Enhancing enzymatic saccharification of spruce by 2-naphthol impregnation during pre-treatment

Abstract

Today, the production of fuels, chemicals and materials is highly dependent on unsustainable fossil reserves. Usage of fossil energy is the key contributor to emissions of greenhouse gasses (GHG). Buildup of GHG such as CO2 in the atmosphere causes the temperature on earth to increase at an alarming rate, causing environmental problems around the globe. To prevent or slow down anthropogenic climate change it is time to look for other, more sustainable sources of energy. Woody biomass is a renewable and abundant resource that is rich in lignocellulose that can be used for production of fuels and chemicals. Lignocellulose is a recalcitrant matrix rich in cellulose, hemicellulose and lignin. To access the large amounts of sugars the recalcitrant nature of the biomass needs to be overcome using pre-treatment techniques. There are many possible methods used to pre-treat lignocellulosic biomass. One efficient method is steam explosion which disrupts the lignocellulosic matrix by applying steam under high pressure followed by a rapid drop in pressure. To enhance the efficacy of the pre-treatment it is possible to impregnate the substrate or add a catalyst. Dilute sulfuric acid is frequently used. Dilute acid pre-treatment may cause both economic and environmental problems in downstream processing steps, such as the extra cost of neutralizing the pre-treated material. Carbocation scavengers, such as 2-naphthol has been used as an additive during steam explosion. Steam explosion causes lignin to de-polymerise and form carbocations which are highly reactive and will repolymerise to form a lignin that is more inhibitory for enzymes. The carbocation 2-naphthol prevents this reaction and thus make enzymatic hydrolysis of the pre-treated material more efficient. In this study, 2-naphthol impregnation of Norwegian spruce was tested together with steam explosions at different severities to find out how it affected glucose release. The different pre-treatments were assessed by enzymatic hydrolysis using the commercial cellulase cocktail Cellic® CTec 2 under several oxidative conditions to investigate the importance of the lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) present in the cocktail. This study shows that positive effects of 2-naphthol is related to increased LPMO activity which again is positive for saccharification yield.

Produksjon og forbruk av energi på jorda i dag er hovedsakelig fossilbasert. Forbruket av fossil energi er hovedfaktoren i utslipp av drivhusgasser som bygger seg opp i atmosfæren. Akkumulering av drivhusgasser som CO2 i atmosfæren forårsaker en temperaturøkning på jorda som fører til en rekke naturkatastrofer. For å motvirke eller sakne hastigheten på de menneskeskapte klimaendringene er det på tide å se etter andre, mer bærekraftig energikilder. Treverk er en stor og fornybar kilde som inneholder store mengder lignocellulose som kan utnyttes for produksjon av drivstoff og kjemikalier. Lignocellulose er en rigid matriks bestående av sukker som kan fermenteres og lignin. For å komme til de fermenterbare sukkrene må man først bryte ned den rigide strukturen til lignocellulosen ved hjelp av forbehandling. Det finnes flere ulike forbehandlinger som brukes til å bryte ned lignocellulose. Dampeksplosjon er en av forbehandlingene som brukes mest i dag. Dampeksplosjon bryter og lignocellulosen ved å tilføre dampl under høyt trykk etterfulgt av et raskt trykkfall. Ved å impregnere biomassen eller tilsette en katalysator kan man øke effektiviteten av forbehandlingen betraktelig. En vanlig katalysator under forbehandling er fortynnet svovelsyre. Denne katalysatoren skaper problemer nedstrøms i form av nøytralisering av behandlet biomasse, i tillegg til produksjon av store mengder salter. En måte å unngå dette på er å bruke en mildere katalysator, 2-naphthol. 2-naphthol er klassifisert som en ‘’carbocation scavenger’’. Når lignocellulosen depolymeriserer under dampeksplosjon dannes det lignin-karbokationer som lett kan reagere med hverandre og danne et nettverk som gjør sukkrene mer utilgjengelig. 2-naphthol har vist seg å motvirke denne repolymeriseringen noe som fører til at cellulosen blir mer tilgjengelig og man kan få mer glukose ut av lignocellulosen. I dette studiet ble norsk gran impregnert med 2-naphthol for å se hvordan dette påvirket glukoseutbyttet etter rekke dampeksplosjoner med ulike temperaturer og trykk. Forbehandlingene ble vurdert med enzymatisk hydrolyse med en kommersiell cellulase cocktail ved ulike forhold for å aktivere lytisk polysakkarid monooxygenaser som finnes in cocktailen.