2nd generation bioethanol production in terms of circular economy

Abstract

Circular Economy (CE) is a promising solution for the unsustainable material and energy flow model of the current economic system. Biorefineries are crucial for CE as they process all fractions of biomass to co-produce a multiplicity of products and energy, minimizing waste generation. Bioethanol, with lower greenhouse gasses emissions, is a potential alternative to fossil fuels, which have negative impacts in health and environment. Bioethanol is currently the most produced biofuel and is almost entirely of first generation since it is produced from food crops, leading to food-fuel competition. In alternative, second generation bioethanol is produced from lignocellulosic biomass (LCB) but requires a costly and technically difficult pretreatment. In pulp and paper industry the Kraft pulping step removes lignin and targets hemicelluloses, releasing cellulose, and therefore can be considered as a pretreatment of LCB. A process based on Kraft pulping followed by the hydrolysis of polysaccharides and subsequent fermentation emerges as a promising approach to valorise wastes resulting from pulp and paper industry, converting the existing mills in integrated biorefineries. The aim of this work was to study the production of bioethanol using yeast Saccharomyces cerevisiae and Scheffersomyces stipitis from unbleached Kraft pulp of Eucalyptus globulus, exploiting the Kraft pulping process as LCB pretreatment. Enzymatic hydrolysis of unbleached Kraft pulp of E. globulus released hydrolysates with 65.4 ± 0.8 g.L-1 of glucose and 16.0 ± 1.8 g.L-1 of xylose, corresponding to a yield of 95.6 ± 2.6 %. In Erlenmeyer flask assays, S. cerevisiae yeast showed higher ethanol concentration, 19.81 ± 0.15 g.L-1, ethanol yield, 0.450 ± 0.009 g.g-1, and ethanol productivity, 2.01 ± 0.01 g.L-1.h-1, than Scheffersomyces stipitis. Neither S. cerevisiae and S. stipitis sequential co-culture nor simultaneous co-culture showed a significant improvement in these parameters compared with S. cerevisiae mono-culture. S. cerevisiae mono-culture fermentation of Kraft pulp hydrolysate in bioreactor resulted in an ethanol concentration of 19.24 g.L-1, an ethanol yield of 0.433 g.g-1, and an ethanol productivity of 0.733 g.L-1.h-1. Also, in bioreactor, sequential co-culture did not show any improvement from S. cerevisiae mono-culture. The high ethanol yield and productivity obtained by S. cerevisiae mono-culture fermentation of E. globulus Kraft pulp hydrolysate show that this is a promising process for second generation bioethanol production. Also, given these results, it appears that producing bioethanol from pulp and paper industry wastes, such as low-quality wood, bark, and other rejects, as well as low-quality and excess pulp, is a potential opportunity for implementing integrated biorefineries in the existing Kraft pulp mills.

A Economia Circular (CE) é uma solução promissora para os fluxos de materiais e de energia que tornaram insustentável o sistema económico atual. As biorrefinarias são cruciais para a CE, uma vez que processam todas as frações da biomassa para a coprodução de vários produtos e energia, minimizando a geração de resíduos. O bioetanol, devido à menor emissão de gases de efeito de estufa, apresenta-se como uma potencial alternativa aos combustíveis fósseis, os quais têm um impacto negativo na saúde e no ambiente. O bioetanol é atualmente o biocombustível mais produzido e deriva quase na sua totalidade de culturas alimentares, levando a uma competição entre alimento e combustível. Em alternativa, o bioetanol de segunda geração é produzido a partir de biomassa lenhocelulósica (LCB), mas requer um pré-tratamento caro e tecnicamente difícil. Na indústria papeleira o cozimento Kraft remove a lenhina das madeiras e afeta as hemiceluloses, libertando a celulose podendo, por isso, ser considerado um pré-tratamento de LCB. Um pré-tratamento com base no cozimento Kraft, seguido por hidrólise dos polissacarídeos que podem sofrer subsequente fermentação, surge como uma abordagem promissora para valorizar resíduos da indústria da pasta e do papel, convertendo as fábricas existentes em biorrefinarias integradas. O objetivo deste trabalho foi estudar a produção de bioetanol pelas leveduras Saccharomyces cerevisiae e Scheffersomyces stipitis a partir de pasta Kraft não branqueada de Eucalyptus globulus, adotando o cozimento Kraft como pré-tratamento da LCB. Da hidrólise enzimática da pasta Kraft resultaram hidrolisados com 65.4 ± 0.8 g.L-1 de glucose e 16.0 ± 1.8 g.L-1 de xilose, obtendo-se um rendimento de 95.6 ± 2.6 %. Nos ensaios em balão Erlenmeyer com mono-cultura, a levedura S. cerevisiae produziu uma maior quantidade de etanol que S. stipitis, obtendo-se 19.81 ± 0.15 g.L-1, que corresponderam a um rendimento em etanol de 0.450 ± 0.009 g.g-1, e uma produtividade de etanol de 2.01 ± 0.01 g.L-1.h-1. Nem a co-cultura sequencial nem a co-cultura simultânea das duas leveduras resultou numa melhoria significativa da produção de bioetanol quando comparadas com a mono-cultura de S. cerevisiae. A fermentação do hidrolisado de pasta Kraft por S. cerevisiae em bioreator resultou numa concentração de etanol de 19.24 g.L-1, num rendimento em etanol de 0.433 g.g-1, e numa produtividade de etanol de 0.733 g.L-1.h-1. Também em bioreator, a utilização de co-cultura sequencial não resultou numa melhoria em relação à mono-cultura de S. cerevisiae. O elevado rendimento e produtividade de etanol obtido na fermentação de hidrolisado de pasta Kraft de E. globulus pela mono-cultura de S. cerevisiae demonstra que este é um processo promissor para a produção de bioetanol de segunda geração. Tendo em conta estes resultados, a produção de bioetanol a partir de resíduos da indústria da pasta e do papel, como madeira de baixa qualidade, cascas e outros resíduos, bem como pasta de baixa qualidade e em excesso, é uma potencial oportunidade para a implementação de biorrefinarias integradas nas plantas fabris de cozimento Kraft.