Enzymatic conversion of cotton textiles

Abstract

Cotton textiles are mass-produced worldwide, but little is done to recirculate this material that is rich in cellulose. Indeed, cellulosic textiles represent a potential resource for the production of glucose, that further can be converted into chemicals, biofuels, materials, food and food and feed purposes. In this study, investigation of saccharification of denim fabric cellulose pretreated by ball milling showed that reduction in particle size significantly increased the digestibility of the substrate with two commercially available enzyme cocktails, Celluclast® and Cellic® CTec2, the latter containing lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs). Samples of ball milled denim fabric with substrate concentrations of 20 % (w/v dry matter content) resulted in 78 % of the cotton textile into glucose after 96 hours incubation with 4 mg Cellic® CTec2 per g glucan. At 5 % substrate concentration, the respective conversion yields for ball milled white (undyed) and blue (indigo dyed) denim were over 90 % after 24 hours. Activity assays demonstrated that the fungal LPMO TaLPMO9A produced several oxidized oligosaccharides from both denim fabrics studied when pretreated by ball milling. The applied pretreatment in this study seemed to increase the availability for LPMOs. When ascorbic acid was added as an external electron donor to reactions with Cellic® CTec2, no enhancement of cotton textiles hydrolysis was observed. By performing assays with and without ascorbic acid and by comparison with Celluclast®, the LPMO content of Cellic® CTec2 was assessed to not be of significant importance for the efficient degradation of ball milled cotton textiles. In conclusion, the present work shows that cotton textiles can be efficiently converted to glucose by simple mechanical pretreatment followed by enzymatic hydrolysis using conditions applicable to commonly industrial processes. Further research is needed to investigate the efficiency of the method in a biorefinery scale and to assess the financial feasibility of the method developed in this master’s thesis.

Bomullstekstiler er masseprodusert i hele verden, men lite gjøres for å resirkulere dette cellulose-rike materialet. Cellulosebaserte tekstiler representerer en potensiell ressurs for produksjon av glukose, som videre kan konverteres til kjemikalier, biodrivstoff, materialer samt mat- og fôr-relaterte produkter. I denne studien viste undersøkelser av hydrolyse av cellulose fra dongeri-tekstil forbehandlet med ballmølling at reduksjon av partikkelstørrelse i betydelig grad økte tilgjengeligheten av substratet for to kommersielt tilgjengelige varianter enzym-cocktail, Celluclast® and Cellic® CTec2, hvorav sistnevnte inneholder lytisk polysakkarid-monooksygenaser (LPMOer). Prøver av ballmøllet dongeri-tekstil med substrat-konsentrasjon 20 % (vekt/volum tørrstoff) resulterte i at 78 % av bomullstekstilet ble konvertert til glukose etter 96 timer inkubering med 4 mg Cellic® CTec2 per gram glukan. Ved 5 % substratkonsentrasjon, ble utbytte for ballmøllet hvit (ufarget) og blå (indgio-farget) dongeri over 90 % etter 24 timer. Aktivitet-analyse viste at den fungale LPMOen, TaLPMO9A produserte flere oksiderte oligosakkarider fra begge dongeri-tekstilene dersom de var ballmøllet først. Den benyttede forbehandlingen øker tilsynelatende tilgjengeligheten av substratene for LPMOer. Ved tilsetning av askorbinsyre som elektrondonor til reaksjoner med Cellic® CTec2, ble ikke økning av hydrolyse av bomullstekstiler observert. Ved reaksjoner med og uten askorbinsyre, samt sammenligning med Celluclast®, ble LPMO-innholdet i Cellic® CTec2 vurdert til å ikke være av signifikant betydning for effektiv nedbrytning av ballmøllet bomullstekstiler. Arbeidet som her blir presentert viser at bomullstekstiler effektivt kan konverteres til glukose ved enkel mekanisk forbehandling etterfulgt av enzymatisk hydrolyse under betingelser som er kompatible med vanlige industrielle prosesser. Videre forskning er nødvendig for å undersøke effektiviteten av metoden på bioraffineri-skala samt vurdere finansiell gjennomførbarhet av metoden som ble utviklet i denne masteroppgaven.