Biocatalytic utilization of lignin for increased biogas production in a biorefinery setting

I prosjektet BioLiGas var hovedmålet å produsere biogass fra lignin-rik biomasse ved å bruke enzymer og mikrobielle samfunn. Prosjektet ble ledet av NMBU med NIBIO og RISE-PFI som partnere, og NREL i USA som internasjonal partner. En viktig del av prosjektet var å utvikle en analyseplatform for å karakterisere lignin. Denne ble etablert på Ås campus med utstyr som NMR, pyrolyse-GC-MS og simultaneous thermal analyzer (STA) koblet til FTIR, og er unik i norsk sammenheng. I denne delen av prosjektet utførte også Ida Synnøve Aarum sin dr. grad med tittelen «Structural characterization of lignin and some side-products from steam exploded woody biomass». Råstoffene det ble jobbet med var hovedsakelig gran og bjørk, og for å forbedre enzymatisk hydrolyse og biogassproduksjon ble en rekke ulike forbehandlinger benyttet, inkludert dampeksplosjon, lav temperatur sulfonering og varmt vann ekstraksjon. Blant de mest åpenbare effektene var de-lignifisering og modifisering av ligninstruktur med lav temperatur sulfonering, mens dampeksplosjon og varmt vann ekstraksjon påvirket ligninstruktur uten de-lignifisering. Effekten av forbehandling på enzymatisk hydrolyse ble undersøkt ved å benytte en kommersiell cellulaseblanding. Forbehandling med lav temperatur sulfonering førte til det høyeste sukkerutbyttet, trolig pga økt enzymatisk tilgang fordi deler av ligninen ble fjernet. Den mulige rollen til oksidative enzymer i anaerob nedbrytning av lignin-rikt materiale ble også undersøkt. Ligninrike fraksjoner fra bjørk (73 % lignin) ble brukt for å teste den mulige rollen til peroksidsaer og laccaser på biogassutbytte. Lignin-substrat og mangan-peroksidase ble tilført batch-reaktorer som inneholdt metanproduserende bakterier, med tilførsel av hydrogenperoksid for å aktivere enzymet. Peroksidasene førte ikke til noen økning av biogassproduksjon. Men under førsøkene ble det observert en catalase-lignende aktivitet i den mikrobielle kulturen, som trolig brukte den tilførte hydrogenperoksiden. En behandling av den ligninrike fraksjoner fra bjørk med laccase før anaerob nedbrytning ble også undersøkt. Etter inkubering i en biogassreaktor i 30 dager kunne man ikke se noen økning i biogassproduksjonen. Den tredje typen oksidative enzymer vi testet var lytiske polysakkarid monooksygenaser (LPMO) som også aktiveres av hydrogenperoksid. Her ble det observert LPMO aktivitet i biogassreaktorene, og i noen tilfeller en raskere biogassprosess. Disse enzymene har potensiale til å gjøre biogassprosesser mer effektive, men her trengs det mer forskning. Biogassforsøk ble utført både i batch-flakser og i kontinuerlige reaktorsystemer (CSTR). Generelt ble alt av karbohydrater i lignin-rike substrater konvertert til biogass, men også noe av ligninet ble utnyttet. Særlig pseudo-lignin, benzyleter og fenylcoumaran virket å være tilgjengelig for bakteriene i biogassreaktorene. Men store deler av lignin var ikke nedbrytbart i biogassreaktorer, og spesielt forbehandling med høy temperatur synes ugunstig ved at det leder til mer kondensert og utilgjengelig lignin for enzymer og mikrober. Prosjektet har vært et viktig første steg for å etablere forskning på lignin på Ås Campus. Det har også vært svært viktig for kontinuitet og forsterkning av biogassmiljøet på Ås Campus. Det bør også nevnes at NorBioLab infrastruktur har vært helt sentral for å gjennomføre prosjektet.

Prosjektet har styrket Ås campus som et kompetanseområdet innen biogass i Norge. Det har også etablert ligninforskning som et nytt tema på Ås campus. NMBU har nå utdannet sin første PhD student innen temaet lignin, og nye vitenskapelige artikler er publisert. Dette gjør NMBU og forskningspartnerne mer attraktive for fremtidige prosjekter som involverer foredling av lignin, et tema som blir stadig viktigere innen bioøkonomien. Prosjektet har også etablert samarbeid med et internasjonalt ledende miljø innen ligninforskning i USA. Kompetansen bygd opp i dette prosjektet vil være nyttig for biogassprodusenter i Norge og for en bedrift som Borregaard hvor prosessering av lignin er helt sentralt. Resultatene fra prosjektet bidrar til kunnskapsbasen som kreves for å bygge opp en bioøkonomi i Norge.

Lignocellulosic biomass is the only renewable resource that can substitute fossil resources at a large scale. So far the main focus has been to use the carbohydrate fraction of this biomass for production of fuels, chemicals and feed, while the lignin-part has been considered a waste-product. In this project we aim at using lignin-rich biomass for the production of biogas which can be used as a fossil fuel substitute. Biogas is produced from organic materials by a mixed microbial community during an anaerobic digestion process. Lignin is generally thought to be difficult to degrade to biogas, but up to now, studies on this topic is rare. The main topics of this project will be to: 1) establish an analytical platform for lignin characterization, 2) investigate and optimize different pretreament and fractionation methods to maximize biogas production from lignin, 3) apply enzymes to to saccharify the carbohydrate fraction of lignocellulose to create a sugar stream, while optimizing anaerobic digestability of the remaining lignin-rich residue, and 4) Apply oxidative enzymes to increase digestibility of lignin-rich fractions and increase the biogas yield. Additionally, the project will generate generic knowledge on biorefining and biofuel production, with particular focus on lignin processing and lignin valorization. The project is lead by the Norwegian University of Life Sciences (NMBU) and is conducted in close collaboration with Paper and Fibre Research Institute (PFI), Norwegian Forest and Landscape Institute (SoL) and National Renewable Energy Laboratory (NREL) in USA. The project will be aligned with several ongoing projects.