Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

De wereldwijde honger naar energie overtreft de aanvoer van fossiele brandstoffen, de eeuwenoude, eindige resten van planten en dieren die de beschaving al eeuwenlang van kracht voorzien. Het verbranden van deze brandstoffen laat koolstofdioxide vrij die al eonen lang onder de grond gevangen zat, wat de klimaatverandering versnelt en de planeet opwarmt. Wetenschappers zoeken dringend naar een ander soort brandstof, één die afkomstig is van levende organismen en koolstof terug in de atmosfeer brengt zonder de totale belasting te vergroten. Dit is de belofte van biobrandstoffen. De meest overvloedige bron van dergelijke brandstof is niet voedselgewassen zoals maïs of suikerriet sap, maar het vezelige, houtachtige afval dat overblijft na de oogst van deze gewassen. Dit materiaal, bekend als lignocellulosische biomassa, is taai en weerstandbiedend door ontwerp; het is het structurele skelet van planten, gebouwd om de elementen te weerstaan. Om deze taaie vezel om te zetten in vloeibare brandstof, moeten onderzoekers het eerst afbreken tot eenvoudige suikers die gist kan eten, een proces dat historisch gezien harde chemicaliën of enorme hoeveelheden energie vereiste.

In een recente studie pakte een team onderzoekers in India deze uitdaging aan met behulp van suikerrietbagasse, het droge, pulpachtige residu dat achterblijft na het persen van suikerriet voor de productie van sap. Dit materiaal wordt in enorme hoeveelheden gegenereerd, maar veel ervan wordt verbrand of weggegooid. De onderzoekers wilden dit afval omzetten in bio-ethanol, een schoon brandende alcoholische brandstof, met een methode die giftige chemicaliën volledig vermijdt. Ze richtten zich op een tweestaps fysiek proces om de suikers die verborgen zitten in de plantvezels te ontsluiten. Eerst onderwierpen ze de bagasse aan intense hitte en druk in een hydrothermische behandeling, waarbij het in feite in water werd gekookt om de structuur te verzachten. Onmiddellijk daarna, zonder het materiaal te wassen of te neutraliseren, haalden ze het door een mechanische molen. Deze combinatie van hitte en fysieke kracht verwijderde meer dan de helft van de lignine, de kleverige, lijmachtige polymeer die plantenvezels bij elkaar houdt en de toegang tot de suikers blokkeert. Het resultaat was een biomassa die aanzienlijk rijker was aan de fermenteerbare koolhydraten die nodig zijn voor brandstof, en dat alles zonder de chemische afvalstromen te genereren die typerend zijn voor andere methoden.

Met de taaie buitenkant van de plant afgebroken, wendde het team zich tot de eigen instrumenten van de natuur om het werk te voltooien: enzymen. In plaats van dure commerciële enzymen te kopen, kweekten ze hun eigen enzymen in het laboratorium met behulp van tarwezemelen als voedingsbron voor specifieke soorten schimmels. Ze cultiveerden twee stammen, Trichoderma viride en Trichoderma harzianum, die van nature enzymen produceren die in staat zijn om plantencelwanden te verteren. Na enkele dagen van groei oogstten ze de vloeistof die deze enzymen bevat en zuiverden ze deze licht om de kracht te concentreren. Wanneer ze deze schimmelenzymen op de voorbehandelde bagasse toepasten, werkten de enzymen als biologische scharen, die de lange ketens van cellulose en hemicellulose in individuele suikermoleculen knipten. Het proces was zeer effectief; binnen veertig uur brachten de enzymen een enorme hoeveelheid suiker vrij uit het plantmateriaal. Het team kwam tot de conclusie dat de enzymen van Trichoderma viride bijzonder krachtig waren, waarbij bijna twee derde van de beschikbare koolhydraten werden omgezet in suikers. Wanneer ze de enzymen van beide schimmelstammen samenvoegden, presteerde de combinatie nog beter, waarbij iets meer suiker werd vrijgegeven vanwege de complementaire manieren waarop de twee enzymen de plantstructuur aanvielen.

De laatste stap was om deze suikerrijke vloeistoffen om te zetten in brandstof. De onderzoekers introduceerden een veelvoorkomende gist, Saccharomyces, in de suikeroplossing. Dit micro-organisme consumeert van nature suiker en scheidt ethanol uit als bijproduct. In een gecontroleerde omgeving werkte de gist efficiënt en consumeerde bijna alle beschikbare suiker binnen een dag. Het resultaat was een heldere vloeistof met een bio-ethanolconcentratie van 6,39 gram per liter. Cruciaal was dat de onderzoekers bevestigden dat deze opbrengst niet slechts een theoretische mogelijkheid was, maar een gemeten realiteit, waarbij 86 procent van de maximale hoeveelheid brandstof werd bereikt die mogelijk uit die specifieke hoeveelheid suiker geproduceerd kon worden. Omdat de initiële voorbehandeling geen harde chemicaliën gebruikte, bevatte de suikeroplossing niet de giftige bijproducten die vaak gist doden of de fermentatie bij andere processen stoppen, waardoor de gist op piekefficiëntie kon werken.

Om te begrijpen wat dit in de echte wereld betekent, berekenden de onderzoekers de potentiële output op grote schaal. Ze schatten dat de bagasse die per hectare verbouwde suikerriet in India wordt geproduceerd, kan worden omgezet in ongeveer 3.263 liter bio-ethanol. Dit cijfer suggereert dat het proces niet slechts een laboratoriumcuriositeit is, maar een levensvatbaar pad naar productie op industriële schaal. De studie toont aan dat het mogelijk is om een volledige, milieuvriendelijke pijplijn voor brandstofproductie te creëren: beginnend met agrarisch afval, het gebruik van hitte en mechanische kracht om de plantvezels te openen, het inzetten van schimmels die op goedkope bijproducten van granen zijn gekweekt om de suikers vrij te maken, en ten slotte het gebruik van gist om die suikers in brandstof te fermenteren. Door te bewijzen dat een chemievrije aanpak hoge opbrengsten kan realiseren, biedt het onderzoek een overtuigend blauwdruk voor een circulaire bio-economie, waarbij agrarisch afval wordt getransformeerd in een duurzame energiebron zonder de milieukosten van chemische verwerking.