Yeast immobilization in lignocellulosic wastes for ethanol production in packed bed bioreactor

Abstract

ABSTRACT: This study is focused on the development of an immobilization process of yeast cells in waste lignocellulosic materials and their evaluation in the ethanol production by using packed bed bioreactors. We evaluated four different waste lignocellulosic materials: wood shavings, cane bagasse, corn cobs and corn leaves. The characterization made it possible to establish the microscopic structural differences between the four materials, as well as the differences in composition of lignin, cellulose, hemicelluloses and ash. A protocol for packaging materials and a quantification methodology of immobilized biomass was developed. An experimental design was conducted to determine the effects of the size of lignocellulosic materials on cell immobilization and to establish the effects of the flow rate in the immobilized cells when the fermentation is performed in packed bed bioreactors. Under the established experimental conditions we determined the size and flow rate that provided the better operational stability for the fermentation in packed bed bioreactor. The result of the study showed that the material in which the biggest amount of cells was immobilized was the sugar cane bagasse, and we obtained a value of 0.04657 dry immobilized biomass gX/gS (grams of dry biomass per grams of lignocellulosic material). This amount of immobilized biomass is significant compared to the values reported by other authors. As a result of the experimental design of the influence of flow and size of the carrier on the immobilization, it was established that there is no significant statistical difference in the range of the values used in the experiment (size of 3.4; 6.7 and 10 mm and flow rate of 0.36; 1.6 and 3.33 ml/s), so the best conditions for cell immobilization could be established taking into account the operational conditions and system stability. The size of the carrier selected was 3.4 mm and the flow rate of 0.36 ml/s. In the fermentations carried out in packed bed bioreactors with the biocatalyst (carrier + yeast), it was possible to obtain an increase of the amount of immobilized cells up to a value of 0.1444 ± 0.0061 grams of biomass after 12 hours of fermentation. Ethanol production using these biocatalysts reached a value of 20 g/L in 12 hours fermentation batch, equivalent to a volumetric productivity of 1.67 g/Lh. The results have established the implementation potential of ethanol production by continuous fermentation with immobilized cells in waste lignocellulosic materials.

RESUMEN: El presente estudio se ha orientado hacia el desarrollo de un proceso de inmovilización de células de levaduras en residuos de materiales lignocelulosicos y a su evaluación en la producción de etanol mediante el uso de biorreactores de lecho empacado. Se evaluaron cuatro diferentes residuos de materiales lignocelulosicos: viruta de madera, bagazo de caña, tusa y capacho de maíz. La caracterización realizada permitió establecer las diferencias estructurales microscópicas que presentan los cuatro materiales, al igual que las diferencias en composición de lignina, celulosa, hemicelulosa y cenizas. Se desarrolló un protocolo para el acondicionamiento de los materiales y una metodología de cuantificación de biomasa inmovilizada. Se realizó un diseño experimental para determinar el efecto del tamaño de los materiales lignocelulósicos en la inmovilización celular y para establecer el efecto del caudal empleado en el proceso de inmovilización en los biorreactores de lecho empacado. Bajo las condiciones experimentales establecidas se determinó el tamaño y caudal que mejor estabilidad operacional proporcionaron a la fermentación en el biorreactor de lecho empacado. Como resultado del estudio se obtuvo que el material en el que se inmovilizó mayor cantidad de células de levadura fue el bagazo de caña, se obtuvo un valor de biomasa seca inmovilizada de 0,04657 gX/gS (gramos de biomasa por gramos de material lignocelulósico empleado). Esta cantidad de biomasa inmovilizada es significativa comparada con los valores reportados por otros autores. Como resultado del diseño experimental de la influencia del caudal y el tamaño del soporte en la inmovilización se pudo establecer que no existe diferencia estadística significativa en el rango de valores empleados en la experimentación (tamaño de 3,4, 6,7 y 10 mm y caudal de 0,36, 1,6 y 3,33 ml/s), así que las mejores condiciones para la inmovilización celular pudieron ser establecidas teniendo en cuenta las condiciones operacionales y estabilidad del sistema, el tamaño de soporte empleado fue de 3,4 mm y el caudal de 0,36 ml/s. En las fermentaciones realizadas en los biorreactores de lecho empacado con el biocatalizador (soporte + levaduras), se logró obtener un aumento en la cantidad de células inmovilizadas hasta un valor de 0,1444 ± 0,0061 gramos de biomasa inmovilizada después de 12 horas de fermentación. La producción de etanol empleando estos biocatalizadores alcanzó un valor de 20 g/L en 12 horas de fermentación por lote, es decir, una productividad volumétrica de 1,67 g/Lh. Los resultados obtenidos han permitido establecer el potencial de la implementación de la producción de etanol mediante fermentaciones en continuo con células inmovilizadas en residuos de materiales lignocelulosicos."