The transition to a biobased economy necessitates utilizing renewable resources as a sustainable alternative to traditional fossil fuels. Bioconversion is a way to produce many green chemicals from renewables, e.g., biopolymers like PHAs. However, fermentation and bioconversion processes mostly rely on expensive, and highly refined pure substrates. The utilization of crude fractions from biorefineries, especially herbaceous lignocellulosic feedstocks, could significantly reduce costs. This presentation shows the microbial production of PHA from such a crude stream by a wild-type thermophilic bacterium Schlegelella thermodepolymerans [1]. Specifically, it uses crude xylose-rich fractions derived from a newly developed biorefinery process for grassy biomasses (the ALACEN process). This new stepwise mild flow-through biorefinery approach for grassy lignocellulosic biomass allows the production of various fractions: a fraction containing esterified aromatics, a monomeric xylose-rich stream, a glucose fraction, and a native-like lignin residue [2]. The crude xylose-rich fraction was free of fermentation-inhibiting compounds meaning that the bacterium S.thermodepolymerans could effectively use it for the production of one type of PHA, polyhydroxybutyrate. Almost 90% of the xylose in the refined wheat straw fraction was metabolized with simultaneous production of PHA, matching 90% of the PHA production per gram of sugars, comparable to PHA yields from commercially available xylose. In addition to xylose, S. thermodepolymerans converted oligosaccharides with a xylose backbone (xylans) into fermentable xylose, and subsequently utilized the xylose as a source for PHA production. Since the xylose-rich hydrolysates from the ALACEN process also contain some oligomeric xylose and minor hemicellulose-derived sugars, optimal valorization of the C5-fractions derived from the refinery process can be obtained using S. thermodepolymerans. This opens the way for further exploration of PHA production from C5-fractions out of a variety of herbaceous lignocellulosic biomasses using the ALACEN process combined with S. thermodepolymerans. Overall, the innovative utilization of renewable resources in fermentation technology, as shown herein, makes a solid contribution to the transition to a biobased economy.[1] W. Zhou, D.I. Colpa, H. Permentier, R.A. Offringa, L. Rohrbach, G.J.W. Euverink, J. Krooneman. Insight into polyhydroxyalkanoate (PHA) production from xylose and extracellular PHA degradation by a thermophilic Schlegelella thermodepolymerans. Resources, Conservation and Recycling 194 (2023) 107006, ISSN 0921-3449, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107006. [2] S. Bertran-Llorens, W.Zhou. M.A.Palazzo, D.I.Colpa, G.J.W.Euverink, J.Krooneman, P.J.Deuss. ALACEN: a holistic herbaceous biomass fractionation process attaining a xylose-rich stream for direct microbial conversion to bioplastics. Submitted 2023.
LINK
The transition to a biobased economy necessitates utilizing renewable resources as a sustainable alternative to traditional fossil fuels. Bioconversion is a way to produce many green chemicals from renewables, e.g., biopolymers like PHAs. However, fermentation and bioconversion processes mostly rely on expensive, and highly refined pure substrates. The utilization of crude fractions from biorefineries, especially herbaceous lignocellulosic feedstocks, could significantly reduce costs. This presentation shows the microbial production of PHA from such a crude stream by a wild-type thermophilic bacterium Schlegelella thermodepolymerans [1]. Specifically, it uses crude xylose-rich fractions derived from a newly developed biorefinery process for grassy biomasses (the ALACEN process). This new stepwise mild flow-through biorefinery approach for grassy lignocellulosic biomass allows the production of various fractions: a fraction containing esterified aromatics, a monomeric xylose-rich stream, a glucose fraction, and a native-like lignin residue [2]. The crude xylose-rich fraction was free of fermentation-inhibiting compounds meaning that the bacterium S.thermodepolymerans could effectively use it for the production of one type of PHA, polyhydroxybutyrate. Almost 90% of the xylose in the refined wheat straw fraction was metabolized with simultaneous production of PHA, matching 90% of the PHA production per gram of sugars, comparable to PHA yields from commercially available xylose. In addition to xylose, S. thermodepolymerans converted oligosaccharides with a xylose backbone (xylans) into fermentable xylose, and subsequently utilized the xylose as a source for PHA production. Since the xylose-rich hydrolysates from the ALACEN process also contain some oligomeric xylose and minor hemicellulose-derived sugars, optimal valorization of the C5-fractions derived from the refinery process can be obtained using S. thermodepolymerans. This opens the way for further exploration of PHA production from C5-fractions out of a variety of herbaceous lignocellulosic biomasses using the ALACEN process combined with S. thermodepolymerans. Overall, the innovative utilization of renewable resources in fermentation technology, as shown herein, makes a solid contribution to the transition to a biobased economy.[1] W. Zhou, D.I. Colpa, H. Permentier, R.A. Offringa, L. Rohrbach, G.J.W. Euverink, J. Krooneman. Insight into polyhydroxyalkanoate (PHA) production from xylose and extracellular PHA degradation by a thermophilic Schlegelella thermodepolymerans. Resources, Conservation and Recycling 194 (2023) 107006, ISSN 0921-3449, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107006. [2] S. Bertran-Llorens, W.Zhou. M.A.Palazzo, D.I.Colpa, G.J.W.Euverink, J.Krooneman, P.J.Deuss. ALACEN: a holistic herbaceous biomass fractionation process attaining a xylose-rich stream for direct microbial conversion to bioplastics. Submitted 2023.
LINK
In Nederland en omringende landen zijn in de afgelopen jaren en decennia verschillende projecten gerealiseerd rond decentrale innovatieve concepten voor afvalwaterbehandeling en gebruik van re-genwater. Om gemeenten, waterschappen en andere belanghebbenden een rationele grondslag te bieden voor keuzes m.b.t. de inrichting van de stedelijke waterketen (wel of niet decentraal, wel of niet brongescheiden), is in dit KIEM project de potentie en beperkingen onderzocht van nieuwe en circulaire sanitatieconcepten, zoals brongescheiden sanitatie en lokaal (her)gebruik van regenwater op woonwijk schaal. De vraag is wat we kunnen leren van ervaringen bij gerealiseerde projecten, en welke rationele basis er is om, met name bij nieuwbouwplannen, een trendbreuk teweeg te brengen in de richting decentrale oplossingen voor waterzuivering en waterhergebruik op wijkniveau, als al-ternatief voor de huidige, centrale systemen. Daartoe zijn negen verschillende gerealiseerde pro-jecten, operationeel op praktijkschaal, verkend aan de hand van literatuurstudie, data-analyse, inter-views, enquêtes en scenarioberekeningen. Verschillende prestatie-indicatoren, o.a. met betrekking tot terugwinning van grondstoffen, waterkwaliteit, hergebruik en kosten zijn inzichtelijk gemaakt. Bo-vendien is onderzoek gedaan naar de acceptatie van burgers m.b.t. governance structuren (top-down versus bottom-up) als het gaat om de stedelijke waterketen en diensten m.b.t. waterlevering en wa-terbehandeling.Uit dit verkennende onderzoek is gebleken dat alternatieve systemen (brongescheiden sanitatie met vacuümriolering en lokaal gebruik van regenwater) voor toiletspoeling, evt. tuin en wasmachine tot substantieel minder gebruik van drinkwater leiden. Bovendien wordt met separate inzameling en be-handeling van zwart- en grijswater de terugwinning van nutriënten (N, P, C) gestimuleerd en is er bij decentrale behandeling van grijswater jaarrond aanvoer van schoon water wat met name in droge periodes meerwaarde heeft. Daarentegen leiden systemen op wijkschaal, mede vanwege de relatief kleine schaal, tot relatief hoge financiële kosten, d.w.z. in vergelijking met de kosten voor aanleg en beheer van reguliere systemen. Daarbij wordt benadrukt dat vergelijking van kleine, decentrale sys-temen met de huidige, grootschalige centrale (afval)watersystemen lastig is vanwege de relatief ge-ringe hoeveelheid data die beschikbaar is m.b.t. prestatie-indicatoren van decentrale systemen. We kunnen daarom slechts voorlopige en minder harde uitspraken doen over een aantal prestaties van decentrale concepten, bijv. m.b.t. waterkwaliteit. Bovendien is de beoordeling van prestatie-indicato-ren problematisch vanwege ongelijksoortigheid. De huidige grootschalige systemen zijn goeddeels uit-ontwikkeld (innovatie was gericht op kostenefficiency), terwijl decentrale, nieuwe vormen van sani-tatie nog volop in ontwikkeling zijn, met duurzaamheid als drijfveer.Aandachtspunten en vragen liggen met name op het gebied van governance. In de huidige inrichting en organisatie van de waterketen zijn de verantwoordelijkheden, beleidsontwikkeling en operatie in-stitutioneel geborgd en sectoraal verdeeld (waterbedrijf, gemeente en waterschap). Nieuwe vormen van sanitatie en gebruik van regenwater op wijkschaal brengen de noodzaak tot vergaande samen-werking en nieuwe vraagstukken met zich mee.Om de prestaties van grootschalige, centrale systemen m.b.t. afvalwaterbehandeling en watervoor-ziening beter te kunnen vergelijken met decentrale systemen op wijkschaal wordt aanbevolen om gelijktijdig te innoveren op beide schalen, waarbij de innovatie (ook op grote, centrale schaal) gericht is op klimaatadaptatie en aansluiting bij de circulaire economie. Belangrijk daarbij is langjarige data-verzameling en monitoring, zodat de integrale prestaties van concepten en systemen kunnen worden gevolgd, beoordeeld en verbeterd, in de context van integrale duurzaamheid. Daarnaast wordt aan-bevolen om, indien mogelijk, decentrale (afvalwater)systemen op wijkniveau op te schalen naar een grootte van minimaal 3.000 inwoners, om het (op berekeningen gebaseerde) veronderstelde break-evenpoint (kosten decentraal vergelijkbaar met grootschalige, centrale systemen) in de praktijk te ve-rifiëren. Gerealiseerde projecten, bijv. Reitdiep in Groningen of Waterschoon in Sneek, kunnen wor-den benut voor verdere innovatie gericht op kringloopsluiting en circulaire economie.
MULTIFILE
Cell-based production processes in bioreactors and fermenters need to be carefully monitored due to the complexity of the biological systems and the growth processes of the cells. Critical parameters are identified and monitored over time to guarantee product quality and consistency and to minimize over-processing and batch rejections. Sensors are already available for monitoring parameters such as temperature, glucose, pH, and CO2, but not yet for low-concentration substances like proteins and nucleic acids (DNA). An interesting critical parameter to monitor is host cell DNA (HCD), as it is considered an impurity in the final product (downstream process) and its concentration indicates the cell status (upstream process). The Molecular Biosensing group at the Eindhoven University of Technology and Helia Biomonitoring are developing a sensor for continuous biomarker monitoring, based on Biosensing by Particle Motion. With this consortium, we want to explore whether the sensor is suitable for the continuous measurement of HCD. Therefore, we need to set-up a joint laboratory infrastructure to develop HCD assays. Knowledge of how cells respond to environmental changes and how this is reflected in the DNA concentration profile in the cell medium needs to be explored. This KIEM study will enable us to set the first steps towards continuous HCD sensing from cell culture conditions controlling cell production processes. It eventually generates input for machine learning to be able to automate processes in bioreactors and fermenters e.g. for the production of biopharmaceuticals. The project entails collaboration with new partners and will set a strong basis for subsequent research projects leading to scientific and economic growth, and will also contribute to the human capital agenda.
