Efforts are made to change from 1st to 2nd generation bioethanol production, using lignocellulosics as raw materials rather than using raw materials that alternatively can be used as food sources. An issue with lignocellulosics is that a harsh pretreatment step is required in the process of converting them into fermentable sugars. In this step, inhibitory compounds such as furan aldehydes and carboxylic acids are formed, leading to suboptimal fermentation rates. Another issue is that lignocellulosics may contain a large portion of pentoses, which cannot be fermented simultaneously with glucose by Saccharomyces cerevisiae. In this thesis, high local cell density has been investigated as a means of overcoming these two issues. Encapsulation of yeast in semi-permeable alginate-chitosan capsules increased the tolerance towards furan aldehydes, but not towards carboxylic acids. The selective tolerance can be explained by differences in the concentration of compounds radially through the cell pellet inside the capsule. For inhibitors, gradients will only be formed if the compounds are readily convertible, like the furan aldehydes. Conversion of inhibitors by cells close to the membrane leads to decreased concentrations radially through the cell pellet. Thus, cells closer to the core experience subinhibitory levels of inhibitors and can ferment sugars. Carbohydrate gradients also give rise to nutrient limitations, which in turn trigger a stress response in the yeast, as was observed on mRNA and protein level. The stress response is believed to increase the robustness of the yeast and lead to improved tolerance towards additional stress. Glucose and xylose co-consumption by a recombinant strain, CEN.PK XXX, was also improved by encapsulation. Differences in affinity of the sugar transporters normally result in that glucose is taken up preferentially to xylose. However, when encapsulated, cells in different parts of the capsule experienced high and low glucose concentrations simultaneously. Xylose and glucose could thus be taken up concurrently. This improved the co-utilisation of the sugars by the system and led to 50% higher xylose consumption and 15% higher final ethanol titres. A protective effect by the capsule membrane itself could not be shown. Hence, the interest in flocculation was triggered, as a more convenient way to keep the cells together. To investigate whether flocculation increases the tolerance, like encapsulation, recombinant flocculating yeast strains were constructed and compared with the non-flocculating parental strain. Experiments showed that strong flocculation did not increase the tolerance towards carboxylic acids. However, the tolerance towards a spruce hydrolysate and especially against furfural was indeed increased. The results of this thesis show that high local cell density yeast cultures have the potential to aid against two of the major problems for 2nd generation bioethanol production: inhibitors and simultaneous hexose and pentose utilisation. / <p>Akademisk avhandling som för avläggande av teknologie doktorsexamen vid Chalmers tekniska högskola försvaras vid offentlig disputation den 19 februari 2014,klockan 13.30 i KA-salen, Kemigården 4, Göteborg.</p>

Abstract The subject of the thesis was to analyze by an engineering approach the global CO₂ balance and CO₂ utilisation. The aim was to apply methods and knowledge used in engineering sciences to describe the global CO₂ balance and the role of CO₂ in anthropogenic utilisation applications. Moreover barriers restricting commercialisation of new applications are discussed. These subjects were studied by literature reviews and calculations based on thermodynamics models. Engineering methods have shown to be applicable to describe the global balance of CO₂ and to define by a numerical way the Earth’s system carrying capacity. Direct and indirect actions, which mitigate the overload situation, were derived from the results. To screen out the attractive CO₂ properties in utilisation applications a mapping analysis was carried out. Properties, which enhance mass and heat transfer, are one of the most meaningful characteristics from the chemical engineering point of view. Attractive properties are often achieved at the supercritical state. Engineering thermodynamic methods were used in fluid phase determination of the case studies. Even simple methods are sufficient to advice experimental research work. The thermodynamic knowledge is the basement in creation of industrial scale chemical processes. If detailed information on system properties is needed, a model development due to the special requirements of high pressure systems and CO₂ features is required. This knowledge covers property information from all the components involved in chemical reactions. In addition to engineering knowledge successful technology transfer requires positive social structure as well. Finally, if the humankind is willing to mimic Nature and use light of the Sun as an energy source in engineering systems, development of thermodynamic methods is required also in this area. Especially the work terms, originally defined in classical mechanical thermodynamics and afterwards formulised also in other parts of the engineering fields, play a key role. If this development work is successful, we may see the shift from thermodynamics approach to ‘photodynamics’. Mitigation of global warming is a problem, which needs several kinds of activities. As a result of this study, there are listed a few engineering actions, which have a possibility to contribute to the work towards the carbon neutral society. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä sovelletaan insinööritieteissä käytettyjä metodeja ja tietämystä määriteltäessä ilmakehän CO₂-tase sekä antropogeenisten hyötykäyttökohteiden merkitys teollisissa prosesseissa ja globaaleissa CO₂-virroissa. Lisäksi pohditaan uusien CO₂-hyötykäyttösovellusten kaupallistamiseen liittyviä rajoitteita. Näitä aiheita on tutkittu käymällä läpi tieteellistä kirjallisuutta ja tekemällä laskelmia. Insinööritieteistä tutun taselaskennan avulla tarkastellaan ilmakehän CO₂-virtoja. Sen pohjalta määritetään numeerisesti maapallon CO₂-kantokyky. Tuloksista johdetaan suoria ja epäsuoria toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla voidaan lieventää ilmakehän CO₂-ylikuormaa. Kartoitusmenetelmän avulla selvitetään hyötykäytön kannalta edulliset CO₂:n aineominaisuudet. Kemiantekniikan näkökulmasta ominaisuudet, jotka parantavat aineen- ja lämmönsiirtoa, ovat kiinnostavimpia. Nämä ominaisuudet tulevat esille silloin, kun fluidi on ylikriittisessä olomuodossa. Termodynaamisia laskentamenetelmiä sovelletaan esimerkkiseosten olomuodon eli faasin määrityksessä. Tulokset osoittavat, että jopa verraten yksinkertaiset menetelmät antavat tietoja, jotka auttavat ymmärtämään laboratoriokokeiden faasikäyttäytymistä. Teollisen mittakaavan kemiallisten prosessien kehityksessä ja suunnittelussa termodynamiikan hallitseminen on keskeinen edellytys. Jos CO₂:n kiinnostavia ominaisuuksia toivotaan hyödynnettävän teollisesti, korkeapaineisten systeemien termodynaamisen teorian hallinta sekä aineominaisuuksien määrittäminen kaikille systeemiin osallistuville komponenteille ja niiden seoksille nousee merkittävään asemaan. Läpikotainen teorian ja teknisten perusteiden hallitseminen ei vielä takaa menestyksellistä teknologiansiirtoa pienestä suureen mittakaavaan. Lisäksi tarvitaan myönteinen ja kannustava yhteiskuntajärjestelmä. Mikäli tavoitellaan vielä rohkeampaa kehitysnäkymää, tilannetta, jossa luonnon tavoin CO₂-prosessien energianlähteenä käytettäisiin auringonvaloa, havaitaan, että tämäkin askel edellyttäisi termodynaamista menetelmäkehitystä. Keskeinen termodynaaminen konsepti on työ. Työ siirtää energiaa ympäristön ja systeemin välillä. Tämä on määritelty jo klassisessa mekaniikassa; kappaleen siirto tietystä paikasta toiseen. Kemiantekniikassa työlle on kehitetty käyttökelpoisia kaavoja paine–tilavuus–lämpötila-systeemeihin. Mikäli työn elementit kyettäisiin määrittelemään auringonvalon fotoenergialle, avaisi se uusia näkymiä reaktiokemiaan. Silloin termodynamiikan sijaan voitaisiin ehkä mieluummin puhua 'photodynamiikasta'. Ilmaston lämpeneminen on ongelma, jonka lieventämiseen tarvitaan useanlaisia toimia. Etsittäessä tietä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa, insinöörit voivat avustaa suunnan löytämisessä hyödyntämällä tieteenalallaan käytettyjä metodeja ja teorioita sekä tarpeen vaatiessa kehittää niitä edelleen uusille alueille.