Assessment of enzyme recycling schemes for paper sludge fermentation using kinetic modelling
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Ethanol for road transport is well established, but it also presents a “gateway molecule” in the bigger circular economy setting, where it is used for jet fuels, bioplastics, organic solvents, etc. These high-value products make ethanol production an attractive route compared to other biomass valorisation methods such as incineration, anaerobic digestion, and composting. Cheaper raw materials such as agricultural and industrial wastes have been found as suitable feedstock for bioethanol production. Paper sludge (PS) is one major waste stream from the pulp and paper industry that is mainly landfilled. Due to the extensive pulping processes, PS has substantial accessible cellulose content which makes it appropriate for bioethanol production. However, the cost of enzymes required during the process is one of the major bottlenecks to the commercialization of bioethanol from PS.
This work sought to achieve significant savings on the enzyme dosage required in a simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process by recycling enzymes in the clarified supernatant or whole fermentation broth, consisting of solids and liquid. To achieve this goal, kinetic models that predict the loss of cellulase activity and ethanol concentrations during the fermentation process were developed.
The loss of cellulase activity was assumed to follow a first-order reaction for batch enzyme feeding in the reactor system. This model was used to predict the level of cellulase activity at any time in the fermentation. It was based on the overall decay of residual activities from the preceding reactor and fresh enzyme supplementations at the beginning of each round of fermentation. The model that describes the enzymatic hydrolysis of PS used the Avrami-Kolmogorov-Erofeev (AKE) equation to determine the kinetic conversion rates. Assuming a constant ethanol yield from sugars, the AKE equation was used to predict ethanol concentrations.
Model predictions were validated experimentally by evaluating the performance of the recycling schemes over multiple recycling rounds. Approximately 48% and 40% of the initial activity of Cellic® CTec 3 remained in the supernatant and broth respectively after 72 h of SSF in shake flask. Although the recycling schemes showed no significant variation, contamination with lactic acid-producing bacteria decreased ethanol yields during successive recycling steps.
During the scale-up of enzyme recycling in 5L bioreactors, close to 35% of the initial enzyme activity was measured in the supernatant after 168 h of fed-batch fermentation. With only 65% fresh enzyme supplementation, the final ethanol concentration in the fermentation broth increased from 40 to 70 g/L. However, the experimental data deviated from model predictions as the ethanol yields decreased from 280 to 200 kg ethanol/ton dry PS for the first and last fermentations respectively. The observed reduction in the overall enzymatic hydrolysis rate was possibly due to the effect of time-wise loss of enzyme potency/synergy.
The kinetic models were able to predict the performance of PS fermentation with some reasonable level of accuracy. In spite of the inherent factors that affected PS fermentation, the advantages of high ethanol concentrations and significant reduction in enzyme dosages achieved can be very beneficial to the economic viability of the process.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Etanol vir padvervoer is reeds goed gevestig, maar dit bied ook ’n “toegangsmolekule” in die groter sirkulêre ekonomiese omgewing, waar dit gebruik word vir stralerbrandstof, bioplastiek, organiese oplosmiddels, ens. Hierdie hoë-waarde produkte maak etanolproduksie ’n aantreklike roete in vergelyking met ander biomassa valorisasiemetodes soos verbranding, anaerobiesevertering, en komposvorming. Goedkoper roumateriale soos landbou- en industriële afval is gevind om gepaste voermateriaal vir bio-etanolproduksie te wees. Papierslyk (PS) is een groot afvalstroom van die pulp-en-papierindustrie wat hoofsaaklik op die vullisterrein eindig. As gevolg van die omvattende verpulpingsprosesse, het PS aansienlike toeganklike selluloseinhoud wat dit gepas maak vir bio-etanolproduksie. Die koste van ensiemes wat nodig is gedurende hierdie proses, is egter een van die groot knelpunte tot die kommersialisering van bio-etanol uit PS. Hierdie werk het beoog om beduidende besparings te bereik op die ensiemdosis wat vereis word in ’n gelyktydige sakkarifikasie en fermentasie (SSF) -proses deur ensieme in die verhelderde supernatant of hele fermentasiesop, wat uit vastestowwe en vloeistowwe bestaan, te herwin. Om hierdie doelwit te bereik, is kinetiese modelle wat etanolkonsentrasies en die verlies van sellulase-aktiwiteit gedurende die fermentasieproses voorspel, ontwikkel. Dis is aangeneem dat die verlies van sellulase-aktiwiteit ’n eerste-orde reaksie volg vir lotensiemvoer in die reaktorsisteem. Hierdie model is gebruik om die vlak van sellulase-aktiwiteit op enige tydstip in die fermentasie te voorspel. Dit was gebaseer op die algehele afbreking van residuele aktiwiteite uit die voorafgaande reaktor en vars ensiemaanvullings aan die begin van elke rondte van fermentasie. Die model wat die ensiemhidroliese van PS beskryf, het die Ayrami-Kolmogorov-Erofeev (AKE) -vergelyking gebruik om die kinetiese omsettingstempo’s te bepaal. Met die aanname dat daar ’n konstante etanolopbrengs uit suikers is, is die AKE-vergelyking gebruik om etanolkonsentrasies te voorspel. Vir modelvoorspellings om gevalideer te word, is die doeltreffendheid van die herwinningskemas eksperimenteel verrig oor verskeie herwinningsrondtes. Ongeveer 48% en 40% van die aanvanklike aktiwiteit van Cellic® CTec3 het in die supernatant en sop na 72 uur van SSF in skudfles, onderskeidelik, gebly. Al het die herwinningskemas nie beduidende variasies getoon nie, het kontaminasie met melksuur-produserende bakterieë etanolopbrengste laat afneem gedurende opeenvolgende herwinnigstappe. Die herwinningskemas het ’n tweevoudige toename in ensiemproduktiwiteit (g Etanol/FPU) toegelaat toe ensiemdosis verminder is met 50% van die aanvanklike lading; 10 FPU/gds, wat ’n 38%-vermindering in die algehele ensiemlading tot gevolg gehad het. Gedurende die opskaal van ensiemherwinning in 5 L-bioreaktors is na aan 35% van die aanvanklike ensiemaktiwiteit gemeet in die supernatant na 168 uur van voerlotfermentasie. Met slegs 65% vars ensiemaanvulling, het die herwinning van die verhelderde supernatant se eksperimentele data afgewyk van modelvoorspellings soos die etanolopbrengste afgeneem het van 280 na 200 kg etanol/ton droë PS vir die eerste en laaste fermentasies, onderskeidelik. Die waargenome afname in die algehele ensiematiese hidrolisetempo is moontlik as gevolg van die effek van tydsgewyse verlies van ensiemkrag/sinergie. Die kinetiese modelle kon die doeltreffendheid van PS-fermentasie voorspel met ʼn redelike vlak van akkuraatheid. Ten spyte van die inherente faktore wat PS-fermentasie affekteer, kan die beduidende afname in ensiemdosisse bereik, baie voordelig wees vir die ekonomiese lewensvatbaarheid van die proses.Vir modelvoorspellings om gevalideer te word, is die doeltreffendheid van die herwinningskemas eksperimenteel verrig oor verskeie herwinningsrondtes. Ongeveer 48% en 40% van die aanvanklike aktiwiteit van Cellic® CTec3 het in die supernatant en sop na 72 uur van SSF in skudfles, onderskeidelik, gebly. Al het die herwinningskemas nie beduidende variasies getoon nie, het kontaminasie met melksuur-produserende bakterieë etanolopbrengste laat afneem gedurende opeenvolgende herwinnigstappe. Die herwinningskemas het ’n tweevoudige toename in ensiemproduktiwiteit (g Etanol/FPU) toegelaat toe ensiemdosis verminder is met 50% van die aanvanklike lading; 10 FPU/gds, wat ’n 38%-vermindering in die algehele ensiemlading tot gevolg gehad het. Gedurende die opskaal van ensiemherwinning in 5 L-bioreaktors is na aan 35% van die aanvanklike ensiemaktiwiteit gemeet in die supernatant na 168 uur van voerlotfermentasie. Met slegs 65% vars ensiemaanvulling, het die herwinning van die verhelderde supernatant se eksperimentele data afgewyk van modelvoorspellings soos die etanolopbrengste afgeneem het van 280 na 200 kg etanol/ton droë PS vir die eerste en laaste fermentasies, onderskeidelik. Die waargenome afname in die algehele ensiematiese hidrolisetempo is moontlik as gevolg van die effek van tydsgewyse verlies van ensiemkrag/sinergie. Die kinetiese modelle kon die doeltreffendheid van PS-fermentasie voorspel met ʼn redelike vlak van akkuraatheid. Ten spyte van die inherente faktore wat PS-fermentasie affekteer, kan die beduidende afname in ensiemdosisse bereik, baie voordelig wees vir die ekonomiese lewensvatbaarheid van die proses.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Etanol vir padvervoer is reeds goed gevestig, maar dit bied ook ’n “toegangsmolekule” in die groter sirkulêre ekonomiese omgewing, waar dit gebruik word vir stralerbrandstof, bioplastiek, organiese oplosmiddels, ens. Hierdie hoë-waarde produkte maak etanolproduksie ’n aantreklike roete in vergelyking met ander biomassa valorisasiemetodes soos verbranding, anaerobiesevertering, en komposvorming. Goedkoper roumateriale soos landbou- en industriële afval is gevind om gepaste voermateriaal vir bio-etanolproduksie te wees. Papierslyk (PS) is een groot afvalstroom van die pulp-en-papierindustrie wat hoofsaaklik op die vullisterrein eindig. As gevolg van die omvattende verpulpingsprosesse, het PS aansienlike toeganklike selluloseinhoud wat dit gepas maak vir bio-etanolproduksie. Die koste van ensiemes wat nodig is gedurende hierdie proses, is egter een van die groot knelpunte tot die kommersialisering van bio-etanol uit PS. Hierdie werk het beoog om beduidende besparings te bereik op die ensiemdosis wat vereis word in ’n gelyktydige sakkarifikasie en fermentasie (SSF) -proses deur ensieme in die verhelderde supernatant of hele fermentasiesop, wat uit vastestowwe en vloeistowwe bestaan, te herwin. Om hierdie doelwit te bereik, is kinetiese modelle wat etanolkonsentrasies en die verlies van sellulase-aktiwiteit gedurende die fermentasieproses voorspel, ontwikkel. Dis is aangeneem dat die verlies van sellulase-aktiwiteit ’n eerste-orde reaksie volg vir lotensiemvoer in die reaktorsisteem. Hierdie model is gebruik om die vlak van sellulase-aktiwiteit op enige tydstip in die fermentasie te voorspel. Dit was gebaseer op die algehele afbreking van residuele aktiwiteite uit die voorafgaande reaktor en vars ensiemaanvullings aan die begin van elke rondte van fermentasie. Die model wat die ensiemhidroliese van PS beskryf, het die Ayrami-Kolmogorov-Erofeev (AKE) -vergelyking gebruik om die kinetiese omsettingstempo’s te bepaal. Met die aanname dat daar ’n konstante etanolopbrengs uit suikers is, is die AKE-vergelyking gebruik om etanolkonsentrasies te voorspel. Vir modelvoorspellings om gevalideer te word, is die doeltreffendheid van die herwinningskemas eksperimenteel verrig oor verskeie herwinningsrondtes. Ongeveer 48% en 40% van die aanvanklike aktiwiteit van Cellic® CTec3 het in die supernatant en sop na 72 uur van SSF in skudfles, onderskeidelik, gebly. Al het die herwinningskemas nie beduidende variasies getoon nie, het kontaminasie met melksuur-produserende bakterieë etanolopbrengste laat afneem gedurende opeenvolgende herwinnigstappe. Die herwinningskemas het ’n tweevoudige toename in ensiemproduktiwiteit (g Etanol/FPU) toegelaat toe ensiemdosis verminder is met 50% van die aanvanklike lading; 10 FPU/gds, wat ’n 38%-vermindering in die algehele ensiemlading tot gevolg gehad het. Gedurende die opskaal van ensiemherwinning in 5 L-bioreaktors is na aan 35% van die aanvanklike ensiemaktiwiteit gemeet in die supernatant na 168 uur van voerlotfermentasie. Met slegs 65% vars ensiemaanvulling, het die herwinning van die verhelderde supernatant se eksperimentele data afgewyk van modelvoorspellings soos die etanolopbrengste afgeneem het van 280 na 200 kg etanol/ton droë PS vir die eerste en laaste fermentasies, onderskeidelik. Die waargenome afname in die algehele ensiematiese hidrolisetempo is moontlik as gevolg van die effek van tydsgewyse verlies van ensiemkrag/sinergie. Die kinetiese modelle kon die doeltreffendheid van PS-fermentasie voorspel met ʼn redelike vlak van akkuraatheid. Ten spyte van die inherente faktore wat PS-fermentasie affekteer, kan die beduidende afname in ensiemdosisse bereik, baie voordelig wees vir die ekonomiese lewensvatbaarheid van die proses.Vir modelvoorspellings om gevalideer te word, is die doeltreffendheid van die herwinningskemas eksperimenteel verrig oor verskeie herwinningsrondtes. Ongeveer 48% en 40% van die aanvanklike aktiwiteit van Cellic® CTec3 het in die supernatant en sop na 72 uur van SSF in skudfles, onderskeidelik, gebly. Al het die herwinningskemas nie beduidende variasies getoon nie, het kontaminasie met melksuur-produserende bakterieë etanolopbrengste laat afneem gedurende opeenvolgende herwinnigstappe. Die herwinningskemas het ’n tweevoudige toename in ensiemproduktiwiteit (g Etanol/FPU) toegelaat toe ensiemdosis verminder is met 50% van die aanvanklike lading; 10 FPU/gds, wat ’n 38%-vermindering in die algehele ensiemlading tot gevolg gehad het. Gedurende die opskaal van ensiemherwinning in 5 L-bioreaktors is na aan 35% van die aanvanklike ensiemaktiwiteit gemeet in die supernatant na 168 uur van voerlotfermentasie. Met slegs 65% vars ensiemaanvulling, het die herwinning van die verhelderde supernatant se eksperimentele data afgewyk van modelvoorspellings soos die etanolopbrengste afgeneem het van 280 na 200 kg etanol/ton droë PS vir die eerste en laaste fermentasies, onderskeidelik. Die waargenome afname in die algehele ensiematiese hidrolisetempo is moontlik as gevolg van die effek van tydsgewyse verlies van ensiemkrag/sinergie. Die kinetiese modelle kon die doeltreffendheid van PS-fermentasie voorspel met ʼn redelike vlak van akkuraatheid. Ten spyte van die inherente faktore wat PS-fermentasie affekteer, kan die beduidende afname in ensiemdosisse bereik, baie voordelig wees vir die ekonomiese lewensvatbaarheid van die proses.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Paper sludge fermentation -- Prediction, Cellulosic bioethanol, Enzymes -- Recycling, Kinetic modelling, Hydrolysis, Ethanol -- Biotechnology, UCTD