Exploring pretreatment with ionic liquids for enzymatic cellulose hydrolysis

Engel, Philip Wolfram; Spieß, Antje

doi:4346

Exploring pretreatment with ionic liquids for enzymatic cellulose hydrolysis = Untersuchung der Cellulosevorbehandlung mit ionischen Flüssigkeiten für die enzymatische Cellulosehydrolyse

Engel, Philip Wolfram (Author)

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philip Wolfram Engel

ImpressumAachen : Pro Business 2012

UmfangXVII, 131 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Druckausgabe: 2012. - Onlineausgabe: 2013. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Spieß, Antje (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-10-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43465
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197577/files/4346.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik (420110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Cellulose (Genormte SW) ; Ionische Flüssigkeit (Genormte SW) ; Lignocellulose (Genormte SW) ; Hydrolyse (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; lignocellulose (frei) ; cellulose (frei) ; hydrolysis (frei) ; ionic liquids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die effiziente Hydrolyse von Cellulose, als Hauptbestandteil pflanzlicher Biomasse, ist entscheidend für die wirtschaftliche Produktion von Biokraftstoffen der 2. und 3. Generation. Die enzymatische Hydrolyse ermöglicht die selektive Umsetzung von Cellulose zu Glucose bei moderaten Reaktionsbedingungen. Die Effizienz der enzymatischen Cellulosehydrolyse ist maßgeblich durch die widerstandsfähige und hochorganisierte Struktur der Cellulose limitiert. Daher wird Cellulose vorbehandelt, um die Zugänglichkeit für die Cellulasen zu erhöhen. Zur Cellulosevorbehandlung können ionische Flüssigkeiten als neuartige Lösungsmittel eingesetzt werden. Einige sind in der Lage, Cellulose aufzulösen und so die komplexe Cellulosestruktur vollständig zu öffnen. Die gelöste Cellulose lässt sich durch die Zugabe von Wasser ausfällen und die so regenerierte Cellulose weist eine stark veränderte amorphe Partikelstruktur mit großen Poren auf, wodurch die Zugänglichkeit der Celluloseketten für die enzymatische Hydrolyse deutlich erhöht wird. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Reaktionsrate. Es wurde die heterogene enzymatische Hydrolyse von ungelöster, regenerierter Cellulose mit kommerziellen Cellulasen untersucht. Dabei wurde analysiert, wie Restmengen von ionischer Flüssigkeit aus der Vorbehandlung sich auf die Cellulasen auswirken. Die ionische Flüssigkeit reduzierte zwar die Aktivität der Cellulasen, jedoch bei erhaltener Stabilität. Daher konnte regenerierte Cellulose auch mit Restmengen von ionischer Flüssigkeit schneller hydrolysiert werden. Die Ausbeuten waren jedoch verringert. Daher wurde die Mischung der Cellulasen für die Hydrolyse von regenerierter Cellulose mit einem semi-empirischen Modell optimiert. Die Ausbeute konnte dadurch erfolgreich um 10% Punkte erhöht werden. Eine noch effizientere Hydrolyse der Cellulose innerhalb von 5 h wurde durch eine Kombination von chemischer und enzymatischer Hydrolyse erreicht. Neben der heterogenen Cellulosehydrolyse, wurde auch die homogene Hydrolyse von in ionischen Flüssigkeiten gelöster Cellulose untersucht. Da bisher bei hohen Konzentrationen an ionischer Flüssigkeit (>80% (v/v)) noch nie Cellulaseaktivität gemessen wurde, mussten zunächst zwei unabhängige Messmethoden entwickelt werden, um die Cellulaseaktivität zu quantifizieren. Mit einer neuartigen Cellulase aus dem extremophilen Archaeon Sulfolobus solfataricus konnte so erstmals eine Cellulaseaktivität auf gelöster Cellulose in nahezu reiner ionischer Flüssigkeit gemessen werden. Dadurch wurde gezeigt, dass die homogene Hydrolyse von in ionischer Flüssigkeit gelöster Cellulose grundsätzlich möglich ist. Für ein verbessertes ganzheitliches Verständnis der Cellulosehydrolyse wurde ein mechanistisches Modell für die Hydrolyse gelöster Cellulose entwickelt. Mit Hilfe von Populationsbilanzen wurden dabei die Veränderungen der Cellulose-Polymerkettenlängenverteilung im Laufe der Hydrolyse abgebildet. Dieser Modellierungsansatz wurde zunächst für das Beispiel einer chemischen Cellulosehydrolyse eingesetzt und eine Parameterschätzung durchgeführt. Im Anschluss wurden verschiedene Modelle der homogenen enzymatischen Cellulosehydrolyse entwickelt und Parametervariationen durchgeführt, um die Einflussfaktoren der homogenen enzymatischen Cellulosehydrolyse zu charakterisieren. Um zukünftig die Cellulosehydrolyse noch besser charakterisieren und mit dem Populationsbilanzmodell verknüpfen zu können, wurde eine neue Methode zur Messung von Cellulosekettenlängenverteilungen entwickelt. Diese Methode vereinfacht die Probenvorbereitung und ermöglicht daher deutlich schneller Cellulosekettenlängenverteilungen mit Gelpermeationschromatographie zu messen. Mit dieser Methode war es möglich, die Kettenlängenverteilungen im Laufe der enzymatischen Hydrolyse von verschiedenen Cellulosetypen sowie regenerierter Cellulose zu messen. Dabei könnte ein deutlicher Einfluss der Cellulosevorbehandlung auf die Hydrolyseaktivität der Enzyme gezeigt werden. Mit den hier vorgestellten Ergebnissen wurden wesentliche neue Erkenntnisse zum besseren Verständnis der durch ionische Flüssigkeiten vorbehandelter Cellulosehydrolyse erarbeitet. Damit sind wichtige Schritte hin zu einem vollständigen mechanistischen Cellulasemodell erfolgt, um die enzymatische Cellulosehydrolyse für unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden zu optimieren und so eine wirtschaftlich effiziente Umsetzung von Cellulose in Bioraffinerien zu ermöglichen.

The efficient hydrolysis of cellulose, which is one major component of plant biomass, is crucial for the economic production of 2nd and 3rd generation biofuels. Enzymatic cellulose hydrolysis allows for the selective conversion of cellulose to glucose at moderate reaction conditions. The efficiency of enzymatic cellulose hydrolysis is primarily limited by the accessibility of the cellulose polymer to cellulases due to the highly organized and recalcitrant cellulose structure. Therefore, cellulose is pretreated to increase the availability of cellulose for cellulases. For cellulose pretreatment ionic liquids, as new generation of solvents, are attractive because some of them can dissolve cellulose and thereby open the highly organized cellulose structure. Dissolved cellulose can then be precipitated by addition of water, leading to an amorphous regenerated cellulose structure with large pores. Therefore, regenerated cellulose can be hydrolyzed much more efficiently with strongly increased reaction rates. The enzymatic heterogeneous hydrolysis of undissolved, regenerated cellulose with a commercial cellulase preparation was characterized and the effect of residual ionic liquid from the pretreatment was analyzed. The ionic liquid strongly reduced the cellulase activity but the enzyme stability was maintained. Therefore, regenerated cellulose was hydrolyzed much faster, also in the presence of residual ionic liquid. However, with increasing amounts of ionic liquid, the yields were reduced. To improve the hydrolysis of regenerated cellulose a semi-empiric mathematical model was developed. This was successfully used to rationally optimize the cellulase mixture and increase the yield by 10% points. An even further improved process was achieved by combining a chemical hydrolysis step with the enzymatic hydrolysis to achieve nearly quantitative conversion in only 5 hours. In addition to the heterogeneous hydrolysis of undissolved cellulose, the homogeneous hydrolysis of dissolved cellulose in ionic liquid was evaluated. Since common cellulases are not active at such high ionic liquid concentrations, two new analytical techniques based on sugar formation and viscosity decrease were developed to quantify cellulase activity in this ionic liquid reaction system. Using a new cellulase from the extremophile archaeon Sulfolobus solfataricus, it was possible to measure cellulase activity in nearly pure ionic liquid for the first time. Therefore, it was demonstrated that the homogeneous enzymatic hydrolysis of cellulose dissolved in ionic liquid is generally feasible. For a holistic understanding of enzymatic cellulose hydrolysis, mechanistic modeling is a powerful tool. A mechanistic population balance model for homogeneous cellulose hydrolysis was developed that describes changes in chain length distributions. The parameters of a chemical hydrolysis model were estimated to verify the applicability of population balance modeling to describe cellulose hydrolysis. Afterwards, models for the enzymatic cellulose hydrolysis were developed and parameter variations revealed influencing factors of homogeneous enzymatic cellulose hydrolysis. For a further in-depth analysis of cellulose hydrolysis and to provide the required experimental data for future population balance modeling, a new method to analyze cellulose chain length distributions was developed. This method simplifies sample preparation and thereby, allows to measure cellulose chain length distributions much faster. This method was applied to measure and compare chain length distributions of different cellulose substrates, in original form and regenerated from ionic liquid, during the enzymatic hydrolysis. It was found that the cellulase hydrolysis reaction was significantly influenced by the accessibility of the different substrates. Based on the work presented here, fundamental new aspects of ionic liquid assisted enzymatic cellulose hydrolysis were identified. Future work based on these results can ultimately lead to a fully mechanistic model of cellulose hydrolysis that allows for the optimization of enzymatic cellulose hydrolysis, irrespective of biomass origin or pretreatment method. Furthermore, it will be possible to identify targets for the optimization of cellulases and pretreatment method. Therefore, this will be a central element for the economic conversion of cellulose in future biorefineries.

Fulltext:
PDF