Onderzoeksgroep

Biochemische Afvalwater Valorisatie & Zuivering (BioWaVE)

Expertise

Ik heb ervaring in onderzoek naar de valorisatie van nevenstromen van de landbouw, tuinbouw, voedingsindustrie en bosbouw. Deze biomassa wordt gebruikt als grondstof voor de productie van chemicaliën en biobrandstoffen. Mijn expertise ligt in de toepassing van microbiële of enzymatische katalyse in de verschillende industriële processtappen bij deze omzetting en de optimalisatie ervan. Omwille van de toenemende olieprijzen wordt lignocellulose dat afkomstig is van planten als alternatieve grondstof uitvoerig onderzocht, zowel in industrie als in onderzoeksinstellingen. Het gebruik van enzymen en micro-organismen bij de productie van chemicaliën resulteert in milieuvriendelijk processen zonder of met beperkt gebruik van organische solventen, zuren of basen en bij omgevingsomstandigheden, dus geen hoge temperaturen en drukken. Deze technologie wordt de Industriële Biotechnologie genoemd. Omdat lignocellulose een compacte en recalcitrante structuur heeft, moet in een eerste stap de biomassa voorbehandeld worden om de lignine te verwijderen en de cellulose beschikbaar te maken voor de daaropvolgende stap. De cellulose wordt enzymatisch gehydrolyseerd tot suikers die vervolgens gefermenteerd worden tot het gewenste eindproduct. We onderzoeken de mechanismen die optreden om de processen te optimaliseren met behulp van reactor operation en design. Het wiskundig beschrijven van de kinetiek en massabalansen in modellen is een hulp bij de schaalvergroting.

ADV_BIO. 01/10/2020 - 30/09/2025

Abstract

Dit project beoogt de ontwikkeling van innovatieve manieren voor de productie van geavanceerde (bio)brandstoffen uit microalgen en lignocellulosematrices voor weg- of luchttransport en toepasbaar op nationaal grondgebied. Het richt zich op de ontwikkeling van innovatieve en competitieve technologische productieschema's om België te positioneren als een gedifferentieerde strategische partner en speler voor de eco-efficiënte productie van geavanceerde alternatieve (bio)brandstoffen van de tweede en derde generatie. Het project is een samenwerking tussen ULiège, UGent, UCLouvain en UAntwerpen. Binnen dit project, BioWAVE, coördineert UAntwerpen het onderzoek naar de biochemische conversie en fermentatie van geoptimaliseerde en gemodificeerde lignocellulosematrices met als innovatief doel een unieke voorbehandelingsaanpak te combineren met een uniek detoxificatieproces voor een eenstapsproductie van bio-ethanol van de tweede generatie. Bioethanol zal geproduceerd worden uit lignocellulose, zoals populierenhout en maïsstro, wild type en genetisch gemodificeerd met een lager ligninegehalte zoals geleverd door de UGent. Dit proces is een meerstappenbenadering met unitaire operaties van voorbehandeling, hydrolyse (vaak enzymatisch), fermentatie en rectificatie/distillatie om bio-ethanol te produceren dat geschikt zou zijn voor integratie in transportbrandstoffen. Een optie waaraan in dit ADV_BIO-project de voorkeur wordt gegeven, is stoomexplosie. Hoewel stoomexplosie op het eerste gezicht aantrekkelijk is omdat hierbij alleen water en geen chemische stoffen worden gebruikt, komen bij deze methode "toxische" verbindingen vrij die het daaropvolgende versuikeringsproces remmen en ook de fermentatie van bio-ethanol kunnen belemmeren, waardoor het productierendement daalt. De belangrijkste remmers zijn furaanverbindingen (2-furfural of 5-hydroxymethylfurfural), zwakke organische zuren, maar ook fenolverbindingen die afkomstig zijn van de afbraak van lignine. Deze laatste worden als het meest problematisch beschouwd en moeten uit de reactiemedia worden verwijderd. Een onderzoeksactie is erop gericht te voorkomen dat lignine de omzetting van lignocellulosehoudende biomassa belemmert, in de eerste plaats door genetisch gemodificeerde planten te gebruiken met een lager ligninegehalte. Bij de stoomexplosie worden de ligninebindingen verbroken en komen fenolhoudende afbraakproducten vrij in de vloeistof. Het is bewezen dat na een zeer strenge voorbehandeling repolymerisatie tot lignine kan optreden, met nieuw gevormde bindingen die moeilijker af te breken zijn. Om deze ongewenste repolymerisatie te voorkomen wordt het toevoegen van hernieuwbare additieven tijdens het stoomexplosieproces onderzocht. Verwijdering van de resterende fenolverbindingen, en mogelijk andere remmende verbindingen, kan worden bereikt door gebruik te maken van biologische detoxificatie als een geïntegreerde of aanvullende stap. Laccase-detoxificatie van lignocellulosematrices die met stoomexplosie zijn behandeld, blijkt de suikeropbrengst tijdens enzymatische hydrolyse te verhogen. Tijdens dit detoxificatieproces worden ook furaanverbindingen en organische zuren geëlimineerd. In dit onderzoeksdeel wordt dus verbeterde lignocellulosebiomassa (UGent) toegepast voor een relevant industrieel proces voor de productie van bio-ethanol, waarbij gebruik wordt gemaakt van stoomexplosie en gelijktijdige versuikering en fermentatie. Daarnaast worden innovatieve technologieën, zoals suppletie tijdens de stoomexplosie en laccase en microbiële detoxificatie toegepast om de totale conversie te verhogen. Dit zal uiteindelijk leiden tot de combinatie van een unieke voorbehandelingsaanpak met een uniek ontgiftingsproces voor de productie in één stap van bio-ethanol van de tweede generatie.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Ontwikkeling van een reversibel geïmmobiliseerde celreactor voor de valorisatie van verdunde afvalstromen en microbiële olie. 01/11/2019 - 31/10/2023

Abstract

Verdunde fenolrijke stromen komen regelmatig voor in lignocellulosegebaseerde bioraffinaderijen. Fenolen worden vandaag de dag vaak als afval beschouwd. Enkele micro-organismen kunnen via fermentatie fenolen omzetten tot waardevolle intracellulaire componenten. Hierdoor wordt de lastige afvalstroom een grondstof en een economische opportuniteit. Om deze verdunde fenolstromen efficiënt te concentreren als intracellulaire componenten in microorganismen is het noodzakelijk het proces te versnellen. In de praktijk gebeurt dit vaak door de hoeveelheid micro-organismen, dus de biokatalysator, te verhogen en zo hoge celconcentraties te creëren. Voor het geïntegreerd fermenteren en terugwinnen van de intracellulaire producten ontbreekt een efficiënt economisch proces. Onze hypothese is dat het ontwerp van een nieuw reactortype, namelijk een reversibele geïmmobiliseerde celreactor (RIR), een mogelijke oplossing biedt. In deze reactor gebeurt achtereenvolgens adhesie van de cellen op een geschikte drager, fermentatie, en tenslotte desorptie om de intracellulaire componenten terug te winnen. Als een case-studie wordt de productie van microbiële olie onderzocht vertrekkend vanuit het fenolrijke hydrolysaat bekomen bij de thermochemische behandeling van lignocellulose. Het doel van dit project is het ontwerp van een economisch haalbaar proces voor het valoriseren van deze fenolrijke stroom. Het nieuwe proces zal bijdragen tot het bekomen van een biomassa-gebaseerde circulaire economie.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Een gestructureerde methodologie voor de selectie en formulering van NADES voor enzymatische reacties. 01/10/2019 - 30/09/2022

Abstract

Natuurlijke diep eutectische solventen (NADES) zijn beloftevol als media voor enzymatische reacties in sectoren waar (bio)compatibiliteit met natuurlijke of medische producten noodzakelijk is. In theorie kunnen zij samengesteld worden in functie van de beoogde reactie, doch vandaag is de benodigde kennis hoofdzakelijk empirisch, terwijl mechanistische inzichten op hun best gefragmenteerd zijn. Het louter verklaren van experimentele waarnemingen is daardoor vandaag niet evident, laat staan het maken van voorspellingen. Deze doctoraatsstudie zal een gestructureerd begrip ontwikkelen van het effect van NADES op enzymatische reacties, waarbij het onderscheid tussen oplosbaarheid, solvatatie, viscositeit, inhibitie en denaturatie duidelijk wordt. De oplosbaarheid, solvatatie-energie en viscositeit worden voorspeld door ab initio en moleculaire dynamica berekeningen, die gebruikt worden in een groepsbijdrage model op basis van machinaal leren. Zowel het trainen als valideren van dit model gebeurt door experimenten. Inzichten uit vastgestelde reactiekinetica zullen afgetoetst worden tegen moleculaire dynamica berekeningen van interacties van NADES met de enzymen. Structuurveranderingen van deze enzymen worden aangetoond door Raman optische activiteit spectroscopie. De combinatie van deze onderzoeksmethode garandeert de opbouw van fundamentele kennis, terwijl het groepsbijdrage model een gestructureerde methodologie biedt. De inzichten opgebouwd in dit project kunnen getransfereerd worden naar andere toepassingsdomeinen van NADES.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

  • Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Onderzoek naar het effect van metaalionen en mediators op de selectiviteit van de delignificatie tijdens de voorbehandeling van populierenhout door Phanerochaete chrysosporium. 01/10/2018 - 30/09/2022

Abstract

Microbiële voorbehandeling van lignocellulose biomassa wordt uitgevoerd om het substraat te delignificeren voor verder gebruik van de aanwezige koolhydraten. Typische toepassingen van het voorbehandelde substraat zijn de omzetting ervan in chemicaliën door navolgende hydrolyse en fermentatie, of biopulping voor gebruik in de papierindustrie. Ten opzichte van de meer traditionele technieken bij hoge temperaturen en met het gebruik van grote hoeveelheden organische solventen, is de microbiële voorbehandeling een milieuvriendelijke technologie. De schimmel Phanerochaete chrysosporium is een goede kandidaat voor afbraak van lignine vanwege de snelle groei en hoge optimale groeitemperatuur. Voor delignificatiedoeleinden scheidt de schimmel extracellulaire peroxidasen uit, d.w.z. mangaanperoxidase en lignine peroxidase, die de oxidatie en depolymerisatie van het lignine katalyseren. Het belangrijkste nadeel is echter de niet-selectieve degradatie van het lignine ten opzichte van de aanwezige koolhydraten. Supplementen, zoals metaalionen en aromatische verbindingen, kunnen een activerende of remmende werking hebben op het delignificatie- en hydrolyseproces. Bovendien heeft recent onderzoek aangetoond dat sommige metaalionen en aromatische verbindingen kunnen fungeren als tussenproducten bij de oxidatie van niet-fenolische verbindingen, zoals koolhydraten. Delignificatie van lignocellulose en hydrolyse of oxidatie van koolhydraten zullen de efficiëntie van de voorbehandeling bepalen, afhankelijk van de gewenste toepassing. Daarom zal in dit onderzoek de invloed van supplementen op de verschillende mogelijke actoren in het proces, d.w.z. substraat, micro-organisme en enzymen, worden onderzocht. Een beter inzicht in de voorbehandeling zal helpen om te bepalen welke combinatie en concentraties van supplementen het toepassingspotentieel van het voorbehandelde hout verbeteren. Bovendien wordt een methode ontworpen voor eenvoudige bepaling van de groeisnelheid en delignificatiesnelheid door FTIR. Tenslotte zal een wiskundig model ontwikkeld worden om de evolutie van het delignificatieproces te beschrijven.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Combinatie van stoomexplosie en microbiële detoxificatie voor verbeterde voorbehandeling van lignocellulose biomassa (SEMPRE). 01/07/2019 - 31/12/2020

Abstract

Tijdens de thermochemische voorbehandeling van de biotechnologische productie van chemicaliën uit de polysacchariden in lignocellulose, wordt een vaste fractie verkregen, hoofdzakelijk bestaande uit cellulose, en een lignine-afvalstroom, de zogenaamde xylose-rijke fractie (XRF). XRF bevat enige restsuiker, toxische fenolen en furanen. Het doel van het onderzoeksproject is om een techniek te onderzoeken om bijna volledige verwijdering van de lignine-afvalstroom te verkrijgen door lipidenproducerende bacteriën te gebruiken, meer bepaald, Rhodococcus sp. Van Rhodococcus is bekend dat het fenolverbindingen kan metaboliseren. Om te slagen moeten echter een aantal hindernissen worden genomen, (i)de furanen en sommige fenolen kunnen toxisch zijn voor het micro-organisme, (ii) herpolymerisatie van het lignine kan optreden, (iii) het lignine is waarschijnlijk niet volledig afgebroken, (iv) oligomeren van lignine- en lignine-cellulosecomplexen kunnen nog steeds aanwezig zijn, (v) het is niet bekend of de Rhodococcus deze oligomeren kan afbreken. Door analyse van de suikers, furanen, fenolen en de aard van de oligomeren of partikels, kan inzicht worden verkregen in het proces. Op basis van deze kennis zal een toolbox met technieken gebruikt worden om dit op te lossen, d.w.z. adaptatie van het micro-organisme, commerciële cellulasen en laccases, alfa-naftol om herpolymerisatie van de lignine te voorkomen, gebruik van andere bacteriën, ....

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Detoxificatie capaciteit van Rhodococcus op de lignine-rijke afvalstroom na stoomexplosie (DARLignin). 01/04/2019 - 30/03/2020

Abstract

Tijdens de thermochemische voorbehandeling van de biotechnologische productie van chemicaliën uit de polysacchariden in lignocellulose, wordt een vaste fractie verkregen, hoofdzakelijk bestaande uit cellulose, en een lignine-afvalstroom, de zogenaamde xylose-rijke fractie (XRF). XRF bevat enige restsuiker, toxische fenolen en furanen. Het doel van het onderzoeksproject is om een techniek te onderzoeken om bijna volledige verwijdering van de lignine-afvalstroom te verkrijgen door lipidenproducerende bacteriën te gebruiken, meer bepaald, Rhodococcus sp. Van Rhodococcus is bekend dat het fenolverbindingen kan metaboliseren. Om te slagen moeten echter een aantal hindernissen worden genomen, (i)de furanen en sommige fenolen kunnen toxisch zijn voor het micro-organisme, (ii) herpolymerisatie van het lignine kan optreden, (iii) het lignine is waarschijnlijk niet volledig afgebroken, (iv) oligomeren van lignine- en lignine-cellulosecomplexen kunnen nog steeds aanwezig zijn, (v) het is niet bekend of de Rhodococcus deze oligomeren kan afbreken. Door analyse van de suikers, furanen, fenolen en de aard van de oligomeren of partikels, kan inzicht worden verkregen in het proces. Op basis van deze kennis zal een toolbox met technieken gebruikt worden om dit op te lossen, d.w.z. adaptatie van het micro-organisme, commerciële cellulasen en laccases, alfa-naftol om herpolymerisatie van de lignine te voorkomen, gebruik van andere bacteriën, .... Het voorliggende project focust op het eerst deel van dit onderzoek, namelijk de xylosehoudende afvalstroom karakteriseren en de toxiciteit van de individuele componenten voor Rhodococcus onderzoeken.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Project website

Enzymatische reacties in NADES als nieuwe, groene media: activiteit en substraat-/productsolvatatie. 01/07/2018 - 31/12/2019

Abstract

Het voorgestelde onderzoeksproject beoogt het tonen van de geschiktheid en verklaren van het effect van nieuwe, groene solventen, natuurlijke diepe eutecticum solventen (NADES), op enzymatische reacties. NADES zijn eutectische mengsels van twee of meerdere primaire biologische metabolieten (sacchariden, aminozuren, organische zuren, ureum, choline, polyolen) die vloeibaar zijn op of net boven kamertemperatuur, door aanwezigheid van netwerkvormende waterstofbruggen. Hoewel ze eerder onderzocht zijn als groene extractiesolventen, zijn publicaties over hun gebruik voor enzymatische reacties schaars. Voor het eerst zullen wij de invloed van NADES op enzymatische reacties disaggregeren in volgende effecten: solvatatie-energie, massatransfer in bulk en stabiliteit van enzyme-substraat-intermediaren. Een goed gekende enzymatische omzetting, nl. de deacetylering van mannosylerythritol lipide (MEL) mengels met Novozym 435 (een commercieel lipase), zal uitgevoerd worden in NADES als voorbeeldsysteem. Hoewel geen multi-parametrische regressie wordt gedaan, worden kwalitatieve (en semi-kwantitatieve) inzichten vergaard via het koppelen van parametrische oplosbaarheidsmodellering (Hansen model, met experimentele validatie en input) met fysicochemische karakterisering (viscositeit, oppervlaktespanning) van NADES systemen, en concentratie- (substraat, enzyme) en temperatuursafhankelijke kinetische experimenten en modellering. Het geanticipeerde resultaat van dit project is een aanduiding van enzymatische efficiëntie in doelgerichte NADES, en een ontleding van de marginale efficiëntieverandering naar solvatatie, activiteit en massatransferverschillen in vergelijking met traditionele organische solventsystemen.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Toepassing van agro-industriële nevenstromen voor het onderzoek naar triggering effecten op zeer-lange-keten vetzuur productie door Rhodococcus stammen en proces optimalisatie. 01/01/2018 - 31/12/2018

Abstract

Zeer langketenige vetzuren (VLCFA's) zijn vetzuren met een ketenlengte van meer dan 20 koolhydraten. Ze vertegenwoordigen een waardevolle klasse van chemicaliën die in verschillende industrieën kunnen worden gebruikt. Tegenwoordig worden zij geproduceerd uit plantaardige oliën en petrochemische grondstoffen. Om de VLCFA-productie duurzamer te maken lijkt de microbiële VLCFA-synthese door Rhodococcus-soorten de perfecte oplossing. Helaas is de huidige kennis over VLCFA productie met Rhodococcus beperkt. Daarom stelt dit project voor om deze leemte op te vullen. Voor het onderzoek naar de triggering effecten om hoge VLCFA-productie te bekomen zullen verschillende agro-industriële substraten als grondstof gebruikt worden. Het triggerende effect van de verbindingen op de genexpressie van de VLCFA-route zal worden geëvalueerd door RT-qPCR. De gewenste triggers moeten de VLCFA-titer verhogen. Verschillende Rhodococcus-stammen zullen op VLCFA-synthese onderzocht en geëvalueerd worden. De VLCFA-productie zal verder worden geoptimaliseerd door screening van verschillende mediumsamenstellingen, door de optimalisatie van omgevingsfactoren en, ten slotte, het gebruikte voedingspatroon. Het bekomen van hoge VLCFA-productiviteit kan leiden tot een nieuw productieproces van waardevolle bouwstenen voor de chemische industrie.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Onderzoek naar de mechanismen en optimale omstandigheden tijdens microbiële voorbehandeling van lignocellulose biomassa met gebruik van co-culturen. 01/04/2017 - 31/03/2018

Abstract

Voorbehandeling van lignocellulosebiomassa is noodzakelijk om de aanwezige lignine te degraderen, de cellulosekristalliniteit te verlagen en de specifieke oppervlakte voor de enzymatische hydrolyse te verhogen. Fungale voorbehandeling is gebaseerd op een solid state cultuur waar de fungale mycelia in het substraat doordringen om zo door direct contact met de enzymen de lignine aan te vallen. In dit project worden de mechanismen en optimale omstandigheden van dit complex proces onderzocht om via gebruik van een stabiel consortium van samenwerkende micro-organismen een kortere voorbehandelingstijd te bekomen. Afzonderlijke fungale stammen groeien op houten chips van populier in een computer-gecontroleerde solid state fermentor. Het proces wordt opgevolgd in de tijd door de enzymactiviteiten van lignine-degraderende enzymen en cellulases alsook de concentraties aan koolhydraten te bepalen. Ook de groeisnelheid wordt bepaald door de zuurstofopnamesnelheid te meten in de solid-state reactor. Alle verzamelde informatie zal toelaten om een fungale voorbehandeling van lignocellulose met een microbieel consortium van synergetisch samenwerkende stammen te bekomen met een hoge ligninedegradatie. De efficiëntie van de voorbehandeling zal uiteindelijk beoordeeld worden op basis van de ethanolproductiviteit in een simultaan saccharificatie en fermentatieproces van voorbehandeld populierenhout.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Project website

Modelleren van microbiële groei tijdens solid state fermentatie 01/07/2014 - 31/12/2015

Abstract

Ondanks goede prestaties van solid state fermentatie (SSF) op laboschaal, bezit het proces op industriële schaal een aantal nadelen zoals slechte warmteoverdracht en moeilijke pH-regeling. Knelpunt is het gebrek aan informatie over de microbiële kinetiek in SSF als gevolg van de heterogene aard en complexiteit. Dit project beoogt het modelleren van groeikinetiek van Monascus op rijst op basis van experimenten in een computergestuurde SSF-reactor.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)