Inhibitory compounds formation after liquid hot water (LHW) pretreatment of corn stover as an alternative to wood lignocellulosic feedstock for bioethanol production

• Autorzy: Akus-Szylberg Florentyna , Antczak Andrzej , Zawadzki Janusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.5531

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Inhibitory compounds formation after liquid hot water (LHW) pretreatment of corn stover as an alternative to wood lignocellulosic feedstock for bioethanol production. Thus far, corn stover has been perceived as a promising lignocellulosic alternative to wood intended for bioethanol procurement, however it should be recognised also as a potential future component in a mixed biomass system. The aim of this research was to investigate the effect of applying different hydrothermal treatment conditions on the potential inhibitory compounds formation from corn stover. An analysis of selected inhibitory compounds formed after pretreatment performed at different temperatures (160°C, 175°C, 190°C and 205°C) was carried out. Furfural, simple sugars and lignin were some of the inhibitors examined with HPLC and UV-VIS spectrophotometric methods. Furthermore, the chemical composition of organic extracts obtained from native and LHW pretreated biomass was analyzed qualitatively with GC-MS method and inhibitory compounds like vanillin, sitosterol or syringol were detected. As a result of those investigations compared to enzymatic hydrolysis yield the temperature of 175°C was chosen as the most promising condition of corn stover LHW pretreatment in terms of the efficiency of the subsequent phases of bioethanol production.

PL

Analiza inhibitorów powstałych po obróbce gorącą wodą (LHW) słomy kukurydzianej będącej alternatywnym dla drewna lignocelulozowym surowcem do produkcji bioetanolu. Głównym celem badań był wybór najlepszych warunków obróbki wstępnej metodą liquid hot water (LHW) słomy kukurydzianej mającej na celu zwiększenie wydajność hydrolizy enzymatycznej. W pracy przedstawiono analizę wybranych inhibitorów powstałych po procesie obróbki wstępnej gorącą wodą przeprowadzanym w różnych temperaturach (160°C, 175°C, 190°C i 205°C), które występują również w wyniku obróbki LHW drewna. W celu zbadania wybranych inhibitorów hydrolizy takich jak furfural, cukry proste i lignina zastosowano chromatografię HPLC i spektrofotometrię UV-VIS. Na chromatografie gazowym GC-MS wykonano analizę jakościową składu ekstraktów organicznych pozyskanych z materiału przed i po obróbce wstępnej, która pozwoliła zidentyfikować kilka kolejnych możliwych inhibitorów hydrolizy, takich jak: sitosterol, wanilina, czy syringol. W efekcie przeprowadzonych badań i ich analizy określono, że 175°C jest optymalną temperaturą obróbki wstępnej LHW słomy kukurydzianej.

Słowa kluczowe

EN

inhibitory compounds; liquid hot water; corn stover

• Wydawca: Wydawnictwo Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
• Czasopismo: Annals of Warsaw University of Life Sciences - SGGW. Forestry and Wood Technology
• Rocznik: 2020
• Tom: No. 110
• Strony: 110--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys.

Twórcy

autor

Akus-Szylberg Florentyna

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Wood Sciences and Furniture Department of Wood Science and Wood Preservation

autor

Antczak Andrzej

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Wood Sciences and Furniture Department of Wood Science and Wood Preservation

autor

Zawadzki Janusz

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Wood Sciences and Furniture Department of Wood Science and Wood Preservation

Bibliografia

• 1. AKUS-SZYLBERG F., ANTCZAK A., BYTNER O., RADOMSKI A., KRAJEWSKI K., ZAWADZKI J. (2018) „Wpływ wstępnej obróbki słomy kukurydzianej gorącą wodą na jej skład chemiczny i hydrolizę enzymatyczną”, Przemysł chemiczny 97(11), 1866–1869.
• 2. AKUS-SZYLBERG F. ANTCZAK A., BYTNER O., KRAJEWSKI K., ZAWADZKI J. (2018). „The study of chemical composition of corn stover as a potential lignocellulosic feedstock for bioethanol production” Annals of WULS, Forestry and Wood Technology, 104, 386-389.
• 3. ALVIRA P., TOMAS-PEJO E., BALLESTEROS M., NEGRO M.J. (2010). „Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review”, Bioresour. Technol 101, 4851–4861.
• 4. ANTCZAK A., RADOMSKI A., ZAWADZKI J. (2006). „Benzene substitution in wood analysis”, Annals of Warsaw University of Life Sciences–SGGW, Forestry and Wood Technology 58, 15–19.
• 5. CHIN K., H’NG P., WONG L., TEY B., PARIDAH M. (2011). „Production of glucose from oil palm trunk and sawdust of rubberwood and mixed hardwood”, Appl Energy 88(11), 4222–4228.
• 6. GALBE M., ZACCHI G. (2007). „Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production”, Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 108, 41-65.
• 7. GUSAKOV A.V., SINITSYN A.P. (1992). „A Theoretical Analysis of Cellulase Product Inhibition: Effect of Cellulase Binding Constant, Enzyme/Substrate Ratio”, Biotechnology 40, 663–671.
• 8. KIM D. (2018). „Physico-Chemical Conversion of Lignocellulose: Inhibitor Effects and Detoxification Strategies: A Mini Review”, Molecules 23(2), 309–330.
• 9. KOU X., YANG R., ZHAO J., LU J., LIU Y. (2013). „Enzymatic Saccharification and L-lactic Acid Fermentation of Corn Stover Pretreated with Liquid Hot Water by Rhizopus oryzae”, BioResources 8(4), 4899–4911.
• 10. LI X., LU J., ZHAO J., QU Y. (2014). „Characteristics of corn stover pretreated with liquid hot water and fed–batch semi-simultaneous saccharification and fermentation for bioethanol production”, PLoS One 9(4); e95455.DOI: 10.1371/journal.pone.0095455.
• 11. NGUYEN Q.A., YANG J., BAE H-J. (2017). „Bioethanol production from individual and mixed agricultural biomass residues”, Ind. Crops Prod. 95, 718–725.
• 12. OKE M.A., ANNUAR M.S.M., SIMARANI K. (2016). „Mixed Feedstock Approach to Lignocellulosic Ethanol Production—Prospects and Limitations”, Bioenerg. Res. 9, 1189-1203.
• 13. QING Q., YANG B., WYMAN C.E. (2010). „Xylooligomers are strong inhibitors of cellulose hydrolysis by enzymes”, Bioresour Technol 101, 9624–9630.
• 14. ROWELL R., LANGE S., MCSWEENY J., DAVIS M. (2002). „Modification of wood fibre using steam”, Wood Science and Engineering Department, Oregon State University Corvallis, USA.
• 15. SEWALT V.J.H., GLASSER W.G., BEAUCHEMIN K.A. (1997). „Lignin impact on fibre degradation. 3. Reversal inhibition of enzymatic hydrolysis by chemical modification of lignin and by additives”, J. Agric Food Chem 45, 1823–1828.
• 16. SHI J., THOMPSON V.S., YANCEY N.A., STAVILA V., SIMMONS B.A., SINGH S. (2013). „Impact of mixed feedstocks and feedstock densification on ionic liquid pretreatment efficiency”, Biofuels 4(1), 63-72.
• 17. ŚWIĄTEK M., LEWANDOWSKA M., BEDNARSKI W. (2011). „Znaczenie doboru metody wstępnej obróbki substratów lignocelulozowych z uwzględnieniem wydajności produkcji bioetanolu”, Postępy Nauk Rolniczych 1, 109–119.
• 18. TAHERZADEH M. J. (1999). „Ethanol from lignocellulose: physiological effects of inhibitors and fermentation strategies”, doctoral thesis, Chemical Reaction Engineering, Chalmers University of Technology, Sweden.
• 19. TOMAS-PEJO E., ALVIRA P., BALLESTEROS M., NEGRO M. J. (2011). „Pretreatment technologies for lignocellulose-to-bioethanol conversion”, In: Biofuels. Alternative feedstocks and conversion processes. Elsevier, Amsterdam, 149–176.
• 20. XIANQIN L., XIAOJU Z., XUEZHI L., JIAN Z. (2016). „Adsorption and mechanism of cellulase enzymes onto lignin isolated from corn stover pretreated with liquid hot water”, Biotechnol Biofuels 9; DOI 10.1186/s13068-016-0531-0.
• 21. YOSHIDA M., LIU Y., UCHIDA S., KAWARDA K., UKAGAMI Y., ICHINOSE M., KANEKO S., FUKUDA K. (2008). „Effects of Cellulose Crystallinity, Hemicellulose, and Lignin on the Enzymatic Hydrolysis of Miscanthussinensis to Monosaccharides” Biosci Biotechnol Biochem 72 (3), 805–810.
• 22. ZHA Y., WESTERHUIS, J.A., MUILWIJK, B., OVERKAMP K.M., NIJMEIJER, B.M., COULIER L., SMILDE A.K., PUNT P.J., (2014). ”Identifying inhibitory compounds in lignocellulosic biomass hydrolysates using an exometabolomics approach”, BMC Biotechnol 14 (22), DOI: 10.1186/1472-6750-14-22.
• 23. ZHAO Y., DAMGAARD A., CHRISTENSEN T.H. (2018). „Bioethanol from corn stovera review and technical assessment of alternative biotechnologies”, PrECS 67, 275-291.
• 24. ZHENG Y., ZHONGLI P., RUIHONG Z. (2009). „Overview of biomass pretreatment for cellulosic ethanol production”, Int J Agric & Biol Eng Open Access 2(3), 51–69.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).