Elucidating the potential of bioprocesses on spent industrial pulping streams

Abstract

Weltweit wird an der nachhaltigen Produktion von Nahrungsmittelzusätzen, Gesundheitsprodukten, Fasern, chemischen Grundsubstanzen und Energieträgern aus Biomasse gearbeitet. Unglücklicherweise führt der Anbau von Energiepflanzen auf Ackerflächen sowie die Nutzung von Getreide zur Produktion von Biotreibstoffen zum 'Teller oder Tank' -Dilemma. Um dieses Dilemma zu umgehen können zuckerhaltige Abwasserströme, wie Sulfitablauge aus der Zellstoffindustrie im Rahmen der Holz Biofraffinierie, als Substrat verwendet werden. Beim Zellstoffprozess entsteht eine feste Fraktion aus Zellulose (Zellstoff) und eine flüssige Fraktion in der die anderen Holzbestandteile, sowie deren chemische Abbauprodukte enthalten sind. Dieser flüssige Abwasserstrom kann weiterverarbeitet werden. Der wirtschaftliche Erfolg der weiterverarbeitenden Schritte ist abhängig von einer effizienten Abtrennung und Umsetzung der organischen Komponenten, allen voran Kohlenhydrate. Erwartungsgemäß kann eine Integration biologischer Prozesse in existierende Zellstoff Mühlen diese Anforderungen erfüllen. Durch die Verwendung extremophiler Mikroorganismen, beispielsweise Acidothermophile oder Alkalithermophile, können Chemikalien, Kühlenergie und Sterilisationsschritte eingespart werden, was zu einer weiteren Prozessintensivierung führt. Für eine zukünftige Integration von Bioprozessen, ist allerding ein besseres Verständnis, sowie Quantifizierbarkeit des Prozesses nötig. Um biologische Systeme für die Produktion von Biotreibstoffen zu optimieren müssen erst die physiologischen Schlüsselparameter mittels eigens dafür ausgelegten Reaktorsystemen und online Prozesskontrolle ermittelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Potential unterschiedlicher Bioprozesse zur Verwertung von Sulfitablauge ermittelt. Dabei werden ein anaerober thermophiler, zwei anaerobe mesophile und ein aerober halophiler Prozess untersucht: Erzeugung von Bioethanol unter anaeroben, thermophilen Bedingungen, Erzeugung von Polyhydroxybutyrat unter aeroben, halophilen Bedingungen, sowie zwei Bioprozesse mit ABE-produzierenden Clostridien Jeder dieser Prozesse hat bestimmte Vorteile, stellt aber auch Ansprüche und Herausforderungen. Der thermophile Prozess zeichnet sich durch eine geringe Biomassekonzentration aus, und benötigt komplexe Medienbestandteile, was die Quantifizierung der physiologischen Schlüsselparameter erschwert. Während der halophile Prozess sich durch deutlich höhere Biomassekonzentration auszeichnet, ist er auch vom Gelöstsauerstoff abhängig, was eine großtechnische Umsetzung erschwert. Die beiden mesophilen Prozesse sind anaerob, es gibt definierte Medien und die erreichte Biomassekonzentration ist sehr hoch. Allerdings ist der Metabolismus sehr komplex und muss für die Produktion der unterschiedlichen Wertstoffe gezielt gesteuert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir darstellen, dass die generelle Methodik für Stammauswahl, Verbesserung der Substratfermentierbarkeit und die Untersuchung der physiologischen Schlüsselparameter auf all diese Bioprozesse angewendet werden kann.

Worldwide bio-economy concepts foster the sustainable production and conversion of biomass into a range of food, health, fiber, industrial products, and energy. However, there is a risk that the diversion of farmland or crops for the production biofuels and bio-based products compromises the food supply - the food versus fuel dilemma. One way to circumvent this dilemma is the use of spent liquors from the pulping industry in terms of a wood biorefinery. The pulping process leads to a solid fraction mainly consisting of cellulose (pulp) and a liquid fraction containing a mixture of the other wood components and their degradation products, which can be further processed. The economic success of the utilization of these liquid fractions largely depends on an efficient separation and conversion of the organic compounds - predominantly the carbohydrates. Integrating biotechnological processes into existing pulp mills is expected to achieve those requirements. Employing extremophilic microorganisms, e.g. Acidothermophiles or Alkalithermophiles, in the bioprocesses could lead to further process intensifications by saving chemicals, cooling energy and sterilization steps. Regarding a future integration of bioprocesses, better understanding and quantification are required. The improvement of those biological systems for biofuels production implies the study of different physiological key parameters in the developing bio-systems, using on-line signal monitoring and off-line analyses. This contribution tries to elucidate the potential of bioprocesses utilizing spent sulfite liquor on the example of four very different processes employing an anaerobe thermophilic, an anaerobe mesophilic and an aerobe halophilic process: Production of ethanol with thermophile microorganisms, production of polyhydroxyalkanoates with halophilic microorganisms, and two bioprocesses with ABE-producing clostridia. Each of these processes has distinct advantages, requirements and challenges. The thermophile process is characterized by low biomass concentrations, and requires complex media to improve microbial growth; which it also a disadvantage in terms of quantification of physiological parameters. While the halophile process also required complex media components the biomass concentration is much higher. However, this process is dependent on availability of oxygen. The mesophile processes are anaerobic, defined media are available and biomass concentration is higher than in the thermophile process, however, the regulation of the metabolism is crucial for successful production of value added products. As shown in this study, the general methodology, finding the right strains, investigating inhibiting substances and pretreatment or investigation of physiological key parameters is the same for all the investigated cases.