Removal of Potential Inhibitors from Hemicellulose Hydrolysate by Membrane Filtration

Au cours des dernières années, avec l'augmentation des préoccupations environnementales et des sources limitées de combustibles fossiles, la production des biocarburants a attiré une attention croissante. Le bio-butanol, en raison de ses nombreux avantages par rapport aux autres biocarburants, peut être considéré comme une alternative appropriée. Le bio- butanol peut être produit à partir des sucres pentoses et hexoses par la fermentation acétone-butanol-éthanol (ABE), un procédé anaérobie qui utilise généralement des bactéries à partir des souches de Clostridium, pour produire de l'acétone, de butanol et d'éthanol dans un rapport de 3-6-1 respectivement. Un inconvénient de ce procédé est le faible rendement et l'une des raisons est la présence d'une large gamme de composés tels que les furanes, les acides organiques faibles et des composés phénoliques qui sont toxiques et qui empêchent la fermentation efficace. Surmonter l'impact de ces inhibiteurs est l'un des principaux défis pour la production de butanol. À cet effet, l'élimination presque complète de ces groupes de produits chimiques est une nécessité. La détoxification est une étape très critique. L'objectif principal de ce travail a été d'étudier l'efficacité de la filtration par membrane pour éliminer les inhibiteurs potentiels contenus dans l'hydrolysat hémicellulosique et améliorer le pouvoir fermentescible des sucres pour la production du bio -butanol. Un mélange de pré-hydrolysat de l'érable-tremble a été utilisé comme solution initiale dans toutes les expériences. Cinq membranes couvrant une large gamme de seuils de coupures (MWCO) (entre 100 et 10000 daltons) ont été testées. Trois membranes sont de type nanofiltration (NF90, NF270 et XN45) et deux de type ultrafiltration (UA60 et UE10. Dans ce travail, deux scénarios ont été étudiés: Le premier a consisté en l'évaluation des performances des étapes de concentration et détoxification après l'hydrolyse acide du pré - hydrolysat et le deuxième a été consacré à la concentration – détoxification avant l'étape de l'hydrolyse acide. Les variations de la concentration des sucres réducteurs et des composés inhibiteurs ont été déterminées dans les deux scénarios et l'efficacité des membranes testées a été comparée. Chacun des deux scénarios a comporté deux étapes. La première a été consacrée à la sélection de la membrane la plus efficace (meilleur taux de rétention des sucres et meilleur taux de passage des inhibiteurs dans le perméat). Les essais ont été réalisés en boucle fermé (le concentré et le perméat sont retournés dans la cuve d'alimentation) pour évaluer seulement les performances de séparation des membranes. La deuxième étape a été consacrée à la réalisation des essais de concentration et de détoxification avec la membrane sélectionnée lors de l'étape précédente. Dans les deux scénarios, les résultats des essais de sélection de la membrane la plus efficace ont monté que les meilleurs taux de conservation des sucres et les taux d'élimination des inhibiteurs les plus élevés ont été obtenus avec la membrane XN45. Aussi, la membrane XN45 a été sélectionnée pour les étapes subséquentes prévues dans les deux scénarios. Ces derniers ont consistés en une concentration – détoxification du pré-hydrolysat et de l'hydrolysat acide. Afin d'augmenter les taux de détoxification, la procédure de filtration a été complétée par une étape de dia-filtration. Dans le cas de l'hydrolysat acide, l'expérience a consistée en l'extraction de 0.85L de perméat à partir de 1.7L de solution initiale (soit un facteur de concentration de 2 fois). Une fois le taux de concentration atteint, l'expérience a été complétée par une dia-filtration avec un volume d'eau déminéralisée de 2 fois le volume du concentré. Une expérience similaire a été réalisée avec le pré-hydrolysat (extraction de 1L de perméat à partir de 2L de pré-hydrolysat et dia-filtration avec 1L d'eau déminéralisée). La variation de la concentration de sucres réducteurs et les composés inhibiteurs a été déterminée dans les deux scénarios et l'efficacité des membranes testées a été comparée. Dans ces expériences, afin de retenir davantage de sucres et de retirer plusieurs inhibiteurs, dans les deux scénarios, la nano - membrane XN45 présentait de meilleures performances. Lors de l'étape suivante, pour la rétention des inhibiteurs et l'obtention de la concentration la plus élevée de sucres, le processus de concentration suivie d'une dia - filtration a été appliqué. Cette étude a démontrée que la dia - nanofiltration est un procédé efficace qui permet l'élimination de l'acide acétique, le furfural et HMF, cependant la séparation membranaire, même en combinaison avec la dia - filtration ne permet pas de séparer les composés phénoliques. En outre, les résultats de notre étude ont démontré que le premier scénario (concentration après hydrolyse) est une approche prometteuse afin d'obtenir une alimentation appropriée pour l'étape de fermentation (concentration en sucre plus élevée et moins d'inhibiteurs). La dernière étape consistait à étudier la fermentabilité de l'hydrolysat après la détoxification et mesurer l'efficacité des procédés de désintoxication sur la croissance microbienne et la bioconversion des sucres générés durant l'hydrolyse en bio-butanol. Lors de cette étape, des voies d'optimisation et de validation de l'efficacité des procédés de détoxification de l'hyrolysat par voie membranaire ont été explorées.

Abstract

In recent years, with rising environmental concerns and limited sources of fossil fuel, bio-fuel production has attracted growing attention. Bio-butanol is a bio-fuel that is an alternative to fossil fuels and can be produced by fermentation of pentose and hexose sugars through acetone-butanol-ethanol (ABE) anaerobic fermentation process, which uses bacteria from the clostridium strains to produce acetone, butanol and ethanol in a ratio of 3-6-1, respectively. A main drawback to this process is its relatively low yield, which results in part from the presence of a broad range of compounds such as furans, weak organic acids and phenolic components. These components are toxic and prevent efficient fermentation. Overcoming the impact of inhibitors is one of the main challenges for bio-butanol production, and since near complete removal of these groups of chemicals is a necessity detoxification is a critical step. The main objective of this project is to study the efficiency of membrane filtration for removing the potential inhibitors from hemicellulosic hydrolysates in order to improve its fermentability for bio-butanol production. In this work, a pre-hydrolysate of maple-aspen blend was used as an initial solution. A number of experiments were performed using five membranes, with broad range of molecular weight cut-off from 100 to 10,000 Daltons, including nano-filtration (NF) membranes and ultra-filtration (UF) membranes. Two scenarios also were conducted: the first one was concentration after hydrolysis and the second one was concentration before hydrolysis. The change in the concentrations of reducing sugars and inhibitory compounds were determined in both scenarios, and the efficiency of tested membranes was compared. In these experiments, in terms of retaining more sugar and removing more inhibitors, the nano-membrane XN45 exhibited better performance in both scenarios, and was selected as a suitable membrane in the subsequent steps. Moreover, in order to get higher sugar concentration and remove more inhibitors, the concentration process followed by dia-filtration step(s) was applied. In this study, dia-nanofiltration showed to be an efficient process to remove acetic acid, furfural and HMF. However, the performance of membrane separation, even in combination with dia-filtration process, was less effective in terms of phenolic elimination. Furthermore, the results from our study demonstrated that the first scenario (concentration after hydrolysis) was a more promising approach to get a suitable feed for the fermentation step (higher sugar concentration with lower inhibitor contents). In the final step, to investigate the effects of the applied detoxification process on the microbial growth, the detoxified samples were subjected to fermentation process.