바이오매스 폐기물을 이용한 바이오에너지 및 고부가가치 바이오케미컬 생산 Development of advanced technology for biofuel and value-added products from lignocellulosic biomass wastes원문보기
최근 급격한 기후 변화는 환경위기와 에너지 안보 문제를 야기하고 있다. 이와 같은 문제들을 극복하기 위한 대안으로 바이오매스를 이용한 친환경적인 기술개발이 요구되며 이에 대한 연구가 전세계적으로 광범위하게 이루어지고 있다. 식물의 광합성으로 만들어지는 바이오매스는 셀룰로오스, ...
최근 급격한 기후 변화는 환경위기와 에너지 안보 문제를 야기하고 있다. 이와 같은 문제들을 극복하기 위한 대안으로 바이오매스를 이용한 친환경적인 기술개발이 요구되며 이에 대한 연구가 전세계적으로 광범위하게 이루어지고 있다. 식물의 광합성으로 만들어지는 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 유기화합물이다. 셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 유기화합물로 포도당이 β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 구조로 되어 있다. 포도당의 하이드록실 그룹과 산소 분자 사이에서 형성된 수소 결합은 탄수화물 매트릭스에 연결된 미세섬유를 생성하는 데 도움이 되며, 이에 따라 촘촘하게 결합된 평행한 셀룰로오스 사슬에 강성과 강도를 부여한다. 이 결합 특성 때문에 셀룰로오스는 분해가 용이하지 않다. 두 번째로 풍부한 유기화합물인 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스와 리그닌을 화학적, 구조적으로 밀접하게 연결하는 역할을 하고 있다. 헤미셀룰로오스는 주로 오탄당(자일로오스)과 육탄당(D-글루코오스, D-만노오스, D-갈락토오스) 및 당산으로 구성된 이종 탄수화물로서 주결합에 곁가지를 갖는 구조로 되어 있으며 곁가지가 없는 일직선 구조인 셀룰로오스와 차이가 있다. 리그닌은 거대 고분자로 p-쿠마릴 알코올(p-하이드록실페닐, H), 코니페릴 알코올(구아실, G), 및 신아필 알코올(시린겔, S)의 3가지 페닐프로판 단량체들이 무작위로 중합되어 형성된 방향족 이 종중합체이다. 따라서 바이오매스에 포함된 다당류(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스)와 페놀계 고분자(리그닌)를 이용함으로써 바이오연료 및 바이오물질을 생산할 수 있다. “리그노셀룰로오스 바이오매스”라는 용어는 식물이나 동물에서 얻은 광범위한 유기 물질들을 모두 포함한다. 예를 들면 농업, 임업 및 목재 가공 잔류물, 펄프 및 종이 폐기물과 같은 산업 잔류물, 그리고 커피찌꺼기와 같은 생분해성 생활폐기물들이 있다. 이런 다양한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 부가가치가 높은 화학물질 또는 바이오에너지로 전환될 수 있는 지속 가능한 공급 원료로 사용될 수 있다. 따라서 이 자원들은 기존의 화석연료 집약중심의 주력산업을 대체하여 저탄소를 추구하는 미래로 전환하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 미국 에너지부(DOE)와 미국 교통부(DOT)의 최근 연구결과에 따르면 바이오매스 기반 바이오 연료는 기존 석유에 비해 온실가스(GHG) 배출량을 약 40-93% 감소시키는 것으로 보고하고 있다. 이러한 연구결과는 많은 산업 공정에서 사용되는 석유자원을 바이오매스로부터 생산된 바이오 연료로 대체하면 GHG 발생 및 기타 오염 물질의 양을 크게 줄일 수 있다는 설명이 된다. 다양한 성상을 가진 바이오매스 자원의 실질적인 장점은 지속적인 자원의 공급이 가능하고 저비용의 자원이라는 것이다. 이 바이오매스 자원은 대부분 버려지는 폐기물로 실생활에서는 활용도가 낮지만 바이오화학 산업인 화이트케미스트리의 친환경 대체자원으로 활용하면 다양한 제품을 생산할 수 있다. 이는 석유자원 대신에 바이오매스 유기물을 이용하여 고부가 바이오소재들을 생산하는 기술 분야로 기능성 당, 식품, 제약, 화장품 및 영양 산업에서 사용되는 화합물들이 두루 포함되어 있어 여러 산업에 응용 될 수 있다. 실제로 3세대 바이오슈거 원료는 바이오매스 폐기물에서 생물공정으로 생산하여 상용화 되고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 바이오매스 폐기물을 이용하여 바이오에너지 및 고부가 기능성 물질로의 변환 가능성을 제시할 뿐만 아니라 다양한 바이오매스로부터 3세대 셀룰로오스 바이오슈거를 생산하는 바이오테크놀로지에 기초한 실용화 전략을 제시한다. 이 논문은 크게 네 개의 장으로 구성되어 있다. 첫 번째 장은 다양한 침엽수 목질 바이오매스 자원의 가수분해에 대한 화학적/해부학적 구조 분석을 통해 목질 바이오매스의 경제적이고 실용적인 바이오슈거 생산 기술을 제시한다. 두 번째 장에서는 커피 찌꺼기를 바이오매스 자원으로 활용하여 바이오에탄올 및 바이오당을 생산하는 통합공정기술을 소개하고 있다. 세 번째 장에서는 커피 공정상 생산되는 부산물을 활용한 전주기적 활용과 새로운 바이오리파이너기술에 대한 개요를 기술하고 있다. 네 번째 장에서는 선행 연구를 수행하면서 수집/채집한 바이오매스 분해 미생물들과 리그노셀룰로오스 가수분해를 위한 클로닝한 다양한 바이오매스 분해효소의 목록을 정리하였다. 일반적으로 목질 바이오매스는 세포벽의 구조적 및 화학적 특성 때문에 분해하기 어려워 상대적으로 분해하기 쉬운 농업 바이오매스 자원 또는 음식물 쓰레기보다 생명공학 산업 및 바이오 에너지 생산에 경제성이 떨어지는 것으로 간주된다. 그러나 목질 바이오매스는 높은 셀룰로오스 함량과 자연에 풍부하게 존재하는 보존량 때문에 여전히 주요 재생 가능한 바이오매스 공급원으로서 가장 큰 잠재력을 가지고 있다. 지속 가능한 바이오매스 공급은 바이오 기반 산업에서 핵심 요소이다. 목질 바이오매스로부터 바이오 연료 및 부가가치 화학 물질의 생산 비용을 절감하기 위해 다양한 전처리 방법의 개발 또한 주목받고 있다. 첫 번째 장에서는 HPAC 전처리가 어떻게 침엽수의 리그닌을 분해하고 리그노셀룰로스의 구조적 난분해성을 줄이며 목재 바이오매스의 당화율을 91.94%로 증가시키는 분해 효율과 주요 영향 인자에 관하여 설명하고 있다. 산업공정에서 발생하는 유기성 폐기물(예: 커피찌꺼기 잔류물)과 펄프 및 제지 산업에서 발생하는 잔류물은 매년 발생량이 증가하고 있으나 뚜렷한 대안이 없는 것이 현실이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 버려진 유기성 바이오매스를 새로운 바이오자원으로 사용하면 폐기물을 매립하는 과정에서 토지사용 변경으로 인한 농지의 감소 위험을 최소화하고 높은 수준의 온실가스를 감소시킬 수 있다. 또한, 이런 폐기물은 일반적으로 공급 비용이 낮아서 기타 바이오매스에 비하여 높은 가격 경제성을 갖는다. 따라서 두 번째 장에서는 순환 경제 패러다임에서 유기 폐기물인 커피 잔류물 바이오매스의 자원으로서 활용 가능성을 연구하고 공급 원료로서 활용하여 매립지로 보내지는 양을 줄이는 데 중점을 두었다. 폐 커피 찌꺼기(SCG)를 이용한 새로운 바이오프로세스 기술개발에 대한 연구는 폐 바이오매스 자원이 환경친화적이며 유용한 고부가가치 제품들로 전환될 수 있는 가능성을 나타내 준다. 세 번째 장에서는 커피 생산 공정에서 발생하는 다양한 부산물을 대상으로 커피 바이오리파이너리의 실용화와 함께 커피 폐기물을 이용하는 새롭고 혁신적인 바이오테크놀리지 기술들에 대해 논의 하였다. 또한 이 장에서는 다양한 커피 부산물의 기능성 소재로서의 활용에 기반한 잠재적인 비즈니스 모델을 제시하여 실용화 및 신산업화로의 잠재적 가능성을 제시하고 있다. 바이오매스로부터 생물공정을 통한 바이오연료 및 바이오소재 생산 공정의 성공적 산업화를 위해서는 효율적이고 경제적인 바이오매스 분해 미생물과 효소 개발이 필수적이다. 네 번째 장에서는 이러한 바이오매스 분해를 수행하는 미생물과 당화를 위한 바이오매스 분해 효소들의 정보를 목록으로 요약하였다. 수 천년 동안 농작물과 산림의 바이오매스는 동물뿐만 아니라 인간에게도 식량을 제공해 왔다. 최근에는 목질계 바이오매스는 건축 자재의 원료로 사용되기도 하고 천이나 종이 제조용 섬유로 사용되기도 한다. 농업 및 산림 바이오매스를 수확하면 1차 잔류물이 들판이나 산림에 남게 된다. 2차 잔류물은 식품, 섬유 및 기타 산업 가공 및 동물 생산에서도 발생되고 있으며, 3차 잔류물로 분류될 수 있는 철거용 목재, 하수 슬러지, 사용된 커피찌꺼기 등의 폐기물들도 공정의 마지막에 발생되는 부산물이다. 이들 모두는 재생 에너지, 바이오 연료 및 부가가치 화학 물질 등의 지속 가능한 공급원료로 사용될 수 있다. 이와 같은 다양한 바이오매스의 활용은 온실가스 집약적 연료에서 저탄소 미래로의 전환에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 본 연구논문은 화석연료를 대체하기 위한 바이오매스 활용의 효율성을 높이고 온실가스 발생을 감소시키며 새로운 바이오 소재 개발을 통하여 생산원가를 낮추는 것을 목적으로 한다.
최근 급격한 기후 변화는 환경위기와 에너지 안보 문제를 야기하고 있다. 이와 같은 문제들을 극복하기 위한 대안으로 바이오매스를 이용한 친환경적인 기술개발이 요구되며 이에 대한 연구가 전세계적으로 광범위하게 이루어지고 있다. 식물의 광합성으로 만들어지는 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 유기화합물이다. 셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 유기화합물로 포도당이 β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 구조로 되어 있다. 포도당의 하이드록실 그룹과 산소 분자 사이에서 형성된 수소 결합은 탄수화물 매트릭스에 연결된 미세섬유를 생성하는 데 도움이 되며, 이에 따라 촘촘하게 결합된 평행한 셀룰로오스 사슬에 강성과 강도를 부여한다. 이 결합 특성 때문에 셀룰로오스는 분해가 용이하지 않다. 두 번째로 풍부한 유기화합물인 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스와 리그닌을 화학적, 구조적으로 밀접하게 연결하는 역할을 하고 있다. 헤미셀룰로오스는 주로 오탄당(자일로오스)과 육탄당(D-글루코오스, D-만노오스, D-갈락토오스) 및 당산으로 구성된 이종 탄수화물로서 주결합에 곁가지를 갖는 구조로 되어 있으며 곁가지가 없는 일직선 구조인 셀룰로오스와 차이가 있다. 리그닌은 거대 고분자로 p-쿠마릴 알코올(p-하이드록실페닐, H), 코니페릴 알코올(구아실, G), 및 신아필 알코올(시린겔, S)의 3가지 페닐프로판 단량체들이 무작위로 중합되어 형성된 방향족 이 종중합체이다. 따라서 바이오매스에 포함된 다당류(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스)와 페놀계 고분자(리그닌)를 이용함으로써 바이오연료 및 바이오물질을 생산할 수 있다. “리그노셀룰로오스 바이오매스”라는 용어는 식물이나 동물에서 얻은 광범위한 유기 물질들을 모두 포함한다. 예를 들면 농업, 임업 및 목재 가공 잔류물, 펄프 및 종이 폐기물과 같은 산업 잔류물, 그리고 커피찌꺼기와 같은 생분해성 생활폐기물들이 있다. 이런 다양한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 부가가치가 높은 화학물질 또는 바이오에너지로 전환될 수 있는 지속 가능한 공급 원료로 사용될 수 있다. 따라서 이 자원들은 기존의 화석연료 집약중심의 주력산업을 대체하여 저탄소를 추구하는 미래로 전환하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 미국 에너지부(DOE)와 미국 교통부(DOT)의 최근 연구결과에 따르면 바이오매스 기반 바이오 연료는 기존 석유에 비해 온실가스(GHG) 배출량을 약 40-93% 감소시키는 것으로 보고하고 있다. 이러한 연구결과는 많은 산업 공정에서 사용되는 석유자원을 바이오매스로부터 생산된 바이오 연료로 대체하면 GHG 발생 및 기타 오염 물질의 양을 크게 줄일 수 있다는 설명이 된다. 다양한 성상을 가진 바이오매스 자원의 실질적인 장점은 지속적인 자원의 공급이 가능하고 저비용의 자원이라는 것이다. 이 바이오매스 자원은 대부분 버려지는 폐기물로 실생활에서는 활용도가 낮지만 바이오화학 산업인 화이트케미스트리의 친환경 대체자원으로 활용하면 다양한 제품을 생산할 수 있다. 이는 석유자원 대신에 바이오매스 유기물을 이용하여 고부가 바이오소재들을 생산하는 기술 분야로 기능성 당, 식품, 제약, 화장품 및 영양 산업에서 사용되는 화합물들이 두루 포함되어 있어 여러 산업에 응용 될 수 있다. 실제로 3세대 바이오슈거 원료는 바이오매스 폐기물에서 생물공정으로 생산하여 상용화 되고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 바이오매스 폐기물을 이용하여 바이오에너지 및 고부가 기능성 물질로의 변환 가능성을 제시할 뿐만 아니라 다양한 바이오매스로부터 3세대 셀룰로오스 바이오슈거를 생산하는 바이오테크놀로지에 기초한 실용화 전략을 제시한다. 이 논문은 크게 네 개의 장으로 구성되어 있다. 첫 번째 장은 다양한 침엽수 목질 바이오매스 자원의 가수분해에 대한 화학적/해부학적 구조 분석을 통해 목질 바이오매스의 경제적이고 실용적인 바이오슈거 생산 기술을 제시한다. 두 번째 장에서는 커피 찌꺼기를 바이오매스 자원으로 활용하여 바이오에탄올 및 바이오당을 생산하는 통합공정기술을 소개하고 있다. 세 번째 장에서는 커피 공정상 생산되는 부산물을 활용한 전주기적 활용과 새로운 바이오리파이너기술에 대한 개요를 기술하고 있다. 네 번째 장에서는 선행 연구를 수행하면서 수집/채집한 바이오매스 분해 미생물들과 리그노셀룰로오스 가수분해를 위한 클로닝한 다양한 바이오매스 분해효소의 목록을 정리하였다. 일반적으로 목질 바이오매스는 세포벽의 구조적 및 화학적 특성 때문에 분해하기 어려워 상대적으로 분해하기 쉬운 농업 바이오매스 자원 또는 음식물 쓰레기보다 생명공학 산업 및 바이오 에너지 생산에 경제성이 떨어지는 것으로 간주된다. 그러나 목질 바이오매스는 높은 셀룰로오스 함량과 자연에 풍부하게 존재하는 보존량 때문에 여전히 주요 재생 가능한 바이오매스 공급원으로서 가장 큰 잠재력을 가지고 있다. 지속 가능한 바이오매스 공급은 바이오 기반 산업에서 핵심 요소이다. 목질 바이오매스로부터 바이오 연료 및 부가가치 화학 물질의 생산 비용을 절감하기 위해 다양한 전처리 방법의 개발 또한 주목받고 있다. 첫 번째 장에서는 HPAC 전처리가 어떻게 침엽수의 리그닌을 분해하고 리그노셀룰로스의 구조적 난분해성을 줄이며 목재 바이오매스의 당화율을 91.94%로 증가시키는 분해 효율과 주요 영향 인자에 관하여 설명하고 있다. 산업공정에서 발생하는 유기성 폐기물(예: 커피찌꺼기 잔류물)과 펄프 및 제지 산업에서 발생하는 잔류물은 매년 발생량이 증가하고 있으나 뚜렷한 대안이 없는 것이 현실이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 버려진 유기성 바이오매스를 새로운 바이오자원으로 사용하면 폐기물을 매립하는 과정에서 토지사용 변경으로 인한 농지의 감소 위험을 최소화하고 높은 수준의 온실가스를 감소시킬 수 있다. 또한, 이런 폐기물은 일반적으로 공급 비용이 낮아서 기타 바이오매스에 비하여 높은 가격 경제성을 갖는다. 따라서 두 번째 장에서는 순환 경제 패러다임에서 유기 폐기물인 커피 잔류물 바이오매스의 자원으로서 활용 가능성을 연구하고 공급 원료로서 활용하여 매립지로 보내지는 양을 줄이는 데 중점을 두었다. 폐 커피 찌꺼기(SCG)를 이용한 새로운 바이오프로세스 기술개발에 대한 연구는 폐 바이오매스 자원이 환경친화적이며 유용한 고부가가치 제품들로 전환될 수 있는 가능성을 나타내 준다. 세 번째 장에서는 커피 생산 공정에서 발생하는 다양한 부산물을 대상으로 커피 바이오리파이너리의 실용화와 함께 커피 폐기물을 이용하는 새롭고 혁신적인 바이오테크놀리지 기술들에 대해 논의 하였다. 또한 이 장에서는 다양한 커피 부산물의 기능성 소재로서의 활용에 기반한 잠재적인 비즈니스 모델을 제시하여 실용화 및 신산업화로의 잠재적 가능성을 제시하고 있다. 바이오매스로부터 생물공정을 통한 바이오연료 및 바이오소재 생산 공정의 성공적 산업화를 위해서는 효율적이고 경제적인 바이오매스 분해 미생물과 효소 개발이 필수적이다. 네 번째 장에서는 이러한 바이오매스 분해를 수행하는 미생물과 당화를 위한 바이오매스 분해 효소들의 정보를 목록으로 요약하였다. 수 천년 동안 농작물과 산림의 바이오매스는 동물뿐만 아니라 인간에게도 식량을 제공해 왔다. 최근에는 목질계 바이오매스는 건축 자재의 원료로 사용되기도 하고 천이나 종이 제조용 섬유로 사용되기도 한다. 농업 및 산림 바이오매스를 수확하면 1차 잔류물이 들판이나 산림에 남게 된다. 2차 잔류물은 식품, 섬유 및 기타 산업 가공 및 동물 생산에서도 발생되고 있으며, 3차 잔류물로 분류될 수 있는 철거용 목재, 하수 슬러지, 사용된 커피찌꺼기 등의 폐기물들도 공정의 마지막에 발생되는 부산물이다. 이들 모두는 재생 에너지, 바이오 연료 및 부가가치 화학 물질 등의 지속 가능한 공급원료로 사용될 수 있다. 이와 같은 다양한 바이오매스의 활용은 온실가스 집약적 연료에서 저탄소 미래로의 전환에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 본 연구논문은 화석연료를 대체하기 위한 바이오매스 활용의 효율성을 높이고 온실가스 발생을 감소시키며 새로운 바이오 소재 개발을 통하여 생산원가를 낮추는 것을 목적으로 한다.
Lignocellulosic biomass has recently gained importance as an alternative energy source to combat the negative effects of climate change on food and energy security [1]. Biomass may be regarded as an indirect source of solar energy collected by plants during photosynthesis. Plants capture and convert...
Lignocellulosic biomass has recently gained importance as an alternative energy source to combat the negative effects of climate change on food and energy security [1]. Biomass may be regarded as an indirect source of solar energy collected by plants during photosynthesis. Plants capture and convert solar energy into biomass material, 75% of which includes carbohydrates, mainly in the form of cellulose and hemicelluloses. The remainder of the plant biomass is composed of lignin [1]. Cellulose is the most abundant organic compounds on Earth. Cellulose is a crystalline polymer consisting of β-1,4-glycosidic bonds with the general formula of (C6H10O5)n. Hydrogen bonds formed between the hydroxyl groups of glucose and the oxygen molecules in cellulose help create microfibrils connected in a carbohydrate matrix, and thereby confer rigidity and strength to the thightly-bound parallel cellulose chain. Hemicellulose is the second most abundant hetero-carbohydrate, with varying degrees of branching. Hemicelulose has a lower molecular mass than cellulose, and is chemically and structurally closely connected to cellulose and lignin. However, the hemicellulose structure mainly consists of xylose (pentose) with hexoses (d-glucose, d-mannose, d-galactose) and sugar acids, and is thereby different from that of cellulose in terms of the type and amount of monosaccharides [2]. Lignin is the second most abundant polymer on Earth, and also the main constituent of lignocellulosic biomass. The structure of lignin features an aromatic heteropolymer matrix that is formed by the random polymerization of three phenyl propane monomers: p-coumaryl alcohol (featuring p-hydroxyphenyl, H unit), coniferyl alcohol (guaiacyl, G unit) and sinapyl alcohol (syringyl, S unit). These lignin precursors can be acylated, and may exist in different ratios depending on plant species. Thus, strategic technological innovation for the utilization of lignocellulosic biomass is vital for mitigating climate change [2]. The term “the lignocellulosic biomass” covers a wide range of organic materials that obtained from plants or animals (e.g., lignocellulosic fibers in animal manure). This biomass can be collected and converted into value-added chemicals or bioenergy[3]. Lignocellulosic biomass examples include agricultural, forestry and wood processing residues, industrial residues such as pulp and paper waste, and biodegradable municipal wastes such as waste coffee beans [3-6]. All such materials can be used as feedstock. Waste biomass is also a key renewable resource or sustainable energy production for electricity, heating and transportation purpose [4]. Thus, this alternative energy resource can play a major role in the transition from greenhouse gas-intensive fuels toward a more sustainable and low-carbon future. As many industrial processes currently consume large amounts of petroleum fuel, replacing petroleum with biofuel produced from lignocellulosic biomass could significantly reduce the amount of generated greenhouse gases (GHG) and other pollutants. To this end, a recent study from the U.S. Department of Energy (DOE) [7] and U.S. Department of Transportation (DOT) [8] indicated that biomass-based biofuel reduces GHG emissions by 40-93% when compared to conventional petroleum fuel. Biomass waste is often challenging to be disposed of innovative solutions and optimization schemes have been developed to reduce, reuse, and recycle biomass waste, in addition to taking factors such as scalability and commercial translatability into account. On the other hand, the potential of biomass waste in practical solutions has also gained substantial attention recently within context of sustainable management. These materials constitute an under exploited source for the building block of white chemistry, and the recovery of natural compounds. The value of biomass byproducts is also associated with their component, including dietary fibers and several bioactive molecules that can be capitalized in the food, pharmaceutical, cosmetics and nutraceutical industries [4]. Indeed, one of the major commercial chemicals extracted and purified from biomass is a third generation biosugar. The aim of this study is thus not only to explore solutions for the bioconversion of waste biomass to bioenergy and bioproducts but also to present the commercial potential of processes based on a biotechnological strategy using cellulosic biosugars from different biomass resources, with focus on scale-up, the process commercialization and potential applications (Fig. 1). This thesis work is divided into three main chapters. Chapter I provides an analysis of hydrolysis of xylem of woody plants, with an emphasis on the rapid saccharification of various softwood for economical enzymatic bioconversion. Chapter II provides an illustration of an integrated bioethanol and biosugars produciton process using waste coffee residues as a bioresource. Finally, chapter III, provides an overview of sustainable biorefineries and products from coffee waste. In general, woody biomass is regarded to be less economically feasible than agricultural biomass resources or food waste materials for industrial biotechnology and bioenergy production owing to the difficulties in degradation associated with the structural and chemical properties of plant cell walls [1]. However, woody biomass is still a major renewable biomass source owing to its high cellulose content and abundance in nature. Sustainable biomass supply is a key factor for a bio-based economy [3]. To this end, various pretreatment methods are being evaluated to reduce the production cost of biofuels and value-added chemicals from wood biomass [9-13]. First chapter describes that how hydrogen peroxide-acetic acid (HPAC) pretreatment helped degrade lignin, reduced structural recalcitrance in softwood and increased the saccharificaiton rate of the woody biomass from 61.42% to 91.94% in 36 h. Using organic waste from industrial processes (e.g., coffee ground residues) and residues from the pulp and paper industry minimizes the risks associated with resource availability due to change in land usage for agricultural production, and thereby ensures high levels of greenhouse gas reduction [14]. In addition, the cost of industrial organic waste feedstocks is typically low. Therefore, my research efforts focused on valorizing coffee industry residues within the circular economy paradigm and on reducing the tonnage sent to landfills by exploiting the coffee residue biomass as a potential feedstock. My study on integrated bioprocess development using spent coffee grounds (SCG) illustrates not only the elimination of a significant amount of organic waste from the environment but also its conversion into useful biofuel and value added bio-products that are widely used in food and healthcare industries. The conventional, emerging and innovative bioconversion technologies using coffee waste are discussed in chapter III, in addition to the basics of oligosaccharide sugars recovery strategy, and the conceptualization of a waste coffee biorefinery. Moreover, a potential business model based on the biotechnological utilization of different coffee waste byproducts is presented in this section emphasizing process commercialization and potential applications. In chapter IV, microorganisms that perform biomass degradaiton, and the cloning biomass degrading enzymes for saccarificaiton are summarized. For thousands for years, agricultural crops and the woody biomass of forest have provided food for humans as well as animals [3, 4]. Recently, they have also been used as sources of construction materials, and cellulosic fibers for cloth or paper production. Harvesting of food and forests results in primary residues being left in the field or forest. Secondary residues also arise from food, fiber and other industrial processing as well as animal production. Further waste materials also arise following the use of the main product, such as demolition timber, sewage sludge, and spent coffee residues, which can be classified as tertiary residues [3, 5]. All of these can be used as biomass feedstock and may represent key sources of renewable energy and for the sustainable production of biofuels and value-added chemicals. Tertiary residues as alternative energy resources also play a major role in the transition from greenhouse gas-intensive fuels toward a more sustainable, low-carbon future. This research thesis aims to improve the efficiency of biomass utilization to replace of fossil fuels, decrease greenhouse gas generation and lower production costs.
Lignocellulosic biomass has recently gained importance as an alternative energy source to combat the negative effects of climate change on food and energy security [1]. Biomass may be regarded as an indirect source of solar energy collected by plants during photosynthesis. Plants capture and convert solar energy into biomass material, 75% of which includes carbohydrates, mainly in the form of cellulose and hemicelluloses. The remainder of the plant biomass is composed of lignin [1]. Cellulose is the most abundant organic compounds on Earth. Cellulose is a crystalline polymer consisting of β-1,4-glycosidic bonds with the general formula of (C6H10O5)n. Hydrogen bonds formed between the hydroxyl groups of glucose and the oxygen molecules in cellulose help create microfibrils connected in a carbohydrate matrix, and thereby confer rigidity and strength to the thightly-bound parallel cellulose chain. Hemicellulose is the second most abundant hetero-carbohydrate, with varying degrees of branching. Hemicelulose has a lower molecular mass than cellulose, and is chemically and structurally closely connected to cellulose and lignin. However, the hemicellulose structure mainly consists of xylose (pentose) with hexoses (d-glucose, d-mannose, d-galactose) and sugar acids, and is thereby different from that of cellulose in terms of the type and amount of monosaccharides [2]. Lignin is the second most abundant polymer on Earth, and also the main constituent of lignocellulosic biomass. The structure of lignin features an aromatic heteropolymer matrix that is formed by the random polymerization of three phenyl propane monomers: p-coumaryl alcohol (featuring p-hydroxyphenyl, H unit), coniferyl alcohol (guaiacyl, G unit) and sinapyl alcohol (syringyl, S unit). These lignin precursors can be acylated, and may exist in different ratios depending on plant species. Thus, strategic technological innovation for the utilization of lignocellulosic biomass is vital for mitigating climate change [2]. The term “the lignocellulosic biomass” covers a wide range of organic materials that obtained from plants or animals (e.g., lignocellulosic fibers in animal manure). This biomass can be collected and converted into value-added chemicals or bioenergy[3]. Lignocellulosic biomass examples include agricultural, forestry and wood processing residues, industrial residues such as pulp and paper waste, and biodegradable municipal wastes such as waste coffee beans [3-6]. All such materials can be used as feedstock. Waste biomass is also a key renewable resource or sustainable energy production for electricity, heating and transportation purpose [4]. Thus, this alternative energy resource can play a major role in the transition from greenhouse gas-intensive fuels toward a more sustainable and low-carbon future. As many industrial processes currently consume large amounts of petroleum fuel, replacing petroleum with biofuel produced from lignocellulosic biomass could significantly reduce the amount of generated greenhouse gases (GHG) and other pollutants. To this end, a recent study from the U.S. Department of Energy (DOE) [7] and U.S. Department of Transportation (DOT) [8] indicated that biomass-based biofuel reduces GHG emissions by 40-93% when compared to conventional petroleum fuel. Biomass waste is often challenging to be disposed of innovative solutions and optimization schemes have been developed to reduce, reuse, and recycle biomass waste, in addition to taking factors such as scalability and commercial translatability into account. On the other hand, the potential of biomass waste in practical solutions has also gained substantial attention recently within context of sustainable management. These materials constitute an under exploited source for the building block of white chemistry, and the recovery of natural compounds. The value of biomass byproducts is also associated with their component, including dietary fibers and several bioactive molecules that can be capitalized in the food, pharmaceutical, cosmetics and nutraceutical industries [4]. Indeed, one of the major commercial chemicals extracted and purified from biomass is a third generation biosugar. The aim of this study is thus not only to explore solutions for the bioconversion of waste biomass to bioenergy and bioproducts but also to present the commercial potential of processes based on a biotechnological strategy using cellulosic biosugars from different biomass resources, with focus on scale-up, the process commercialization and potential applications (Fig. 1). This thesis work is divided into three main chapters. Chapter I provides an analysis of hydrolysis of xylem of woody plants, with an emphasis on the rapid saccharification of various softwood for economical enzymatic bioconversion. Chapter II provides an illustration of an integrated bioethanol and biosugars produciton process using waste coffee residues as a bioresource. Finally, chapter III, provides an overview of sustainable biorefineries and products from coffee waste. In general, woody biomass is regarded to be less economically feasible than agricultural biomass resources or food waste materials for industrial biotechnology and bioenergy production owing to the difficulties in degradation associated with the structural and chemical properties of plant cell walls [1]. However, woody biomass is still a major renewable biomass source owing to its high cellulose content and abundance in nature. Sustainable biomass supply is a key factor for a bio-based economy [3]. To this end, various pretreatment methods are being evaluated to reduce the production cost of biofuels and value-added chemicals from wood biomass [9-13]. First chapter describes that how hydrogen peroxide-acetic acid (HPAC) pretreatment helped degrade lignin, reduced structural recalcitrance in softwood and increased the saccharificaiton rate of the woody biomass from 61.42% to 91.94% in 36 h. Using organic waste from industrial processes (e.g., coffee ground residues) and residues from the pulp and paper industry minimizes the risks associated with resource availability due to change in land usage for agricultural production, and thereby ensures high levels of greenhouse gas reduction [14]. In addition, the cost of industrial organic waste feedstocks is typically low. Therefore, my research efforts focused on valorizing coffee industry residues within the circular economy paradigm and on reducing the tonnage sent to landfills by exploiting the coffee residue biomass as a potential feedstock. My study on integrated bioprocess development using spent coffee grounds (SCG) illustrates not only the elimination of a significant amount of organic waste from the environment but also its conversion into useful biofuel and value added bio-products that are widely used in food and healthcare industries. The conventional, emerging and innovative bioconversion technologies using coffee waste are discussed in chapter III, in addition to the basics of oligosaccharide sugars recovery strategy, and the conceptualization of a waste coffee biorefinery. Moreover, a potential business model based on the biotechnological utilization of different coffee waste byproducts is presented in this section emphasizing process commercialization and potential applications. In chapter IV, microorganisms that perform biomass degradaiton, and the cloning biomass degrading enzymes for saccarificaiton are summarized. For thousands for years, agricultural crops and the woody biomass of forest have provided food for humans as well as animals [3, 4]. Recently, they have also been used as sources of construction materials, and cellulosic fibers for cloth or paper production. Harvesting of food and forests results in primary residues being left in the field or forest. Secondary residues also arise from food, fiber and other industrial processing as well as animal production. Further waste materials also arise following the use of the main product, such as demolition timber, sewage sludge, and spent coffee residues, which can be classified as tertiary residues [3, 5]. All of these can be used as biomass feedstock and may represent key sources of renewable energy and for the sustainable production of biofuels and value-added chemicals. Tertiary residues as alternative energy resources also play a major role in the transition from greenhouse gas-intensive fuels toward a more sustainable, low-carbon future. This research thesis aims to improve the efficiency of biomass utilization to replace of fossil fuels, decrease greenhouse gas generation and lower production costs.
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