Biorefineries for the production of bioactive compounds

Abstract

Sustainable production processes are a necessity for a transition into a bio-economy based on renewable resources. For this purpose, biorefineries have been proposed as the technological scheme to convert biomass into a palette a products such as food, feed, materials, chemicals and energy. Bioactive compounds are one example of such products, which have gained significant interest for their application in the fields of pharmaceutics, health, and cosmetics. However, the sustainable production of these components depend on elements as the identification of feedstock for their extraction and their availability, and the valorization of other components from the feedstock (i.e., cellulose, hemicellulose, and lignin).This PhD consisted of designing sustainable biorefineries with bioactive compounds coupled with the subsequent valorization of the remaining fractions of the feedstock. Three raw materials were selected with a focus on availability in Austria: hemp, grapevine shoots, and wheat straw. Biorefinery concepts focused on the extraction of bioactive compounds and the valorization of the lignocellulosic fractions (cellulose, hemicellulose, and lignin) have been proposed. Within this common strategy, an integral valorization of the feedstock posed a different specific question for each raw material, based on the current state-of-the-art for the production of bioactive compounds, and studied pretreatment strategies, among other topics. The approach was then to use each raw material as a study case. The extraction of bioactive compounds was assessed with Pressurized Liquid Extraction and the valorization of the other platform chemicals from the feedstock (hemicellulose and lignin) was evaluated with Liquid Hot Water and Organosolv Extraction, and their sequential combination to improve overall performance of the pretreatment stage. For the hemp study case, it was identified that the leaves from the threshing residues contain significant concentrations of cannabinoids with extraction yields of 19.8 mg CBD/g dry feedstock in the leaves, compared to 1.4 mg CBD/g dry feedstock for the stem. However, hemicellulose and lignin contents are low in the feedstock (4.9 and 10.6 %wt for leaves and stem respectively), and therefore low yield for the production of sugars and lignin were obtained (between 0.06 and 0.07 g/g of dry feedstock). In addition, the mass balance of the entire plant allowed identifying the actual share of available threshing residues and the different valorization possibilities based on this composition. For the grapevine shoots, the potential bioactive compounds of the variety Gruener veltliner were determined with quercetin and tannins as the most representative components in the leaves (extraction yields of 10 and 20 mg/g of dry sample, respectively) and resveratrol in the stems (1.5 mg/g of dry sample). In addition, the stems showed interesting lignocellulosic composition compared to similar feedstocks used for hemicellulose and lignin extraction. Extraction yields of 0.18 and 0.08 g/g of dry feedstock were achieved in the LHW and OS extractions, respectively. For the wheat straw, the optimization of the pretreatment configuration showed that LHW followed by OS gave a better overall valorization of the hemicellulose, reaching sugar concentration around 12 g/L in the LHW stage, and performing LHW first increased 1.6-times the lignin extraction yield in the OS-stage. Therefore, a final solid with higher cellulose concentration (~60 %wt) is obtained. These results were corroborated further with a technical and environmental assessment showing that the LHW-OS configuration decreased the water, ethanol and thermal energy demand between 30-40% compared to the standalone OS and the OS-LHW configuration.

Nachhaltige Produktionsprozesse sind eine Voraussetzung für den Übergang zu einer Bioökonomie auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Zu diesem Zweck wurden Bioraffinerien als technologisches Nutzungskonzept vorgeschlagen, um Biomasse in eine Palette von Produkten wie Lebensmittel, Futtermittel, Materialien, Chemikalien und Energie umzuwandeln. Bioaktiven-Substanzen sind ein Beispiel für solche Produkte, die für ihre Anwendung in den Bereichen Pharmazie, Gesundheit und Kosmetik großes Interesse gefunden haben. Die nachhaltige Produktion dieser Komponenten hängt jedoch von Elementen wie der Identifizierung von Rohstoffen für ihre Extraktion und ihrer Verfügbarkeit sowie der Aufwertung anderer Komponenten aus dem Rohstoff (d. h. Zellulose, Hemizellulose und Lignin) ab.Diese Doktorarbeit bestand darin, nachhaltige Bioraffinerien mit Bioaktiven-Substanzen, gekoppelt mit der anschließenden Verwertung der verbleibenden Fraktionen des Rohstoffs zu entwerfen. Drei Rohstoffe wurden mit Fokus auf die Verfügbarkeit in Österreich ausgewählt: Hanf, Weinrebentriebe und Weizenstroh. Es wurde jeweils ein Bioraffineriekonzept vorgeschlagen, das sich auf die Extraktion Bioaktiven-Substanzen und die Aufwertung der lignozellulosehaltigen Fraktionen (Zellulose, Hemizellulose und Lignin) konzentriert. Im Rahmen dieser gemeinsamen Strategie stellte eine integrale Valorisierung für jeden Rohstoff eine andere spezifische Aufgabenstellung, basierend auf dem aktuellen Stand der Technik zur Herstellung Bioaktiven-Substanzen wurden unter anderem Vorbehandlungsstrategien untersucht. Für jeden Rohstoff wurde eine eigene Fallstudie entwickelt. Die Extraktion Bioaktiven-Substanzen wurde mit Flüssigextraktion unter Druck (Pressurized Liquid Extraction) untersucht und die Aufwertung der anderen Plattformen aus dem Ausgangsmaterial (Hemizellulose und Lignin) wurde mit Heiß-Wasser (Liquid Hot Water) und Organosolv Extraktion sowie deren sequenzielle Kombination zur Verbesserung der Gesamtleistung der Vorbehandlungsstufe evaluiert.Für das Fallbeispiel der Hanfstudie wurde festgestellt, dass die Blätter der Ernterückstände erhebliche Konzentrationen an Cannabinoiden enthalten, mit Extraktionsausbeuten von 19.8 mg CBD/g trockener Rohstoff in den Blättern, verglichen mit 1.4 mg CBD/g trockener Rohstoff für den Stängel. Allerdings sind die Hemicellulose- und Ligningehalte im Einsatzmaterial gering (4.9 und 10.6 %wt für Blätter und Stängel), und daher wurden geringe Ausbeuten für die Herstellung von Zuckern und Lignin erhalten (zwischen 0.06 und 0.07 g/g trockener Rohstoff). Darüber hinaus ermöglichte die Massenbilanzierung die unterschiedlichen Verwertungsmöglichkeiten, der verfügbaren Erntereststoffen und entsprechend deren Zusammensetzung, zu optimieren. Für die Weinrebentriebe wurde der Gehalt an potentiellen Bioaktiven-Substanzen der Sorte Grüner Veltliner bestimmt, mit Quercetin und Tanninen als repräsentativste Bestandteile in den Blättern (Extraktionsausbeute 10 bzw. 20 mg/g trockener Rohstoff) und Resveratrol in den Stängeln (1.5 mg/g trockener Rohstoff). Die Stängel zeigten eine interessante Zusammensetzung ähnlich der Rohstoffe, die für die Hemizellulose- und Ligninextraktion verwendet werden. Bei der LHW- bzw. OS-Extraktion wurden Extraktionsausbeuten von 0.18 und 0.08 g/g trockener Rohstoff erreicht.Für Weizenstroh zeigte die Optimierung der Vorbehandlungskonfiguration, dass LHW gefolgt von OS eine bessere Gesamtvalorisierung von Hemicellulose, Lignin ermöglicht. Es konnte eine Zuckerkonzentration von etwa 12 g/l in der LHW-Stufe in der Durchführung als erste Stufe und das 1.6-fache der Ligninextraktionsausbeute in der OS-Stufe erreicht werden. Damit konnte einen Faserstoff mit höherer Zellulosekonzentration erzielt werden (~60%wt). Diese Ergebnisse wurden durch eine technische und ökologische Bewertung weiter bestätigt. Es zeigte sich, dass die LHW-OS-Konfiguration den Wasser-, Ethanol- und Wärmeenergiebedarf im Vergleich zum eigenständigen OS und der OS-LHW-Konfiguration um 30-40% senkte.