Upgrading the Hemicellulosic Fraction of Biomass into Biofuel Valorisation de la fraction hémicellulosique de la biomasse en biocarburants

Abstract

Hemicelluloses are polymers composed mainly of C5 sugars (pentosans) . They constitute a significant part of lignocellulosic biomass (LCB), as they can be up to 30% of the total mass. The upgrading of the hemicellulosic components is thus a prerequisite for profitable biofuel production from LCB. When LCB undergoes acid pretreatment, the hemicellulose-derived fraction is mainly composed of monomeric pentoses (xylose, arabinose) and oligomeric pentoses both resulting from the thermo-chemical hydrolysis. The hemicellulosic fraction is not fermentable into ethanol by wild type strains of Saccharomyces cerevisiae. Over the past 20 years, several groups have worked to genetically modify this yeast in order to render it capable offermenting pentose constituents. These efforts were met with varying degrees of success, especially in the case of industrial substrates. In this paper, we describe two other possible ways of using the hemicellulosic fraction, each of which may contribute to the economic viability of biofuel production from LCB. The first one is its use as a carbon substrate for the production of cellulases by Trichoderma reesei, since cellulases are needed for the enzymatic hydrolysis of cellulose. The second is the AcetoneButanol-Ethanol (ABE) fermentation using anaerobic bacteria of the genus Clostridium. The produced ABE mixture has very interesting fuel properties and can be directly blended with gasoline. Les hémicelluloses sont des polymères composés principalement de sucres en C5 (pentosanes). Elles constituent une part importante de la biomasse lignocellulosique (BLC), puisqu’elles représentent jusqu’à 30 % de la masse totale. La valorisation des constituants hémicellulosiques est donc un prérequis pour la profitabilité de la production de biocarburants à partir de BLC. Lorsque l’on applique un prétraitement acide à la BLC, la fraction hémicellulosique résultante est principalement composée de pentoses monomériques (xylose, arabinose) et de pentoses oligomériques issus de l’hydrolyse thermochimique de l’hémicellulose native. Cette fraction hémicellulosique n’est pas fermentescible en éthanol par les souches sauvages de Saccharomyces cerevisiae. Pendant plus de 20 ans, plusieurs groupes de recherche ont travaillé sur la modification de cette levure avec des succès variables en particulier pour les substrats industriels. Dans cet article, nous décrivons deux autres voies possibles pour l’utilisation de la fraction hémicellulosique et qui peuvent contribuer à la viabilité économique du procédé. La première est son utilisation en tant que source de carbone pour la production de cellulases par Trichoderma reesei, les cellulases étant nécessaires pour l’hydrolyse enzymatique de la cellulose. La seconde est la fermentation Acétone-Butanol-Ethanol (ABE) qui met en œuvre des bactéries anaérobies du genre Clostridium. Le mélange ABE produit présente des propriétés de carburant intéressantes et il peut être incorporé directement à l’essence.