Controlled depolymerization and decrystallization of cellulose-rich substrates into glucose

Abstract

Les besoins énergétiques augmentent rapidement partout à travers le monde. Afin de répondre à cette demande, de nouvelles sources d'énergie vertes doivent être développées. La production de bioéthanol à partir des substances lignocellulosiques, une ressource renouvelable, possède un cycle de vie favorable comparativement aux combustibles fossiles ou au bioéthanol produit à partir du maïs. La principale difficulté pour l'utilisation industrielle des substances lignocellulosiques est de produire le sucre à partir de la solide matrice cellulosique. Le sucre obtenu serait alors fermenté en éthanol. Deux approches sont généralement utilisées dans la recherche d'un procédé de production de sucre à partir des substances lignocellulosiques, (1) l'hydrolyse acide et (2) l'hydrolyse enzymatique. Les deux approches produisent de haut rendement en glucose; par contre, elles ne sont pas encore rentables et dépendent, tout comme les procédés à partir du maïs, des subventions. Ce projet tente de développer des méthodes améliorées qui rendraient la production de sucre rentable à partir des matières lignocellulosiques. Le procédé d'hydrolyse acide est basé sur la méthode ASTM E1758-95, nommée « Détermination des hydrates de carbone composant la biomasse par HPLC ». Notre innovation est de modifier les étapes de « gonflement » et d'hydrolyse inhérentes à la méthode ASTM, en utilisant un médiateur afin de produire une solution de sucre plus concentrée. La recherche présentée dans cette thèse prouve que l'innovation proposée est techniquement faisable. Par contre, la viabilité de notre innovation au point de vue économique dépend de la récupération et du recyclage de l'acide et du médiateur. L'innovation sur le procédé d'hydrolyse enzymatique est basée sur l'utilisation de substrats fractionnés à divers niveaux de pureté et de cristallinité, et d'évaluer si leur hydrolyse sera favorisée (nécessitant moins d'enzyme eUou moins de temps de réaction) comparativement aux substrats prétraités mais non fractionnés. Notre recherche montre que le temps et la charge enzymatique sont les facteurs principaux contrôlant l'hydrolyse. Comparativement à ces deux facteurs, le type de substrat utilisé a peu d'effet sur l'hydrolyse enzymatique. À partir de cette information, il peut être déduit que la cristallinité est l'étape clef limitant l'activité enzymatique.

Abstract: The energy needs are increasing rapidly throughout the world. To fulfill this need, new environmentally friendly energy sources must be developed. Production of bio-ethanol from lignocellulosics, a renewable resource, has a favorable life cycle compared to actual fossil fuels or to bio-ethanol from starch.The main difficulty is to obtain the sugars from the rigid cellulose matrix characteristic of lignocellulosics.The sugars would then be fermented into ethanol. Scientists generally follow two approaches to develop the sugar production process from lignocellulosics, (1) acid hydrolysis and (2) enzymatic hydrolysis. Both approaches produce high glucose recoveries; however, both processes have been, so far, economically unattractive and rely, as the corn-linked process, on subsidies. This project attempts to develop improved methods that make the sugar production from lignocellulosics economically attractive.The acid hydrolysis process is based on the ASTM E1758-95 method, referred to as"Determination of carbohydrates in biomass by HPLC". Our innovation has been to modify the"swelling" and hydrolysis steps inherent in the ASTM method, by using a mediator to produce a more concentrated solution of sugars.The experiment presented in this thesis proves that that proposed innovation is technically feasible. However, the economical feasibility of our innovation hinges upon the recovery and recycling of the acid and mediator.The enzymatic hydrolysis innovation is based on using the substrates produced by steam treatment and evaluating whether or not their enzymatic hydrolysis is preferred (less enzymes and less time) over processes with pre-treated but non-fractionated substrates or in relation to high-purity cellulose as the ultimate standard. Our research shows that time and enzymatic loading are the main factors controlling the hydrolysis. When compared with these two factors, the type of substrate has little effect on enzymatic hydrolysis. From this information, it can be deduced that crystallinity is the key limiting step and barrier to enzymatic activity.