Production of ferulic acid, 2,3 Butanediole and microbial plant biostimulants from lignocellulosic biomass by a two-step cascading process

Hovedmålet med DEBUT-prosjektet var å utvikle en liten skala bioraffineringsprosess ved hjelp av nye plantebiostimulanter, som ble utført av rumenske partnere i det norsk-rumenske ERA-NET-konsortiet. Bioraffineriprosessen produserer allsidige kjemikalier med anvendelse i den kjemiske industrien samt helse- og velværemarkedet. Naturlige dype eutektiske løsemidler (NADES) er en ny gruppe forbindelser som brukes i bioraffineringsprosessen. Etalin og glyselin er to av disse NADES som er evaluert. I tillegg er ferulinsyre som finnes i plantecellevegger et høyt verdifullt kjemikalie, et antioksidant som brukes i hudpleieprodukter for å redusere tegn på aldring. NIVAs rolle i dette prosjektet var å gjennomføre en serie økotoksikologiske risikovurderinger av kjemiske blandinger produsert fra bioraffineringsprosessen (NADES, ferulinsyre og kombinert blanding). De kjemiske risikovurderingen inkluderte en serie akutte og kroniske bioanalyser i marine og ferskvannsorganismer. Bioassayene som ble brukt representerte flere arter fra forskjellige trofiske grupper, inkludert alger, krepsdyr og fisk. Totalt sett var etalin mer giftig for vannlevende organismer enn glyselin, uten noen åpenbar forskjell mellom marine og ferskvannsarter. Den mest følsomme responsen ble observert i den marine copepoden Tisbe battagliai med LC50-konsentrasjoner (konsentrasjon som forårsaket dødelighet i 50% av befolkningen) på henholdsvis 0,025 og 0,033% av den opprinnelige konsentrasjonen for ethalin og glyselin. Dette tilsvarer en tilnærmet 4000 ganger og 3000 ganger fortynning av henholdsvis de opprinnelige etalin- og glyselin-løsningene. Resultatene av toksisitetsvurderingen for ferulinsyre viste at av de testede organismer var marine arter omtrent fem ganger mer følsomme enn ferskvannsartene. De mest følsomme responsene ble observert i marine alger Skeletonema pseudocostatum og marine copepod T. battagliai med EC / LC50 konsentrasjoner på 105 og 111 mg / L. Derimot var Daphnia den mest følsomme ferskvannsarten med en LC50 på 563 mg / L. Undersøkelser for å bestemme genotoksisiteten til disse NADES for et utvalg vannlevende organismer har blitt forsøkt ved bruk av kometanalysen. Kometanalysen, som gir et mål på DNA-skade i plante- og dyreceller, blir utviklet for bruk i ferskvannskrepsdyret Daphnia sp. og i encellede alger. Utfordringene i optimaliseringen av analysen er overvunnet. Disse involverer for eksempel optimalisering av prosedyrer for nedbrytning av cellulære membraner av marine og ferskvannsalger, samt å sikre tilstrekkelig Daphnia-biomasse er tilgjengelig for å utføre den gentoksiske vurderingen. Genotoksisiteten til NADES og ferulinsyre som produkter fra bioraffineringsprosessen vil bli laget i den siste delen av prosjektet. Dette vil gi viktig informasjon om kjemikalienes dødelige effekter, som vil bli brukt til å forbedre miljørisikovurderingen i ferskvann og havvann.

At least one scientific publication will be submitted from this project

DEBUT is an international project aimed at developing a small biorefinery process, with two steps: 1) biomass pre-treatment with natural deep eutectic solvents (NADES) and feruloyl-esterase (FAE); and 2) one pot production of a versatile chemical, 2,3 butanediol (2,3-BD), from NADES-FAE pre-treated lignocellulose biomass, by simultaneous saccarification and fermentation (SSF), performed by a plant biostimulant microbial consortia. The main biochemicals resulting from the biorefinery process are ferulic acid and 2,3-BD. Ferulic acids address mainly health and wellness related industries, whilst 2,3-BD is a versatile chemical, with a fast-growing market. The proposed biorefinery process produces also agricultural inputs such as lignin, minerals and microbial plant biostimulants. The novelty of the project is related to the use of a plant biostimulants microbial consortium for simultaneous saccarification and fermentation of lignocellulose, and to the generation of in-situ secondary DES from the ferulic acid (as HBD) and either components of the initial DES or other components (as HBA) which would provide easier separation of the extracted FA from lignocellulose and impurities. For compliance with European safety regulations selected NADES, leachates from test sites and ferulic acid extracts will be evaluated for their potential adverse effects by a battery of state-of-the art techniques, to ensure that they do not affect natural ecosystem productivity.