Abstract:
Die globale Erwärmung und die Umweltverschmutzung sind große globale Herausforderungen, die sich aus dem hohen Verbrauch von Erdölkraftstoffen ergeben. Darüber hinaus haben Faktoren wie das Bevölkerungswachstum, die fortschreitende Erschöpfung der fossilen Brennstoffe und die eskalierenden Erdölpreise zu einer weltweiten Energiekrise geführt. Eine wichtige Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderungen besteht darin, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen. Lignozellulose-Biomasse ist eine der erneuerbaren Ressourcen, die eine entscheidende Rolle bei der Schaffung einer Kreislauf-Bioökonomie und der Minimierung der Umweltauswirkungen spielt. ... mehrDas Haupthindernis für die Verwendung von Lignozellulose-Biomasse als Ausgangsmaterial für Bioraffinerieprozesse ist jedoch der hohe Anteil an Lignin, das Zellulose und Hemizellulose fest bindet und von Natur aus widerspenstig ist. Dies schränkt die Wirksamkeit der Mikroorganismen beim Abbau für Biokonversionsverfahren ein. Die Enset-Pflanze ist eine potenzielle Nahrungsquelle für rund 20 Millionen Äthiopier. Trotz ihrer Bedeutung fällt bei der traditionellen äthiopischen Enset-Verarbeitung eine große Menge an Nebenprodukten an. Das Potenzial von Enset-Biomasse für Bioraffinerie-Anwendungen wurde jedoch noch nicht umfassend erforscht. Um Enset-Biomasse effektiv als Rohstoff für Bioraffinerieprozesse nutzen zu können, ist es wichtig, ihre Zusammensetzung zu verstehen und eine geeignete Methode für die Biokonversion auszuwählen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es daher, das Verarbeitungspotenzial des äthiopischen landwirtschaftlichen Reststoffs Enset/Ensete ventricosum für Bioraffinerieprozesse zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der Herstellung hochwertiger Biokraftstoffe und Biochemikalien liegt.
Der erste Schritt bei der Nutzung von Enset-Biomasse als Ausgangsmaterial für Bioraffinerieprozesse war die Charakterisierung ihrer Zusammensetzung. Die Ergebnisse der Analyse der Zusammensetzung zeigten, dass die meisten Teile der Enset-Biomasse 36-67% Zellulose, 16-20% Hemizellulose und weniger als 6,8% Lignin enthielten. Die Enset-Faser wies mit 67,1% einen hohen Zellulosegehalt auf, gefolgt von den Schalen der Mittelrippe und der Blattscheide mit 40% bzw. 34,1%. Alle Teile der Enset-Biomasse enthielten geringe Mengen an Furfural, die zwischen 0,43% und 1,03% (w/w) lagen, und Hydroxymethylfurfural (HMF) wurde nicht nachgewiesen. Nach der Auswahl der faserigsten Teile wurden die Auswirkungen verschiedener Vorbehandlungsmethoden auf die enzymatische Hydrolyse bewertet, um die am besten geeignete Vorbehandlungsmethode für jeden Teil der Enset-Biomasse zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass das Enzym bei allen alkalivorbehandelten Enset-Biomasseproben 80-90% der Biomasse innerhalb von 24 Stunden in Glukose umwandelte, während es 60 Stunden dauerte, um 48-80% der säurebehandelten Enset-Biomasse umzuwandeln. Darüber hinaus setzte die Alkalivorbehandlungsmethode bei allen Enset-Biomasseproben mehr Glukose frei als die saure Vorbehandlungsmethode.
Um Enset-Biomasse in hochwertige Produkte umzuwandeln, wurde eine Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE) mit dem Stamm Clostridium saccharoperbutylacetonicum DSM 14923 durchgeführt. Diese Versuche wurden in Serumflaschen nach der Methode der separaten Hydrolysefermentation (SHF) durchgeführt. Nach 72 Stunden Fermentation wurden 2,8 g/L Aceton, 9,9 g/L Butanol und 1,6 g/L Ethanol aus gemischter, mit Alkali vorbehandelter Enset-Abfallbiomasse hergestellt, wobei eine ABE-Ausbeute von 0,32 g/g und eine Produktivität von 0,2 g L-1h-1 erreicht wurde. Die SHF-Methode hatte jedoch mit einigen Problemen zu kämpfen, wie z. B. Substrathemmung, geringe Butanolausbeute und -produktivität sowie komplizierte Arbeitsschritte. Daher wurde das Verfahren der gleichzeitigen Verzuckerung und Fermentation (SSF) untersucht, um ein effizienteres Verfahren aus Enset-Biomasse zu entwickeln.
Der SSF-Prozess wurde zunächst in Serumflaschen durchgeführt, um die Prozessparameter für die Butanolproduktion aus Enset-Fasern zu optimieren. Das SSF-Verfahren in Flaschen erzielte eine höhere Butanolkonzentration von 11,36 g/L mit einer Ausbeute von 0,23 g/g und einer Produktivität von 0,16 g L-1h-1 im Vergleich zum SHF-Verfahren. Diese Ergebnisse wurden unter optimalen Prozessparametern beobachtet, einschließlich 5% (w/v) Substratbeladung, 16 FPU/g Cellulasebeladung und 100 U/min Rührgeschwindigkeit. Nach der Bestimmung der optimalen Prozessparameter für den SSF-Prozess wurde ein Scale-up-Prozess unter Verwendung eines 2,5-Liter-Bioreaktors mit einem Gesamtvolumen von 1 Liter durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der pH-Kontrolle und des Drucks auf die Butanolproduktion im SSF-Prozess untersucht. Eine vergleichbare Butanolausbeute wie im Flaschenexperiment wurde im Bioreaktor unter den Bedingungen mit ungeregeltem pH-Wert und Überdruck erzielt; allerdings sank die Butanolproduktivität auf 0,095 g L-1h-1. Um die Butanolproduktivität zu maximieren und das Mischungsproblem im Bioreaktor zu lösen, wurde ein Vorhydrolyseprozess mit gleichzeitiger Verzuckerung und Fermentation (PSSF) mit denselben Prozessparametern implementiert, mit Ausnahme einer Substratbeladung von 7% (w/v). Das PSSF-Verfahren führte zu der höchsten Butanolkonzentration und Produktivität von 12,84 g/L bzw. 0,104 g L-1h-1, jedoch war die Butanolausbeute mit 0,18 (g/g) im Vergleich zum SSF-Verfahren am geringsten.
Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass der C. saccharoperbutylacetonicum-Stamm ein erhebliches Potenzial für die Produktion von Wasserstoff aus Enset-Fasern im SSF-Verfahren hat. Um jedoch maximale Ausbeuten sowohl für Wasserstoff als auch für Butanol zu erzielen, ist es entscheidend, die Fermentationsbedingungen separat zu optimieren. Durch weitere Optimierung des SSF-Prozesses in Serumflaschen erzielten wir 18,86 mmol Wasserstoff mit einer Ausbeute von 168,99 mL/g-Enset-Faser unter den optimalen Parametern Temperatur (37 °C), anfänglicher pH-Wert (8,0) und niedriger Wasserstoffpartialdruck. Diese Studie untersuchte auch den Einfluss des Wasserstoffpartialdrucks auf die Wasserstoffproduktion und kam zu dem Schluss, dass ein niedrigerer Wasserstoffpartialdruck für die Maximierung der Wasserstoffproduktion von Vorteil ist. Die Flaschenversuche zeigten, dass die Wasserstoffproduktion bei niedrigerem Wasserstoffpartialdruck um 21,5% höher ist als bei höheren Werten. Um diese Ergebnisse zu bestätigen, wurde ein SSF-Verfahren unter Atmosphärendruck und ohne pH-Kontrollsystem mit den optimalen Prozessparametern in größerem Maßstab durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigten eine 79,7% ige Steigerung der Wasserstoffproduktion im Vergleich zum SSF-Prozess (ohne pH-Kontrolle) bei 30 °C, einem anfänglichen pH-Wert von 6,8 und unter Überdruck, was die Butanolproduktion begünstigte. Unter den optimalen Prozessbedingungen für die Wasserstoffproduktion ging die Butanolproduktion jedoch um 21,4% zurück.
Um die Produktpalette der Bioraffinerie aus Enset-Biomasse zu erweitern und weitere wertvolle Produkte herzustellen, entwickelten wir eine zweistufige Ein-Topf-Fermentation mit anaeroben Pilzen (Neocallimastix cameroonii Stamm G341) und Clostridium kluyveri DSM 555. Bei der zweistufigen Fermentation begann der Prozess mit dem Wachstum von N. cameroonii auf Enset-Fasern als Kohlenstoffquelle in Serumflaschen für 7 Tage. Anschließend wurde die Pilzkultur mit einer aktiven C. kluyveri Vorkultur beimpft und weiter bebrütet. Die Ergebnisse zeigten, dass N. cameroonii auf 0,25 g unbehandelter Enset-Faser als einzige Kohlenstoffquelle wuchs und 1,16 mmol Acetat, 0,51 mmol Wasserstoff und 1,34 mmol Formiat produzierte. Darüber hinaus wurden Laktat, Succinat und Ethanol in geringen Mengen (0,17 mmol, 0,08 mmol bzw. 0,7 mmol) nachgewiesen. Nach der Beimpfung mit C. kluyveri wurden 0,3 mmol Caproat und 0,48 mmol Butyrat produziert, und auch die Wasserstoffproduktion stieg auf 0,95 mmol im Vergleich zur alleinigen N. cameroonii-Fermentation. Nachdem die Kultur während der Inokulation von C. kluyveri mit 2,18 mmol Ethanol ergänzt wurde, stieg die Caproat- und Wasserstoffproduktion weiter auf 1,2 bzw. 1,36 mmol, und auch der Acetatverbrauch nahm zu.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das Potenzial von Enset-Biomasse für Bioraffinerieanwendungen aufgrund ihres hohen Zellulose- und geringen Ligningehalts. Enset-Biomasse ist vielversprechend für eine effiziente Glukoseproduktion und kann als Ausgangsmaterial für die Wasserstoff- und Butanolproduktion verwendet werden, ohne dass zusätzliche Entgiftungsschritte oder Zuckerzusätze erforderlich sind, da sie nur sehr geringe Mengen an hemmenden Verbindungen enthält, die den Prozess behindern. Darüber hinaus wird in der Studie eine neuartige mikrobielle Zellfabrik-Methode zur Umwandlung unbehandelter Enset-Fasern in Caproat und Wasserstoff vorgestellt, die wertvolle Erkenntnisse für künftige Forschung und industrielle Anwendungen liefert. Die Verwendung von kostengünstigen Rohstoffen für den Bioraffinerieprozess, wie z.B. Enset-Biomasse, kann ein effektiver Weg sein, ein nachhaltiges System zu schaffen und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Darüber hinaus eröffnet es eine neue Wertschöpfungskette für Enset-Bauern, da für den Prozess nur lokal verfügbare Rohstoffe und preisgünstige Fermenter benötigt werden.
Abstract (englisch):
Global warming and environmental pollution are major global challenges resulting from the high consumption of petroleum fuels. Furthermore, factors such as population growth, ongoing depletion of fossil fuels, and escalating petroleum prices led to a global energy crisis. A key strategy to address these challenges is to replace fossil fuels with renewable energy sources. Lignocellulosic biomass is one of the renewable resources that plays a crucial role in creating a circular bioeconomy and minimizing environmental impact. However, the main obstacle to use lignocellulosic biomass as a feedstock for biorefinery process is the higher proportion of lignin, which tightly binds cellulose and hemicellulose, and it is recalcitrant in nature. ... mehrThis limits the effectiveness of microorganisms in breaking down for bioconversion processes. Enset plant is a potential food source for about 20 million Ethiopians. Despite its significance, a massive amount of residual byproduct is discarded from traditional Ethiopian Enset food processing. However, the potential of Enset biomass for biorefinery applications has not been extensively explored. To effectively utilize Enset biomass as a feedstock for biorefinery process, understanding its composition and selecting an appropriate bioconversion production method are crucial. Thus, the main objective of this thesis is to investigate the processing potential of Ethiopian agricultural residue Enset/Ensete ventricosum for biorefinery process, focusing on the production of high-value biofuels and biochemicals.
The first step in utilizing Enset biomass as a feedstock for biorefinery process was to characterize its compositions. The compositional analysis results showed that the majority of Enset biomass parts contained 36-67% cellulose, 16-20% hemicelluloses, and less than 6.8% lignin. The Enset fiber had a high cellulose content at 67.1%, followed by the midrib and leaf sheath peels, at 40% and 34.1%, respectively. All parts of the Enset biomass contained small amounts of furfural, ranging from 0.43% to 1.03% (w/w), and hydroxymethylfurfural (HMF) was not detected. After selecting the most fibrous parts, the effect of different pretreatment methods on enzymatic hydrolysis was evaluated to determine the most suitable pretreatment method for each Enset biomass part. The results indicated that in all alkali-pretreated Enset biomass samples, the enzyme converted 80-90% of the biomass to glucose within 24 hours, while it took 60 hours to convert 48-80% of the acid-pretreated Enset biomass. In addition, the alkali pretreatment method released more glucose than the acid pretreatment in all Enset biomass samples.
To convert Enset biomass into high-value products, acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation was carried out using Clostridium saccharoperbutylacetonicum DSM 14923 strain. These experiments were conducted in serum bottles using the separate hydrolysis fermentation (SHF) method. After 72 hours of fermentation, 2.8 g/L acetone, 9.9 g/L butanol, and 1.6 g/L ethanol were produced from mixed Enset waste biomass pretreated with alkali, achieving an ABE yield of 0.32 g/g and productivity of 0.2 g L-1h-1. However, the SHF method faced some challenges such as substrate inhibition, low butanol yield and productivity, and complicated operational steps. Hence, the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process was examined to develop a more efficient process from Enset biomass.
The SSF process was initially performed in serum bottles to optimize the process parameters for butanol production from Enset fiber. The SSF process in bottles achieved a higher butanol concentration of 11.36 g/L with a yield of 0.23 g/g and a productivity of 0.16 g L-1h-1 compared to the SHF process. These results were observed under optimal process parameters, including 5% (w/v) substrate loading, 16 FPU/g cellulase loading, and 100 rpm agitation speed. After determining the optimal process parameters for the SSF process, a scale up process was established using a 2.5 L bioreactor with a total volume of 1 liter. In addition, the effects of pH control and pressure on butanol production in the SSF process were examined. A comparable butanol yield to that of the bottle experiment was achieved in the bioreactor under the pH-uncontrolled and overpressure conditions; however, the butanol productivity decreased to 0.095 g L-1h-1. To maximize the butanol productivity and resolve mixing problem in the bioreactor, prehydrolysis simultaneous saccharification and fermentation (PSSF) process was implemented with the same process parameters except for a substrate loading of 7% (w/v). The PSSF process resulted in the highest butanol concentration and productivity of 12.84 g/L and 0.104 g L-1h-1 respectively, however, the butanol yield was the lowest at 0.18 (g/g) compared to the SSF process.
In addition, we observed significant potential in the C. saccharoperbutylacetonicum strain for producing hydrogen from Enset fiber in the SSF process. However, to achieve maximum yields for both hydrogen and butanol, it is crucial to optimize the fermentation conditions separately. By further optimizing the SSF process in serum bottles, we achieved 18.86 mmol of hydrogen with a yield of 168.99 mL/g-Enset fiber under the optimal parameters of temperature (37 °C), initial pH (8.0) and low hydrogen partial pressure. This study also examined the influence of hydrogen partial pressure on hydrogen production and concluded that lower hydrogen partial pressure was beneficial for maximizing hydrogen production. The bottle experiments demonstrated a 21.5% increase in hydrogen production at lower hydrogen partial pressure compared to higher values. To validate these results, a scale up SSF process was implemented under atmospheric pressure and without a pH control system at the optimal process parameters. The results confirmed a 79.7% increase in hydrogen production compared to the SSF process (pH-uncontrolled) at 30 °C, initial pH of 6.8, and under overpressure, which favored butanol production. However, butanol production decreased by 21.4% under the optimal process conditions for hydrogen production.
Finally, to expand the biorefinery product range derived from Enset biomass and produce other valuable products, we developed a one-pot two-step fermentation using anaerobic fungi (Neocallimastix cameroonii strain G341) and Clostridium kluyveri DSM 555. In two step fermentation, the process started by growing N. cameroonii on Enset fiber as a carbon source in serum bottles for 7 days. Subsequently, the fungal culture was inoculated with active C. kluyveri preculture and further incubated. The results showed that N. cameroonii grew on 0.25 g untreated Enset fiber as the sole carbon source and produced 1.16 mmol acetate, 0.51 mmol hydrogen, and 1.34 mmol formate. In addition, lactate, succinate, and ethanol were detected in small amounts, 0.17 mmol, 0.08 mmol, and 0.7 mmol, respectively. After inoculating with C. kluyveri, 0.3 mmol of caproate and 0.48 mmol of butyrate were produced, and hydrogen production also increased to 0.95 mmol compared to sole N. cameroonii fermentation. Moreover, after the culture was supplemented with 2.18 mmol of ethanol during C. kluyveri inoculation, caproate, and hydrogen production was further increased to 1.2 and 1.36 mmol, respectively, and the consumption of acetate also increased.
In summary, this thesis demonstrates the potential of Enset biomass for biorefinery applications due to its high cellulose and low lignin content. Enset biomass holds great promise for efficient glucose production and can be used as a feedstock for hydrogen and butanol production without requiring additional detoxification steps or sugar supplementation, as it has very low levels of inhibitory compounds that hinder the process. Furthermore, the study introduces a novel microbial cell factory method to convert untreated Enset fiber into caproate and hydrogen, providing valuable insights for future research and industrial applications. Utilizing inexpensive raw materials for the biorefinery process, such as Enset biomass, can be an effective way to create a sustainable system and minimize environmental impacts. In addition, it opens a new value chain for Enset farmers as the process only requires locally available raw materials and low-price fermenters.
