissa, mutta vastavirtaprosessi ei tuonut lisäparannusta suoraan läpivirtaukseen verrattuna. Olkipedin pakkaustiheyttä ja virtausominaisuuksia määritettiin ja simuloinnin avulla läpivirtausprosessi havaittiin käyttökelpoiseksi suuressa mittakaavassa. Oljen kokoonpuristuminen rajoitti käytettävää virtausnopeutta, mikä taas vaikutti kolonnin kapasiteettiin ja korkeuteen. Kolonnin kapasiteetti määritettiin korkeuden funktiona simuloinnin avulla. Kiintoaineen kierrätys entsyymihydrolyysissä ei toiminut entsyymien kierrätysmenetelmänä, mutta oli sen sijaan tehokas tapa poistaa tuotetta, yhtälailla kuin moninkertainen hydrolyysi. Kumpikin tehosti merkittävästi volumetrista tuottavuutta mahdollistamalla korkeamman kuiva-ainepitoisuuden ilman saannon laskua. Vaihtoehtoisesti hyöty kyettiin ohjaamaan hydrolyysisaannon kasvuksi vakioimalla reaktiotilavuus, jolloin veden lisäys johti kokonaisprosessiolosuhteiden laimenemiseen

Determination of surface-accessible acidic hydroxyls and surface area of lignin by cationic dye adsorption

A new colorimetric method for determining the surface-accessible acidic lignin hydroxyl groups in lignocellulose solid fractions was developed. The method is based on selective adsorption of Azure B, a basic dye, onto acidic hydroxyl groups of lignin. Selectivity of adsorption of Azure B on lignin was demonstrated using lignin and cellulose materials as adsorbents. Adsorption isotherms of Azure B on wheat straw (WS), sugarcane bagasse (SGB), oat husk, and isolated lignin materials were determined. The maximum adsorption capacities predicted by the Langmuir isotherms were used to calculate the amounts of surface-accessible acidic hydroxyl groups. WS contained 1.7-times more acidic hydroxyls (0.21 mmol/g) and higher surface area of lignin (84 m2/g) than SGB or oat husk materials. Equations for determining the amount of surface-accessible acidic hydroxyls in solid fractions of the three plant materials by a single point measurement were developed. A method for high-throughput characterization of lignocellulosic materials is now available

Uudet happamat kutinaasit Sirococcus conigenus ja Aspergillus niger -homeista

Cutinases are enzymes that hydrolyse cutin, protective bio polyester on the surface of plants. They are considered as intermediates between lipases and esterase's. All previously described cutinases have alkaline or neutral pH-optima. In this work, the gene of a novel acidic cutinase from the fungus Aspergillus niger was identified. The A. niger cutinase and another novel acidic cutinase from the fungus Sirococcus conigenus were heterologously produced in Pichia pastoris and characterized. The A. niger and S. conigenus cutinases both displayed acidic pH-optima roughly at pH values 5 and 4, respectively. Both cutinases were functional and thermally stable at pHs between 3.5 and 6.5 and had good thermal stabilities at high temperatures at optimum pH. The cutinases preferred rho-nitrophenyl esters of short chain fatty acids as substrates over those of long chain fatty acids, which is typical for cutinases. Both were able to hydrolyse natural apple cutin. The cutinase of S. conigenus also hydrolysed birch suberin and had minor lipase activity. The specific activity of the S. conigenus cutinase was over 500-fold higher compared to the cutinase of A. niger and it was considered to have potential for industrial use in applications, where cutinolytic activity at acidic pH is desired.Kutinaasit ovat entsyymejä jotka hydrolysoivat kasvien pinnalla olevaa suojaavaa biopolyesteria kutiinia. Kutinaaseja pidetään lipaasien ja esteraasien välimuotona. Tähän asti tunnetuilla kutinaaseilla on emäksinen tai neutraali pH-optimi. Tässä työssä identifioitiin uuden, happaman kutinaasin geeni Aspergillus niger -homeesta. A. niger -homeen kutinaasia ja toista uutta hapanta kutinaasia Sirococcus conigenus -homeesta tuotettiin heteroloogisesti Pichia pastoris -hiivassa ja entsyymit karakterisoitiin. Molempien kutinaasien pH-optimit olivat happamalla alueella. A. niger -homeen kutinaasin optimi oli pH:ssa 5 ja S. conigenus -homeen kutinaasin pH:ssa 4. Kumpikin oli stabiili ja toimiva pH-arvojen 3,5 ja 6,5 välillä. Optimi-pH:ssa kummankin stabiilisuus oli hyvä myös korkeissa lämpötiloissa. Molemmat kutinaasit hydrolysoivat tehokkaimmin Iyhytketjuisten rasvahappojen rhoo-nitrofenyyliestereitä verrattuna pitkäketjuisten rasvahappojen estereihin, mikä on tyypillistä kutinaaseille. Kumpikin hydrolysoi myös omenan kutiinia. S. conigenus -homeen kutinaasi hydrolysoi lisäksi suberiinia ja sillä oli vähän lipaasiaktiivisuutta. S. conigenus -homeen kutinaasin spesifinen aktiivisuus oli yli 500-kertainen verrattuna A. niger -homeen kutinaasiin ja se vaikuttaa potentiaaliselta teollisuusentsyymiltä sovelluksissa, joissa kaivataan hapanta kutinaasiaktiivisuutta

Exertus-ohjausjärjestelmän soveltaminen Hiab-nosturin ohjaamisessa

Insinöörityön aiheena oli tutustua Exertus Oy:n valmistamiin ja kehittämiin moduuleihin ja ohjelmiin, soveltaen se Metropolia Ammattikorkeakoulun hydrauliikkalaboratorion Hiab-nosturiin ja luoda Guitu 3 -ohjelmalle käyttöönotto-ohjeet. Työ suoritettiin perehtymällä tekijöille ennalta tuntemattoman Exertuksen MID070S-moduuliin ja Guitu 3 -ohjelmaan. Projektissa järjesteltiin uudelleen nosturin työpiste, luotiin Hiabin langattoman järjestelmän rinnalle uusi Exertuksen kiinteä ohjainsauvoilla ohjattava järjestelmä. Työn lopputuloksena saatiin aikatauluun nähden käyttöönotto-ohje sisältäen hyvät pohjatie-dot ohjelmien luomiseen ja toimiva ratkaisu nosturin ohjaamiseen, joita voidaan käyttää pohjana tulevaisuuden projekteissa. Työn tulos mahdollistaa hyvät lähtökohdat järjestelmän parantamiseen ja jatkosovellutuksiin.The objective of this Bachelor’s thesis was to study the modules and programs manufactured and developed by Exertus Oy and to apply these in the use of controlling the Hiab crane located in hydraulics laboratory in Metropolia University of Applied Sciences. In addition, the objective was also to create a startup manual for Guitu 3 software. The study was carried out by studying MID070S module and Guitu 3 software developed by Exertus Oy which was unfamiliar to the authors prior to the start of this project. In this project, the crane’s workspace was rearranged and a new Exertus control system operated by joysticks was installed alongside with Hiab’s original wireless control system. As a result, in relation to the timetable, a decent startup manual including good basics to create programs with Guitu 3 and a working solution to control the crane were made, which can be used as a basis for future projects. The result of this work offers good base infor-mation for developing the system and its extensive applications