Phát triển hợp tác vi sinh vật cho tiền xử lý sinh học nguyên liệu lignocellulosic

Nghiên cứu phát triển tập hợp vi sinh vật cho tiền xử lý sinh học nguyên liệu lignocellulosic, mở ra hướng đi mới trong công nghệ sinh học.

• Tác giả: Vu Ngoc Ha Vi
• Người hướng dẫn: Prof. Livia Simon-Sarkadi
• Trường học: Hungarian University of Agriculture and Life Sciences
• Chuyên ngành: Food Science
• Đề tài: Phát triển hợp tác vi sinh vật cho tiền xử lý sinh học nguyên liệu lignocellulosic
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Budapest

Mục lục chi tiết

• INTRODUCTION AND OUTLINE
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION AND OUTLINE
• 1.1. Introduction
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Hemicellulose
• 2.2. Pretreatment of lignocellulosic biomass
• 2.2.1. Physical pretreatment
• 2.2.2. Chemical pretreatment
• 2.2.3. Physicochemical pretreatment
• 2.2.4. Biological pretreatment
• 2.3. Ethanol production
• 2.4. Saccharification
• 2.5. Materials and methods
• 3. CHƯƠNG 3: MICROBIAL CONSORTIUM AND PRETREATMENT
• 3.1. Lignocellulose substrate
• 3.2. Microbial consortium
• 3.3. Effect of bacteria, yeast and their consortia on the pretreatment of lignocellulose
• 3.4. Optimization of microbial pretreatment
• 3.5. Effect of culture medium and pH
• 3.6. Effect of cultivation method
• 3.7. Effect of quality of lignocellulosic biomasses
• 3.8. Analytical methods
• 3.9. Determination of degradation rate
• 3.10. Statistical analysis
• 4. CHƯƠNG 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. Bacterial pretreatment of wheat bran
• 4.1.1. Ligninolytic bacteria
• 4.1.2. Construction of mixed cultures of cellulolytic and ligninolytic strains
• 4.2. Fungal pretreatment of lignocellulosic biomass
• 4.2.1. Utilization of yeast as supplement
• 4.2.2. Optimization of operating parameters
• 4.2.3. Effect of culture medium and pH
• 4.2.4. Effect of liquid:solid ratio
• 4.2.5. Effect of cultivation method
• 4.3. Development of effective microbial consortia
• 4.3.1. Performance of newly developed microbial consortia
• 4.3.2. Application of newly developed microbial consortia
• 4.3.3. Optimization of saccharification process
• 4.4. Saccharification of pretreated wheat bran using mono- and co-cultures
• 4.5. Ethanol fermentation of biologically pretreated wheat bran
• Abbreviations
• List of figures
• List of tables

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tiền Xử Lý Sinh Học Lignocellulosic 50 60 Ký tự

Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng đáng kể trong những thập kỷ tới. Nguồn nhiên liệu hóa thạch không thể đáp ứng nhu cầu này một cách bền vững. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng quan trọng. Nguyên liệu lignocellulosic, bao gồm bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, và các loại sinh khối nông nghiệp khác, nổi lên như một giải pháp tiềm năng. Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp của lignocellulose gây khó khăn cho quá trình chuyển đổi sinh học. Tiền xử lý sinh học bằng hợp tác vi sinh vật là một phương pháp hứa hẹn để phá vỡ cấu trúc này, tạo điều kiện cho quá trình sản xuất ethanol sinh học và biogas hiệu quả hơn. Phương pháp này được đánh giá cao vì tính thân thiện với môi trường và tiềm năng giảm chi phí năng lượng.

1.1. Thành phần và cấu trúc phức tạp của Lignocellulosic

Cấu trúc phức tạp của nguyên liệu lignocellulosic bao gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin. Lignin tạo thành một lớp vỏ bảo vệ xung quanh cellulose và hemicellulose, cản trở sự tiếp cận của enzyme. Các liên kết hóa học chặt chẽ giữa các thành phần này cũng góp phần làm cho quá trình phân hủy sinh học trở nên khó khăn. Để tăng khả năng tiếp cận cellulose, cần có các phương pháp tiền xử lý hiệu quả.

1.2. Tại sao Tiền xử lý sinh học quan trọng cho Lignocellulosic

Tiền xử lý sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả chuyển đổi lignocellulose. Quá trình này giúp phá vỡ cấu trúc phức tạp, loại bỏ lignin, và giảm độ kết tinh của cellulose, từ đó tăng khả năng tiêu hóa sinh học của nguyên liệu. Hợp tác vi sinh vật trong tiền xử lý sinh học mang lại lợi thế về tính đặc hiệu, chi phí thấp và giảm thiểu tác động đến môi trường.

II. Thách Thức và Vấn Đề Tiền Xử Lý Sinh Học Lignocellulosic

Mặc dù có nhiều ưu điểm, tiền xử lý sinh học nguyên liệu lignocellulosic vẫn đối mặt với một số thách thức. Tốc độ phân hủy tương đối chậm so với các phương pháp khác như tiền xử lý hóa học hoặc vật lý. Điều này đòi hỏi thời gian ủ dài hơn và có thể làm tăng chi phí sản xuất. Ngoài ra, việc lựa chọn và tối ưu hóa hợp tác vi sinh vật phù hợp cho từng loại nguyên liệu cụ thể là một vấn đề phức tạp. Cần có nghiên cứu sâu rộng về phân tích vi sinh vật và tương tác giữa các loài để đạt được hiệu quả tối ưu.Theo tài liệu gốc, việc tìm kiếm các enzyme đặc hiệu có hoạt tính cao là vô cùng quan trọng

2.1. Hạn chế về Tốc độ phân hủy trong Tiền xử lý sinh học

Tốc độ phân hủy chậm là một trong những hạn chế chính của tiền xử lý sinh học. Các vi sinh vật phân giải lignin và vi sinh vật phân giải cellulose thường hoạt động chậm hơn so với các tác nhân hóa học hoặc vật lý. Điều này có thể kéo dài thời gian xử lý và làm tăng chi phí vận hành. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện tốc độ phân hủy bằng cách tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và sử dụng hợp tác vi sinh vật mạnh mẽ hơn.

2.2. Tối ưu hóa Quá trình Lựa chọn Hợp tác vi sinh vật phù hợp

Việc lựa chọn hợp tác vi sinh vật phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được hiệu quả cao trong tiền xử lý sinh học. Các loài vi sinh vật khác nhau có khả năng phân hủy các thành phần lignocellulose khác nhau. Việc kết hợp các loài có hoạt tính bổ trợ lẫn nhau có thể tạo ra hiệu ứng hiệp đồng, giúp tăng cường khả năng phân hủy tổng thể. Cần thực hiện phân tích metagenomic để xác định các vi sinh vật bản địa tiềm năng và xây dựng hợp tác vi sinh vật tối ưu.

III. Cách Phát Triển Hợp Tác Vi Sinh Vật Tiền Xử Lý Hiệu Quả

Phát triển hợp tác vi sinh vật hiệu quả đòi hỏi một quy trình có hệ thống, bắt đầu bằng việc thu thập và phân lập các vi sinh vật phân giải lignin và vi sinh vật phân giải cellulose từ các nguồn tự nhiên. Sau đó, cần thực hiện các thí nghiệm để đánh giá khả năng phân hủy và tương tác giữa các loài. Các kỹ thuật phân tích vi sinh vật, bao gồm PCR và giải trình tự gen, có thể được sử dụng để xác định và mô tả đặc điểm của các vi sinh vật tiềm năng. Cuối cùng, cần tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy để đảm bảo hợp tác vi sinh vật hoạt động hiệu quả trong quá trình lên men.

3.1. Phân lập Vi sinh vật Nấm phân hủy gỗ và Vi khuẩn phân hủy Cellulose

Quá trình phân lập vi sinh vật bắt đầu bằng việc thu thập mẫu từ các môi trường tự nhiên giàu lignocellulose, chẳng hạn như đất, gỗ mục hoặc chất thải nông nghiệp. Các mẫu được nuôi cấy trên môi trường chọn lọc để khuyến khích sự phát triển của các nấm phân hủy gỗ và vi khuẩn phân hủy cellulose. Các chủng phân lập được kiểm tra khả năng phân hủy lignin và cellulose bằng các phương pháp hóa học và sinh học. Theo tài liệu gốc của Vu Ngoc Ha, sử dụng các vi sinh vật bản địa mang lại hiệu quả cao và bền vững.

3.2. Đánh giá Khả năng Phân hủy và Tương tác giữa Vi sinh vật

Sau khi phân lập, các vi sinh vật được đánh giá về khả năng phân hủy lignocellulose bằng các xét nghiệm khác nhau. Các xét nghiệm này bao gồm đo lượng đường khử được tạo ra từ quá trình phân hủy cellulose và hemicellulose, cũng như đo lượng lignin bị loại bỏ. Tương tác giữa các vi sinh vật cũng được nghiên cứu để xác định các cặp hoặc nhóm có hiệu ứng hiệp đồng. Phân tích enzyme lignocellulase đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, giúp xác định enzyme có hoạt tính cao.

3.3. Tối ưu hóa Điều kiện Nuôi cấy để Tăng Hiệu quả

Để đảm bảo hợp tác vi sinh vật hoạt động hiệu quả, điều kiện nuôi cấy cần được tối ưu hóa. Các yếu tố như nhiệt độ, pH, độ ẩm, và thành phần môi trường cần được điều chỉnh để tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và hoạt động của các vi sinh vật. Các kỹ thuật mô hình hóa quá trình có thể được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy.

IV. Enzyme Lignocellulase Chìa Khóa Tiền Xử Lý Sinh Học

Enzyme lignocellulase đóng vai trò trung tâm trong tiền xử lý sinh học nguyên liệu lignocellulosic. Các enzyme này, bao gồm cellulase, xylanase, và lignin peroxidase, có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học trong lignocellulose, giải phóng đường và tạo điều kiện cho quá trình lên men. Hiệu quả của tiền xử lý sinh học phụ thuộc lớn vào hoạt tính và đặc tính của các enzyme lignocellulase. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện sản xuất và hoạt tính của các enzyme này thông qua kỹ thuật di truyền và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy.

4.1. Cellulase và Xylanase Phân giải Cellulose và Hemicellulose

Cellulase và xylanase là hai loại enzyme quan trọng trong quá trình phân hủy cellulose và hemicellulose. Cellulase phá vỡ các liên kết β-1,4-glycosidic trong cellulose, trong khi xylanase phân giải xylan, thành phần chính của hemicellulose. Hoạt động hiệp đồng của hai enzyme này giúp giải phóng đường hiệu quả hơn. Việc cải thiện sản xuất và hoạt tính của cellulase và xylanase là một mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu tiền xử lý sinh học.

4.2. Lignin Peroxidase Phân hủy Lignin hiệu quả

Lignin peroxidase là một enzyme oxy hóa có khả năng phân hủy lignin, một polymer phức tạp cản trở quá trình phân hủy cellulose. Lignin peroxidase sử dụng hydro peroxide (H2O2) để oxy hóa lignin, phá vỡ cấu trúc và làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme khác. Việc phát triển các chủng vi sinh vật có khả năng sản xuất lignin peroxidase hiệu quả là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

4.3. Ứng dụng Enzyme Lignocellulase trong Công nghiệp

Enzyme lignocellulase có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, bao gồm sản xuất ethanol sinh học, biogas, và các sản phẩm sinh học khác. Chúng cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp giấy và dệt may để cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu tiếp tục tập trung vào việc mở rộng ứng dụng của enzyme lignocellulase trong các lĩnh vực khác nhau.

V. Ứng Dụng Tiền Xử Lý Sinh Học Lignocellulosic trong Thực Tế

Tiền xử lý sinh học bằng hợp tác vi sinh vật đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sản xuất ethanol sinh học từ phế thải nông nghiệp. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất ethanol sinh học và giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, tiền xử lý sinh học cũng có thể được sử dụng để sản xuất biogas và các sản phẩm sinh học khác từ nguyên liệu lignocellulosic.

5.1. Sản xuất Ethanol Sinh học từ Phế thải Nông nghiệp

Phế thải nông nghiệp, bao gồm bã mía, rơm rạ, và vỏ trấu, là nguồn nguyên liệu lignocellulosic dồi dào và rẻ tiền. Tiền xử lý sinh học bằng hợp tác vi sinh vật có thể được sử dụng để chuyển đổi các phế thải nông nghiệp này thành đường, sau đó được lên men thành ethanol sinh học. Phương pháp này giúp giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp và sản xuất nhiên liệu tái tạo, đóng góp vào sự bền vững môi trường.

5.2. Sản xuất Biogas từ Nguyên liệu Lignocellulosic

Tiền xử lý sinh học cũng có thể được sử dụng để cải thiện quá trình sản xuất biogas từ nguyên liệu lignocellulosic. Quá trình này giúp phá vỡ cấu trúc phức tạp của lignocellulose, làm cho các chất hữu cơ dễ tiếp cận hơn với các vi sinh vật phân hủy kỵ khí. Biogas là một nguồn năng lượng tái tạo có thể được sử dụng để sản xuất điện, nhiệt hoặc nhiên liệu cho xe cộ. Theo các nghiên cứu, sự hợp tác vi sinh vật sẽ giúp quá trình đạt hiệu quả cao hơn.

5.3. Đánh giá Hiệu quả Kinh tế của Quá trình Tiền Xử Lý Sinh Học

Để đánh giá tính khả thi của tiền xử lý sinh học trong quy mô công nghiệp, cần thực hiện phân tích chi phí. Các yếu tố như chi phí nguyên liệu, chi phí enzyme lignocellulase, chi phí năng lượng, và chi phí vận hành cần được xem xét. So sánh với các phương pháp tiền xử lý khác để xác định tính cạnh tranh của tiền xử lý sinh học.

VI. Tương Lai Phát Triển Hợp Tác Vi Sinh Vật Trong Tiền Xử Lý

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu quả và giảm chi phí của tiền xử lý sinh học bằng cách sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các vi sinh vật có hoạt tính enzyme cao hơn và khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt tốt hơn. Nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc phát triển các quy trình tích hợp, kết hợp tiền xử lý sinh học với các phương pháp khác, chẳng hạn như tiền xử lý hóa học hoặc vật lý, để đạt được hiệu quả tối ưu.

6.1. Kỹ thuật Di truyền Cải thiện Vi sinh vật Phân Hủy

Kỹ thuật di truyền có thể được sử dụng để cải thiện các vi sinh vật có khả năng phân hủy lignocellulose. Bằng cách chuyển gen mã hóa các enzyme lignocellulase có hoạt tính cao hơn vào các vi sinh vật, có thể tạo ra các chủng có khả năng phân hủy lignocellulose hiệu quả hơn. Kỹ thuật di truyền cũng có thể được sử dụng để tăng cường khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt của các vi sinh vật, chẳng hạn như nhiệt độ cao hoặc pH thấp.

6.2. Quy trình Tích hợp Tiền Xử Lý Sinh Học và Phương pháp khác

Các quy trình tích hợp kết hợp tiền xử lý sinh học với các phương pháp khác, chẳng hạn như tiền xử lý hóa học hoặc vật lý, có thể đạt được hiệu quả phân hủy cao hơn so với việc sử dụng một phương pháp duy nhất. Ví dụ, tiền xử lý sinh học có thể được sử dụng để loại bỏ một phần lignin, sau đó tiền xử lý hóa học có thể được sử dụng để phá vỡ các liên kết còn lại. Quy trình tích hợp giúp tận dụng ưu điểm của từng phương pháp và giảm thiểu nhược điểm.

6.3. Tiềm năng Ứng dụng Công nghệ Xanh và Kinh tế Tuần hoàn

Tiền xử lý sinh học bằng hợp tác vi sinh vật đóng góp vào sự phát triển của công nghệ xanh và kinh tế tuần hoàn. Phương pháp này giúp chuyển đổi phế thải nông nghiệp thành các sản phẩm có giá trị, giảm thiểu lượng chất thải và bảo vệ môi trường. Tiền xử lý sinh học cũng có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm sinh học, chẳng hạn như ethanol sinh học và biogas, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

I⁄I/^NIE HUNGARIAN UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND LIFE SCIENCES Development of microbial consortium for biological pretreatment of lignocellulosic raw materials PhD. Thesis Vu Ngoc Ha Vi Budapest 2023 Doctoral School Name: Doctoral School of Food Science Field: Food Science Head: Prof. Livia Simon-Sarkadi D. Department of Nutrition Science Institution of Food Science and Technology Hungarian University of Agriculture and Life Sciences (MATE), Hungary Supervisor: Prof.

Department of Bioengineering and Alcoholic Drink Technology Institution of Food Science and Technology Hungarian University of Agriculture and Life Sciences (MATE), Hungary Prof. Vijai Kumar Gupta Ph. Biorefining and Advanced Materials Research Centre Scotland’s Rural College (SRUC), UK The applicant met the requirement of the regulations of the Hungarian University of Agriculture and Life Sciences and the thesis is accepted for the defense process. Signature of Head of Doctoral School Signature of Supervisors il TABLE OF CONTENT 1.

AND OUTLLIN Eivssicssnaissicsnnuneienisnsinenannsoaanbait tiviwnetowwsnsnadasoubsnnnaisetunaransswsatisn 1 lui: SU ole (CE (Cl) 1 L2. - TCSs ccaisoiczasoziaseinenn onnibivenscininrsinsiiuresaissnneivesiew tensa unnn tis leanne vanrdn ain lvaleidvaieaenansionlewiv 3 LITERATURE RIB VIEW sangtsstooititoagsies4LSSG. 4 Pilele TCE1TUlÖ§ TkzussoanotindoibitiDGEIGHHOIAGGEUOHROEHUSSNEIDSIGBDHIGNIOHRGIAGEAINGMRASESSAHERRiiNM 5 2:12: Hemice lulose ccavssscmemcemmensmanseaten See RIE UE ER 2) DAB. LAGI sznusioiiitpttineilEDiEIDESDSIEBIHEIBEERGEIIERHIEIRHEIREXEPSNSIEABEGEERIIEHSTHEIERGHĐSMESGPBiABBMM 6 2.

Pretreatment of lignocellulosic b1OImasSS.- ---- + 25232 *++E* + £*EEsereereerserrserree 7 22Qle PHYSICA Prewrea tiie t oc cececeemcerennersentnennrnee cermin tener 8 50; Chemica ppnetne altri en basics stesasssiiessnsisscisummntisnanssuision cmwciivansnnsiie tieduoacutinentlenbataaiiatmealanaets 9 22.3» -PHYsiOCheniical Preheat tit sccorcess seeeoeenrerreneayenvevenaennensncemmennnesmmusermmerrenveneneres 11 2.GÉbloetHanolpf6dl6HOi:sssssseeasenriniiesbitaodiiieibitigsbiBEEHUHOR-ISEEL469)023380368 21 SACCHATT EH CATION.-nnninenerssermnnnrannnnnernactinerpinscmnnns sienttaninsaiinwofsspnatoiesnensdnenneieauriirauinanidnrantigeneaneinannee see 21 AlCOHONIC fSFEIfIGIIEOTH ssssssessnerren cues 23958 8R4 140008356156 2Sh3ESE1EĐESGGAESSSS-EELRDHSAIRNGEESRORG-G14E4856051 22 MATERIALS AND METHOIDS. --- --- +21 2S S1 2x TH HT TH TH ng Hư 23 3.1, Lipnocellilose subSHáảÍEssesssssoeoasssrotrdoilstidbilioiigtsltKOREERSEHGEIHIRUĐBIESgSeSufe 23 3/2: - ,MIIGTGBTENHISHHBsswswpueeoiboeiiegoitdgioilotabeSAdS90LRQĐADiGBQOIAriSSLGAigaHgASGERJWANidtaibpszsrjNiOqesy 23 3. Effect of bacteria, yeast and their consortia on the pretreatment of lignocellulose. Fungal biolopical pretreatiientcc css cannnsmnmnsiasienuniovanmantnsievenseitnwsnctneevendsnnawdns 24 3,5, Optimization of microbial pretredtnent ccsmsccmepnasmancmmncmmancmemearmenemn 25 3.

Effect of culture medium and plH.2, Elector iqitid SOG TANG sssc-vesssenscssmsienan menmenretaseamuamreeearenesem recur 25 3. Effect of cultivation method. ‘(Constivction of complex Microbial CONSOLE ssccsseesssonnernennsasnnsnasonnrenrennenxesanevaneavounnans 26 3. Effect of quality of lignocellulosic bioimasses.

Saccharification and fermentation of pretreated biomass: cases study. 26 39, Analytical 116 thodSersccucmmnnmesusscanmupmaa are EERE 27 3.1, Détermination of deoradation tate avvccsccasnnammmnnmnnaraninemanunrmanenns 27 3. Determination of reducing SU Bai iis: cscccvenecetersurnascteeneneesonsvrsesrtannestatavin spassenieerearens 20. EnzZymalicactivity AŠŠ4WŠ‹ssoandotnnasoobDaDDOEEHCEGEDDIHESQGĐIAIGBĐSSSEENGEGINIHHMSSSSAISSEEESXSRHESS 27 3.

Determination of total phenolic €OTIf€TI{. Determination of amino acid COTIẨ€TIE. Determination of bioconversion TAÍ€. - -- -- LG 22222222 221111111 1 1 125225111111 ng xxg 29 3:10.

Statistical analysis sscsensssassensassssssnassanssnsevsnsssaves staavnssannssaseassnnsanp sae oe sensnsenamapeaaceeasssseeats 29 RESULT AND DISCUSSION ses.cnseumscrmnep arama ne aE RT 31 4. Bacterial pretreatment of wheat bran.l„ Cellulolytie Bach cree oscencanaventememmenduacmcnc mime arma: 31 41. Ligninolytic bacteria :sscssssssscsscssmsseruesssenes nares emaecmnmasmeasmeanen naa 43 4. Construction of the mixed cultures of cellulolytic and ligninolytic strains.

_ Fungal pretreatment of lignocellulosic biO1maSsS. Utilization of yeast as supplement hố. Optimization of operating parameters. Effect of culture medium and plH.

Effect of the liquid:solid raf1O. Effect of cultivation methOS. --- 6 + k1 12k TH ngàn HT TH HH 67 4. Development of the effective microbial COTSOTẨ1A.1, PrONnusiiS ap pProde hl yowcrere apie ecssiernanecrernimeennet isi aa 69 4.

Construction of complex microbial COTRSOTẨHA. Performance of newly developed microbial conSOTẨ1a. Application of newly developed microbial €OTSOTẨA. Optimization saccharification process.

Saccharification of pretreated wheat bran using mono- and co-cultures. Ethanol fermentation of biologically pretreated wheat bran. 90 Tu 1521 El IGS SNC © E2 ky sang DtoicsfifeslnrstsftrrsnssatlibreibviesloostoisosbUtonbdi noobsso=biisliiostilvoistttogdtsir 94 il Abbreviations ANOVA Analysis of Variance CFU Colony Forming Units DP Degree of depolymerization of carbohydrates FPU Filter paper unit (Cellulase enzyme activity) GDS Gram per dried substrate HPLC High-Performance Liquid Chromatography Ils Ionic liquids pretreatment OD Optical Density Organosolv pretreatment PC Principal component PCA Principal Component Analysis Refractive index SHF Separate hydrolysis and fermentation SPSS Statistical Analysis Software SSF Simultaneous saccharification and fermentation YEPD Yeast extract peptone dextrose ili List of figures Figure 2.1 Hierarchy of structures of lignocellulosic b1OfSS.-- -- 55s ss + ++x+seeesssss 4 Figure 2.2 Cellulose structure (Terzopoulou et al.3 Hemicellulose structure (Terzopoulou et al.4 Three monomer types in lignin (Duval and Lawoko, 2014).- -----+ss<csxssxsse2 6 Figure 2.6 Different lignocellulose pretreatment approaches (Abraham et al.7 Overview of biological pretreatment and its applications (Narayanaswamy et al.5 Ethanol conversion process from lignocellulosic biomass.1 Dried weight loss of wheat bran after 7-day of cultivation of Bacillus strains .2 Reducing sugar accumulation ratio of Bacillus strains after 24, 48 and 72 hours of cultivation. Capital letters (A, B, C) indicate the difference by treatment time and lower-case letters (a, b, c, d, e) demonstrate difference by SÍTA1TS.-- - - + + 2321123 9 1 1 1 1 1x ng re 32 Figure 4.3 Correlation of pH and reducing sugar yield produced in pretreatment by individual Bacillus strains B.B, coasulans BOVI39 (HĨ sncassscossaaauvenscneracmnvmennmnenemmenze meas 33 Figure 4.4 Total cellulase activity (A), endo glucanase activity (B), B-glucosidase activity (C) and xylanase activity (D) of Bacillus strains at 72 hrs of enzyme harvest .5 Cluster analysis and its characteristic using Ward’s minimum variance, based on hydrolytic enzyme and reducing sugar in pretreatment by Bacillus strains.6 Dried weight loss of wheat bran after 7-day of cultivation of Bacillus consortia .7 Reducing sugar accumulation ratio of Bacillus co-cultures after 24, 48 and 72 hours of cultivation.

Capital letters (A, B, C) indicate the difference by treatment time and lower-case letters (a; b; Gd, €) đeni6iisfFa(6:đ1ITofefice BY SA HÍẾ ocr ceccnmanenvensonaneeeeenremensacannmenmenemermnenaenonaan 40 Figure 4.8 Principal component analysis (PCA) plot (A: component plot in rotated space; B: plot of regression factor on the first and second axes from PCA of 11 Bacillus consortia) .9 Dried weight loss of wheat bran after 7-day of cultivation of ligninolytic strains .10 Comparison of enzyme production capacity of 8 lignin-degrading strains at 48 hrs of HICDĐIIGT Reeeee entre tetas ten errr ee ern rece er ert ent ere 46 Figure 4.11 The correlation between degrading enzyme activities and sugar yield.12 Total phenolic content generated by ligninolytic cOnnSOTfa.13 The sugar conversion of pretreated lignocellulosic biomass using ligninolytic strains ((A and their cosculltures: (B) ssieacocsssmexseancenantasennsauiusinesanaumsasvernaadton onasiaucasemeesnawuceltne teatien Nee 50 Figure 4.14 Cluster analysis and its characteristic using Ward’s minimum variance, based on various parameters in pretreatment by bacterial COMSOTEHIA 0.15 Enzymatic properties of three clusters I (A), cluster II (B) and cluster II (C).16 The sugar conversion of pretreated lignocellulosic biomass by bacterial consortia in three clusters (cluster I (A), cluster IT (B), cluster IIT (C)) .17 Weight loss of wheat bran by the pretreatment of fungi strains and their consortia .18 Reducing sugar vs. time of pretreatment by Ẩung1.- ---- 55 525 +22 *+2+2sc£z£zsxss 58 Figure 4.19 The sugar conversion of pretreated biomass by fungi and their consortia .20 Reducing sugar accumulation ratio of yeast strains and their consortium after 24, 48 Aid 72 HS OPCW V AOR iccsmssversnseessccareosanneermennenemenenaacen emma REED 61 Figure 4.21 The sugar conversion of pretreated lignocellulosic biomass using yeast and their co- GUNHEỂlinssekuandsissmdlsnbinanernarliseceeslidlEesaosligttdgestplielpsoiclskcbsrosiilldiposSialkaEieliusEboritialobsgsfllidigdlisitaesoollisssaiostoslEindindise 63 Figure 4.22 Degradation efficiency in biological pretreatment by fungi using different culture medium and pH values: weight loss (A), reducing sugar yield (B).- ----5+++s<+<ss++s+ss+ 64 1V Figure 4.23 Degradation efficiency by bacterial co-cultures using different culture medium (A: Weisht loss, B: reducing stpar Viel d) nrscsnscusssnasn scanner Meo 64 Figure 4.24 Comparison of enzymatic characteristics under cultivation of bacteria and fungi in submerged pretreatment (A: FPase, B:CMCase, C: xylanase and D:laccase).25 Effect of moisture in degradation efficiencies in biological pretreatment using bacteria (A) and fungi (B) oo.26 Effect of two cultivation methods on degradation efficiency in biological pretreatment of lignocellulosic biomass: Suspended (A) and submerged (B) pretreatment.27 Effect of two cultivation methods on enzymatic production in biological pretreament of lignocellulosic biomass (A suspended and B submerged pretreatment) .28 Cluster analysis of degrading criteria and their characteristics in the pretreatment by the complex consortia using Ward’s metÏod.29 The correlation between weight loss and reducing sugars from pretreated wheat ee i aca a re 74 Figure 4.30 Enzyme production by microbes at 72 hrs of pretreatimenf.31 The sugar conversion of pretreated lignocellulosic biomass.32 Weight loss of lignocelluloses using microbial consortia BFY4 (A), BFY5 (B).33 Enzyme activities after 72 hrs of lignocellulose pretreatment by microbial consortia BFY4 (A) and BFY5 0.34 Sugar conversion of different mixtures of substrate under cultivation of BFY4 (A) and BEY 5 (8) ssssenmnsacassmsancmcncnunncmmanar cm 80 9930321T83149501094498G801001143G133504E0400/5041530S549380055 80 Figure 4.35 Comparison of the reducing sugar accumulation ratio in hydrolysates after 72 hrs pretreatment then after 4 hrs hydrolysis of lignocellulosic biomass.36 Saccharification and ethanol production using mono-cultures and co-cultures (maximum 3 members) pretreated wheat bran hydrolysates. --- eeeeee tee teeteeteeenee 85 Figure 4.37 Saccharification and ethanol production using complex consortia (from 4 members and above) pretreated wheat bran hydrolysates .- -- 1 SH nh ng HH He 86 Figure 4.38 Bioconversion rate with microbial consortia using pretreated wheat bran hydrolysates eee eee re 87 List of tables Table 3.1 List of microorganisms used in this Study. ccc eceeceseceeseeeeesseceeeeeeeeseceseeeneeseeeeenees 23 Table 3.2 Description of the fungal consortia.

All synthetic microbial communities were at least 3 TC CALS cscs caeraerarrrewesereawranaie cscs as RES US WS WER Na EAD TET HETOS WN SIOE SSS HE STEN SANT SAVES ESES ISA ODEO 24 Table 3.3 Experimental design for evaluation the effect of cultivation method.4 Preparation various mixtures of lignocellulosic bioimass.1 Description of the cellulolytic COTISOTẨHA.-- 55 22+ 322332 **2E+vE+vEererrerrrrrrrrrrrrer 38 Table 4.2 Enzymatic production of various enzymes by monoculture and co-culture in the pretreatment hydrolysate at 72 hours of €uÏ(IVaf{IOTI.3 Total phenolic content (mg/ml) accumulation ratio of ligninolytic strains after 7 day WUD) oe 45 Table 4.4 Enzymatic production by monoculture and co-culture of lignin-degrading strain in the pretreatment hydrolysate at 72 hours of CuÏ{TVAfIOII.5 Degradation efficiency of co-cultures of cellulolytic and ligninolytic strains .6 Enzyme production by fungi species and their conSOTfIUI.-- -5- 55 <+ss++ss>++ 59 Table 4.7 Degradation profiles by €aSÍ. - ác t1 TH HT TH nh HH HH 62 Table 4.8 Degradation parameters (weight loss, reducing sugar accumulation, pH) of wheat bran substrate in the cultivation of mono and mixed culture in the pretreatmenf.9 Reducing sugar accumulation ratio under pretreatment of various lignocellulosic Elö†ftaS5iušlfiE Microbial CONSOTAUI res cmcamssansemerennanmamaaramarmmae aR 78 Table 4.10 Effect of substrate loadings in saccharification efficacy of pretreated biomass .11 Effect of enzyme dosages 1n saccharification efficacy of pretreated biomass.12 List of microbial consortia used in the pretreatment of lignocellulosic biomass. INTRODUCTION AND OUTLINE 1. Introduction It has been predicted that the world's population may reach 9.7 billion in 2050 and 10.9 billion in the next 50 years (Roser, 2013).

As a result of the increasing population and economic growth, by 2050, global energy consumption and energy-related carbon dioxide emissions will increase nearly 50% compared with 2020 (Energy Information Administration, 2021). Fossil fuel, natural gas, coal and nuclear energy cannot satisfy human beings' demands. The reliance on oil and gas makes the world economy dependent on the limited number of exporting countries and escalates gasoline prices. Moreover, CO2 emissions as the result of burning fossil energy from the industrial zone or means of transport vehicles have been claimed as the main reasons for serious environmental issues such as global warming, and climate change which could damage the natural ecosystem.

Thus, many governments are stimulating the utilization of renewable energies and resources to aim toward the three dimensions (three Ps) of sustainability, namely Profitability (affordable energy), Planet (climate change) and People (social stability). The renewable source will be a promising and sustainable source of energy alternatives to address the future environmental problem and energy scarcity. Different types of renewable energy are currently being extensively researched, namely solar, wind, geothermal, hydrothermal and biofuels. Among renewable energy sources, bioenergy (energy from bio-based sources) is the largest renewable energy present in the form of liquid fuels such as biofuel, diesel, or gasoline.

In 2017, bioenergy accounted for 70% of renewable energy consumption (World Bioenergy Association, 2019). Biomass can be obtained from many sources such as forestry or agriculture waste streams. There are three classifications of biofuel listed first-, second-, and third-generation biofuels.