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ELSEVIER 0 9 6 0 - 8 5 2 4 ( 9 4 ) 0 0 0 4 7 - 6

Bioresource Technology50 (1994) 3-16Elsevier Science LimitedPrinted in Great Britain

E T H A N O L F R O M L IG N O C E L L U L O S IC BIO M A SS :T E C H N O L O G Y , E C O N O M I C S, A N D O P P O R T UN IT IE SCharles E. Wyman

Alterna tive Fuels Divis ion, Natio nal Renew able Energy La bor ato ~, 1617 Cole Blvd., G olden, Colorado, US A

Abstrac tP rodu c t ion o f e thano l f ro m agri cu ltu ra l and fo re s t r yres idues , munic ipal so l id was te , energy crops , and o therfo rm s o f l ignoce llulo si c b iom a ss c ou ld im prov e e ne rgysecurity , re duc e trade defic its , decrease u rba n air po llu -t ion , a nd contr ibu te l i t tle , i f any , ne t carbon d iox id eac c um u la t ion t o t he a tm osphe re . D i lu t e ac id c an ope nup the b iom ass s t ruc tu re f o r sub se que n t p roce s sing . T hes im ul tan eou s sacchar i fica tion an d fe rm enta t ion (SSF)p r o c e s s i s f a v o r e d f o r p r o d u c in g e t h a n o l f r o m t h e m a j o rfrac t ion o f l ignoce llu los ic b iom ass , ce l lu lose , because o fi ts l ow c os t po t e n t ia l . T e c hno logy ha s a l so be e n de v e -lope d fo r c onv e r t ing t he s e c o nd la rge st b iom a ss f rac ti on ,hem ice l lu lose , in to ethanol The rema ining f rac t ion ,c on ta in ing m os t l y l ign in , c an b e burn e d a s bo i l e r f ue l t opow e r t he c onv e r s ion p roc e s s and ge ne ra t e e x t ra e l e c -tr ic i ty to expor t . Deve lopments in convers ion technologyhav e r e duc e d the p ro j e c t e d ga t e p r i c e o f e thano l f ron tab ou t USSO .95fli ter (USS3.60/gallon) in 1980 to on lyabo ut U SSO.32/l ite r (USS1.22/gal lon) in 1994. Techn icaltarge ts have been ident i f ied to br ing the se l l ing pr icedown to about USSO.18/ l i te r (USSO.67/gal lon) , a leve lthat i s com pe t i t ive wh en o i l pr ices exce ed USS25/barre l .H ow e v e r , a t c u r re n t p ro j e c t e d c os ts , e t hano l f ro m b io -m a ss c ou ld be c om pe t i t i v e w i th e thano l f ro m c orn , par -t ic u la r ly i f l ow e r c os t f e e ds toc k s o r o the r n i c he m a rk e t sare capi ta l i zed upon.K e y w ords : L i g n o c e l lu l o s ic b i o m a s s , e t h a n o l p r o d u c -t i o n , o i l s u p p l y , a i r p o l l u t i o n .I N T R O D U C T I O NT h e U S a n d o t h e r i n d u s tr i a li z e d c o u n t r i e s o f t h e w o r l da r e v e r y d e p e n d e n t o n i m p o r t e d o i l , a n d o i l i m p o r t sc o n t i n u e t o i n c r e a s e , t h r e a t e n i n g t h e s t r a t e g i c s e c u r i t yo f t h e s e c o u n t r ie s . F o r i n s t a n ce , t h e U S i m p o r t s a l m o s t5 0 % o f it s c u r r e n t o i l s u p p l y ( U S C o n g r e s s , 1 9 9 0 ) .F u r t h e r m o r e , t h e t r a n s p o r t a t i o n s e c t o r i s p a r t i c u l a r l yd e p e n d e n t u p o n o i l, w i t h a p p r o x i m a t e l y 9 7 % o f t r a n s-p o r t a t io n e n e r g y b e in g d e r i v e d f r o m p e t r o l e u m i n th eU S , a n d f e w s u b s t i tu t e s e x i st f o r p e t r o l e u m f o r t r a n s-p o r t a t i o n p u r p o s e s . A s a r e s u l t , t h e t r a n s p o r t a t i o ns e c t o r i n m a n y i n d u s t r ia l i z e d c o u n t r i e s , s u c h a s t h e U S ,i s s t r a t e g i c a l l y v u l n e r a b l e t o d i s r u p t i o n s i n t h e s u p p l yo f o i l .

I n a d d i t i o n t o s t r a t e g i c v u l n e r a b i l i t y , s u c h l a r g ed e p e n d e n c e u p o n f o r e i g n o i l c a u s e s s i g n i f i c a n te c o n o m i c d i f f i c u l t i e s . F o r i n s t a n c e , a m a j o r f r a c t i o n o ft h e b a l a n c e o f t r a d e d e f i c it in t h e U S i s d u e t o p e t r o -l e u m i m p o r t s ( L y n d et al. , 1 9 9 1 a ) . I n a d d i t i o n , w i t h t h ec o n t i n u i n g d e c l i n e i n d o m e s t i c e c o n o m i e s a n d e m p l o y -m e n t , n e w t e c h n o l o g i e s a r e n e e d e d t h a t c a n p r o v i d ei n d i g e n o u s m a n u f a c t u r i n g c a p a b il it ie s f o r m a n y o f t h ei n d u s t r i a l iz e d n a t i o n s .

A n o t h e r c o n c e r n i s t h e i n c r e a s e i n a i r p o l l u t i o n i nm a j o r c i ti e s t h r o u g h o u t t h e w o r l d , w i t h tr a n s p o r t a t i o nf u e l s a c c o u n t i n g f o r a s i g n i f i c a n t f r a c t i o n o f t h e p r o -b l e m . F o r i n s t a n c e , i n t h e U S , a b o u t t w o - t h i r d s o fc a r b o n m o n o x i d e i n m a j o r c i ti e s is d u e t o t r a n s p o r t a -t i o n f u e l s . I n a d d i t i o n , a p p r o x i m a t e l y o n e - t h i r d o f t h eo z o n e f o r m a t i o n e x p e r i e n c e d i n c it ie s w i th i n t h e U S i sa t t r ib u t e d t o t r a n s p o r t a t i o n ( U S E P A , 1 9 8 9) . F u r th e r -m o r e , a b o u t o n e - t h i r d o f t h e c a r b o n d i o x i d e r e le a s e di n t o t h e a t m o s p h e r e i n t h e U S i s t h e r e s u l t o f t h e u ti li -z a t i o n o f t r a n s p o r t a t i o n f u e l s , a n d c a r b o n d i o x i d ea c c u m u l a t i o n f r o m t h e u s e o f f o s s i l f u e l s f o r t r a n s -p o r t a t i o n r a i s e s c o n c e r n a b o u t t h e p o t e n t i a l f o r g l o b alc l i m a t e c h a n g e ( I n t e r g o v e r n m e n t a l P a n e l o n G l o b a lC l i m a t e C h a n g e , 1 9 9 0 ).

P r o d u c t i o n o f e t h a n o l f r o m r e n e w a b l e s o u r c e s o fl i g n o c e l lu l o s i c b i o m a s s c a n i m p r o v e e n e r g y s e c u r i t y ,d e c r e a s e u r b a n a i r p o l lu t i o n , a n d r e d u c e a c c u m u l a t i o no f c a r b o n d i o x i d e i n t h e a t m o p s h e r e ( L y n d e t aL ,1 9 9 1 a ) . T h e p r o d u c t i o n o f e t h a n o l f r o m i n d i g e n o u sl i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s w i l l s t i m u l a t e n e w m a r k e t s f o rt h e a g r i c u l t u r e s e c t o r , t h e r e b y i n c r e a s i n g d o m e s t i ce m p l o y m e n t w h i le r e d u c i n g b a l a nc e o f p a y m e n t sd e fi c it s. T h e p r i m a r y r e q u i r e m e n t i s to r e d u c e t h e c o s to f c o n v e r s i o n o f l i g n o ce l lu l o si c b i o m a s s i n t o e t h a n o l t ot h e p o i n t t h a t i t c a n c o m p e t e w i t h c o n v e n t i o n a l tr a n s -p o r t a t i o n f u e l s w i t h o u t t a x i n c e n t i v e s . T h e b e n e f i t s o ft h is u n i q u e t e c h n o l o g y c a n t h e n b e r e a li z e d.E T H A N O L P R O D U C T I O N A N D U T I L I Z A T IO NC u r r e n t l y , o v e r 1 1 g i g a li te r s ( G L ) ( 3 b i l li o n g a ll o n s ) p e ry e a r o f e t h a n o l a r e p r o d u c e d i n B r a z il f r o m c a n e s u g a r.H o w e v e r , t h e p r i c e o f s u g a r i s c o n t r o l l e d a t a b o u tU S S 0 . 4 4 / k g ( U S S 0 . 2 0 / l b ) i n t h e U S a n d i s f a r t o oe x p e n s i v e t o b e a v i a b le f e e d s t o c k f o r e t h a n o l p r o d u c -t io n ( C o m m o d i t y R e s e a r c h B u r e a u , 1 9 91 ) . T h e r e f o r e ,

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4 C . E . W y m a na b o u t 3 . 8 G L ( o n e b i l l i o n g a l l o n s ) p e r y e a r o f e t h a n o la r e p r o d u c e d f r o m c o r n a n d o t h e r s t a r c h cr o p s i n t h eU S . S i n c e t h e c o s t o f e t h a n o l f r o m s t a r c h c r o p s s ti lle x c e e d s t h e v a l u e o f t h e f u el , f e d e r a l a n d v a r i o u s s t a t et a x i n c e n t i v e s a r e e m p l o y e d t o e n c o u r a g e i t s u s e a sb l e n d s w i t h g a s o l i n e i n t h e U S .

E t h a n o l i s a n e x c e l l e n t t r a n s p o r t a t i o n f u e l; i t c a n b eb l e n d e d a t a b o u t 1 0 % l e v e l s w i th g a s o l i n e , a s i t i s n o wi n th e U S , o r i t c a n b e u s e d a s 2 2 % b l e n d s , a s i n B ra z il .B l e n d s r e a l i z e t h r e e ma jo r b e n e f i t s : ( i ) g a s o l i n e u s e i sr e d u c e d , t h e r e b y l o w e r in g i m p o r t e d o i l re q u i r e m e n t s ;( ii ) e t h a n o l i n c r e a s e s t h e o c t a n e o f t h e g a s o l i n e t ow h i c h i t i s a d d e d , i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f t h ee t h a n o l - g a s o l i n e b l e n d , a n d ( i i i ) e t h a n o l p r o v i d e so x y g e n f o r th e fu e l; t h u s m o r e c o m p l e t e c o m b u s t i o nr e s u l t s . T h i s l a t t e r p r o p e r ty i s p a r t i c u l a r l y d e s i r a b l ew i t h t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e C l e a n A i r A c t A m e n d -m e n t s , w h i c h r e q u i r e t h e a d d i t i o n o f o x y g e n a t e s t og a s o li n e t o r e d u c e t h e f o r m a t i o n o f c a r b o n m o n o x i d ea n d o z o n e i n n o n - a t t a i n m e n t c i t ie s . A l t e r n a t i v e l y , e t h a -n o l c a n b e r e a c t e d w i t h i s o b u t y l e n e t o f o r m e t h y lt e r t i a r y b u t y l e t h e r ( E T B E ) , w h i c h i n a d d i t i o n t o p r o -v i d i n g g a s o l i n e d i s p l a c e m e n t , o c t a n e i m p r o v e m e n t ,a n d o x y g e n a t e b e n e f it s o f d i r e c t e t h a n o l b l e n d s ,r e d u c e s t h e v a p o r p r e s s u r e o f th e g a s o l i n e t o w h i c h i t i sa d d e d , a n d f u r t h e r i m p r o v e s t h e s u i t a b il i ty o f g a s o l i n ef o r m e e ti n g C l ea n A i r A c t A m e n d m e n t r e q ui re m e n t s.

T a b l e 1 p r o v i d e s s o m e o f t h e k e y p r o p e r t i e s o f e t h a n o la n d E T B E .E t h a n o l c a n b e u s e d a s a n e a r l y p u r e o r ' n e a t ' f u e l .F o r e x a m p l e , h y d r o u s e t h a n o l c o n t a i n i n g a b o u t 9 5 %e t h a n o l a n d 5 % w a t e r i s u s e d d i r e c t l y a s a f u e l f o r d e d i -c a t e d e t h a n o l v e h i c l e s i n B r a z i l ( W y m a n & H i n m a n ,1 9 9 0 ) . A l t e r n a t i v e l y , a b o u t 1 5 % g a s o l i n e c a n b e a d d e dt o p u r e e t h a n o l t o f o r m a m i x t u r e d e n o t e d a s E 8 5 f o rd i r e c t f u e l u s e . I n a n o t h e r f o r m u l a t i o n , E 9 5 , 5 % g a s o -l i n e i s b l e n d e d w i t h p u r e e t h a n o l f o r f u e l u s e . S u c hn e a r l y - p u r e e t h a n o l f u el s p r o v i d e a n u m b e r o f e n v ir o n -m e n t a l b e n e f i t s , d u e t o t h e i r l o w v a p o r p r e s s u r e a n dr e d u c e d e m i s s i o ns o f e t h a n o l i n t o t h e a t m o s p h e r e , p l u st h e i r c l e a n - b u r n i n g c h a r a c te r i s ti c s . I n a d d i t i o n , e t h a n o lh a s a l o w a t m o s p h e r i c p h o t o c h e m i c a l r e a c t i v i t y ,f u r t h e r r e d u c in g i t s i m p a c t o n o z o n e f o r m a t i o n .

G a s o l i n e is a d d e d i n E 8 5 a n d E 9 5 m i x t u r es t oi m p r o v e c o l d s t a r t f o r t h e s e f u e l s . A l t e r n a t i v e l y ,d e v i c e s c o u l d b e d e v e l o p e d t o f a c i l i t a t e c o l d s t a r t i n g .E n g i n e s d e s i g n e d f o r d e d i c a t e d e t h a n o l u s e c a n b et u n e d t o a c h i e v e h i g h e r e f f ic i e n c ie s t h a n c o n v e n t i o n a lg a s o l i n e e n g i n e s . A s a r e s u l t , a l t h o u g h e t h a n o l w o u l db e e x p e c t e d t o a c h i e v e t w o - t h i r d s t h e r a n g e o f g a s o l i n eo n a v o l u m e t r i c b a s i s b a s e d o n i t s l o w e r h e a t i n g v a lu e ,a v e h ic l e c a n b e e x p e c t e d t o t r a v el a b o u t 8 0 % o f t h ed i s t a n c e o n a g i v e n v o l u m e o f e t h a n o l f o r t h e s a m ev o l u m e o f g a s o li n e ( L y n d et al., 1 9 9 1 a ).

T a b l e I . F u e l p r o p e rt i e s f o r e t h a n o l , m e t h a n o l , E T B E , M T B E , i s o o c t a n e , a n d g a s o l i n eP r o p e rty E th a n o l Me th a n o l E T B E MT B E I s o o c ta n e U n le a d e dregulargasoline

F o r mu la C 2 H s O H C H 3 O HM olecular weight 46.07 32.04Density, kg/m 3 @ 298 K 790 790Air /fuel stoichiom etr ic ra tioM ole basis 14"29 7-14 42.86M ass basis 9.02 6.48 12.10Higher hea t ing va lue, kJ /kg 26 780 19 919 36 031Low er hea t ing va lue , kJ /L 21 156 15 736 27 023Resea rch oc tane num ber (RON) 106 106 118Mo to r o c t a n e n u mb e r ( MO N ) 8 9 9 2 1 0 2( R O N + MO N ) /2 9 8 9 9 1 1 0B le n din g R O N 1 1 4 - 1 4 1 b 1 3 5 1 1 7 - 1 2 0 'B le nd ing MO N 8 6 - 9 7 b 1 0 5 1 0 1 - 1 0 4 '( B L E N D I N G R O N + MO N ) /2 1 15 1 20 1 11Atm osph eric boiling pt ., K 351.6 337"8 344.8Hea t of vapor izat ion , kJ /kg 839 1 104 308Flash pt ., K 285 280 253Ignit ion pt ., K 697 737 583Reid vapor pressure , kPaPure com pon ent 15"85 30"3Blending 82 .7-186 21 4+ 20"7-34"5W ater solubility, weight %Fuel in water 100 100 2

W ater in fuel 100 100 0"6Water azeotro pe (a tm b.p.) , K 351.4 NA " 338"2Water in azeotrop e, wt% 4"4 N A u 4"0

(CH3)3COC2H5 (CH3)3COC H3 C8Ht8 C4TO C12102"18 88"15 114 N A ~7 5 0 7 4 0 6 9 0 7 2 0 - 7 8 035.71 59.5 57.2811.69 15.1 14.635 270 44 420 41 800 -44 00026 100 30 650 31 350 -33 000106 100 91-9 3

99 100 82-8 4103 100 881 1 8 N A " N A "1 0 1 N A " N A ~1 1 0 N A " N A "328"6 398 300 -4983 2 9 4 0 6 3 7 7 - 5 0 2245 261

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Eth an ol f ro m i ignocellu los ic b iom ass 5L I G N O C E L LU L O S I C B I O M A S S C O M P O S I T I O NA N D A V A I L A B I L IT YL ignoc e l lu los i c b iom a ss r e pr e se n t s t he m a jor f r a c t i ono f m o s t p l a n t m a t t e r . C o m m o n e x a m p l e s o f l i g n o c e l -l u los i c b iom a ss i nc lude a gr i c u l t u r a l a nd f o r e s t r yr e s id u e s , t h e p a p e r a n d m u c h o f t h e r e m a i n i n g o r g a n i cf r a c t i on o f m unic ipa l so l i d wa s t e ( M SW) , i ndus t r i a lp r o c e s s i n g r e s i d u e s s u c h a s w a s t e s i n t h e p a p e r a n dp u l p i n d u s t ry , a n d h e r b a c e o u s a n d w o o d y p la n t s g r o w na s f e e d s t o c k s f o r t h e p r o d u c t i o n o f fu e ls . A s s h o w n i nF ig . 1 , t he m a jor f r a c t i on o f suc h m a te r ia l s , t yp i c al l y o ft h e o r d e r o f 3 5 - 5 0 % , is a p o l y m e r o f g l u co s e k n o w n a sc e l l u lose . T he ne x t l a r ge s t f r a c t i on , o f t he o r de r o f20 - 35 % , i s he m ic e Uulose . He m ic e l l u lose is a l so a po ly -m e r o f sugar s , bu t t h e t ype s a nd d i s t r ibu t i ons o f t he ses u g a r s v a r y d e p e n d i n g u p o n t h e p a r t i c u l a r b i o m a s ssour c e . For m a ny type s o f l i gnoc e l l u los i c b iom a ss , t hef i v e c a r b o n s u g a r x y l o s e r e p r e s e n t s t h e p r e d o m i n a n tf r a c t i o n o f t h e h e m i c e l l u l o s e c o m p o n e n t . T h e t h i r dl a r ge s t f r a c t i on , o f t he o r de r o f 15 t o a bou t 25%, i st y p i ca l ly l ig n in , a p h e n y l - p r o p e n e p o l y m e r o f c o m p l e xc o m p o s i t i o n th a t c a n n o t b e b r o k e n d o w n t o f o r m s u g a rm o l e cu l es . A n u m b e r o f o t h e r c o m p o u n d s s u c h a sp l a n t o i l s , p r o t e ins , a nd a sh m a ke up t he r e m a in ingf r a c t i on o f t he l i gnoc e l lu los i c b iom a ss s t r uc tu r e .L ignoc e l lu los i c b iom a ss r e pr e se n t s a va s t r e sour c et h a t c o u l d b e u s e d f o r p r o d u c t i o n o f fu e ls . A s s u m -m a r i z e d i n T a b le 2 , i t ha s be e n e s t im a te d t ha t a bou t190 G L ( 50 b i l l ion ga l l ons ) o f e tha no l c ou ld be p r o -duc e d a nnua l ly i n t he US f r om a gr i c u l t u r a l , f o r e s t r y ,a nd m un ic ipa l wa s t e m a te r i a l s a lone . I n a dd i t i on , a bou t4 2 8 - 1 1 3 0 G L ( 1 1 3 - 2 9 9 b il li on g al lo n s) o f e t h a n o lc o u l d b e p r o d u c e d f r o m d e d i c a t ed e n e r g y cr o ps . T h et o ta l o f t h es e s o u r c e s c o u l d r e p r e s e n t fr o m 6 1 7 - 1 3 2 0G L ( 1 6 3 - 3 4 9 b i ll io n g al lo n s ) o f e t h a n o l p r o d u c t i o n( L y n d et al., 1 9 9 1 a ) . B y w a y o f c o m p a r i s o n , i t w o u l dr e q u i r e o f th e o r d e r o f 5 1 0 G L ( 1 4 0 b i l li o n g al lo n s ) o f

e t h a n o l p r o d u c t i o n p e r y e a r t o r e p l a c e t h e c u r r e n ta n n u a l U S g a s o l i n e m a r k e t o f a p p r o x i m a t e l y 4 1 0 G L( 110 b i l l i on ga l l ons ) , be c a use o f t he som e wha t l owe re n e r g y c o n t e n t o f e t h a n o l a s a f u e l. T h e r e f o r e , i t is c o n -c e iva b l e t ha t m or e t ha n su f f i c i e n t e tha no l f r om l i gno-c e l l u l o s i c b i o m a s s c o u l d b e p r o d u c e d t o r e p l a c e a l lga so l ine use d i n t he US .P R O D U C T I O N O F E T H A N O L F R O ML I G N O C E L L U L O S I C B I O M A S SA c i d h y d r o l y s is o f l ig n o c e l l u l o s i c b i o m a s sA s s h o w n i n F ig . 2 , d il u t e o r c o n c e n t r a t e d a c i ds b r e a kd o w n t h e c e l l u l o s e a n d h e m i c e l l u l o s e p o l y m e r s i nl i gnoc e l l u los i c b iom a ss t o f o r m ind iv idua l suga r m ole -c u l e s w h i c h c a n b e f e r m e n t e d i n t o e t h a n o l . F i r s t , t h eb iom a ss i s m i l l e d to p r o du c e a su f f i c ie n t l y sm a l lpar t ic le s ize to fac i l i ta te the di f fus ion of ac id into i t ss t ru c t u r e. T h e a c i d b r e a k s d o w n t h e h e m i c e l l u lo s e int h e b i o m a s s t o f o r m x y l o s e a n d o t h e r s u g a r s w h i c h c a nbe f e r m e nte d i n to e tha no l f o l l owing ne u t r a l i z a t i on .Ac id a l so c a t a lyz e s hydr o lys i s o f t he c e l l u lose f r a c t i ont o p r o d u c e g l u c o s e , w h i c h c a n b e f e r m e n t e d i n t oe tha no l . T h e r e s idua l c e ll u lose a nd he m ic e U ulose p lusthe l i gn in a nd o th e r so l i d m a te r i a l s l e f t a f t e r hydr o lys i sc a n b e b u r n e d a s b o i l e r f u e l t o p r o v i d e e n e r g y t o p o w e rt h e p r o c e s s , c o n v e r t e d i n t o o c t a n e b o o s t e r s , o r u s e d a sf e e d s t o c k s f o r p r o d u c t i o n o f c h e m i c a ls .As a n e xa m ple , d i l u t e su l fu r i c a c id p r o c e sse s u t i l iz eo f t h e o r d e r o f 1 -5 % a c i d f o r t h e h y d r o l y s i s o f b i o m a s sto f o r m suga r s ( Wr igh t , 1983 ; 1988c ) . He m ic e l l u losec a n b e b r o k e n d o w n a t te m p e r a t u r e s o f a r o u n d 1 6 0 C( 3 2 0 F ) t o f o r m x y l o s e a n d o t h e r s u g a r s w i th r e a s o n -a b l e y i e lds . How e ve r , hy dr o lys i s o f t he c r ys t a l l ine c e l lu -l o s e r e q u i r e s t e m p e r a t u r e s o f t h e o r d e r o f 2 0 0 - 2 4 0 C( 3 9 0 - 4 6 0 F ) . U n f o r t u n a t e l y , t h e s e c o n d i t io n s a r es e v e r e e n o u g h t o d e g r a d e g l u c o s e in t o h y d r o x y m e t h y l -

- - Cellulose 38%- - Hemicellulose 32%

Lignin 17%Other 13%A g r i c u l t u r a l R e s i d u e s

Cellulose~50o~

tractives,5%Hemicellulose~23%

~,~, ..1-22%U n d e r u t il iz e d a n d S h o r t R o t a t io n H a r d w o o d s

j~ Cellulose 45%

I )se 45%5%10% Hemicellulose 30%:ellulose 9%

' carbohydrates 9% - - Lignin15%3%9% - - Other 10%S o r t e d M u n i c i p a l S o l i d W a s t e H e r b a c e o u s E n e r g y C r o p s

Fig. 1. Alth oug h the physical app earan ce of various types of lignocellulosic biomass appears quite different, the composition isvery similar with the m ajor fraction being cellulose with a lesser amou nt of hemicellulose and lignin (W yman, 199 3; Wy man &Goodman, 1993a, b) .

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6 C E . W y m a n

0

~=

~

u

~

0

e i

.= =

v

m

.=

2

XXX X

x x x . ~ 2 2 x 2

~ ~ .

t"q ~ t"q

t"q ,---~ r--~

I I 1 ~ 1

I I 1 ~ 1

c'q c'q ~

. ._ .~"6,- '

*= ~ . ~

,eL0,.~~ 2

- ~ .

e~

.~

em ~

f u r f u r a l ( H M F ) , w h i c h i n t u r n d e g r a d e s t o f o r m t a r sa n d o t h e r u n d e s i r a b l e c o p r o d u c t s . S i m i l a r l y , u n d e rt h e s e c o n d i t i o n s , x y l o s e d e g r a d e s t o f o r m f u r f u r a l , ta r sa n d u n d e s i r a b l e c o m p o u n d s F o r m a t i o n o f s u b s t a n t i a lq u a n t i t i e s o f f u r f u r a l, H M F , t a r s , a n d o t h e r b y -p r o d u c t s c a n n o t b e a v o i d e d b y k n o w n p r o c e s s e s a t t h eh a r s h c o n d i t i o n s r e q u i r e d f o r d i l u t e a c i d h y d r o l y s i s ,a n d t h e s e d e g r a d a t i o n c o p r o d u c t s m u s t b e s o l d t oa c h i e v e f a v o r a b le e c o n o m i c s . H o w e v e r , t h e s i z e o f th em a r k e t s f o r th e s e c o p r o d u c t s i s to o s m a l l t o s u p p o r tl a rg e - sc a l e e t h a n o l p r o d u c t i o n ( G a i n e s & K a r p u k ,1 9 8 7 ) . T h u s , t h e l o w s u g a r a n d s u b s e q u e n t e t h a n o ly i e l d s o f 5 0 - 6 0 % m a k e i t d if f i c u lt f o r d i l u t e a c id p r o -c e s s e s t o a c h i e v e l o w c o s t e t h a n o l p r o d u c t i o n ( W r i g h t ,1 9 8 3 ; 1 9 8 8 ) .D i l u t e a ci d p r o c e s s e s w e r e o p e r a t e d i n t h e U S d u r -i n g W o r l d W a r I I f o r p r o d u c t i o n o f e t h a n o l, b u t t h e s et e c h n o l o g i e s c o u l d n o t c o m p e t e i n p e a c e t i m e . S u c hp r o c e s s e s a r e a l s o u s e d i n t h e f o r m e r S o v i e t U n i o n f o rt h e p r o d u c t i o n o f e t h a n o l a n d s in g l e c e ll p r o t e i n( W e n z l , 1 9 7 0 ) . C u r r e n t l y , t h e T e n n e s s e e V a l le yA u t h o r i t y ( T V A ) i s d e v e l o p i n g t e c h n o l o g y f o r d i l ut ea c i d c o n v e r s i o n o f M S W i n t o e t h a n o l (B u s s e t a l . ,1 9 9 2; L a m b e r t e t a l . , 1 9 9 0 ) .

S t r o n g a c i d s , s u c h a s c o n c e n t r a t e d s u l f u r i c a c i d o rh a l o g e n a c id s , h y d r o l y z e c e l lu l o s e a n d h e m i c e l l u l o s e a tm o d e r a t e t e m p e r a t u r e s w i t h l i t t l e s u g a r d e g r a d a t i o n( G o l d s t e i n e t a l . , 1 9 8 3 ; G o l d s t e i n & E a s t e r , 1 9 9 2 ) A sa r e s u lt , c o n c e n t r a t e d a c i d p r o c e s s e s a c h i e v e t h e h i g hy i e l d s o f e t h a n o l c r i t i c a l t o e c o n o m i c s u c c e s s . O n t h eo t h e r h a n d , b e c a u s e o f t h e l a r g e q u a n t i t i e s o f s u l f u r i ca c i d r e q u i r e d a n d t h e r e l a t i v e l y h i g h c o s t o f h a l o g e na c i d s , a s u b s t a n t i a l f r a c t i o n o f t h e s e a c i d s m u s t b er e c o v e r e d t o a c h i ev e e c o n o m i c o p e r a ti o n . T h e m a j o rc h a l l e n g e i s t o r e c o v e r t h e a c i d s a t a c o s t s i g n i f i c a n t l yl e s s t h a n t h e p r i c e o f t h e s e i n e x p e n s i v e m a t e r i a l s( W r i g h t e t a l . , 1 9 8 5 ) S e v e r a l t e c h n o l o g i e s a r e n o wb e i n g p u r s u e d f o r a c i d r e c o v e r y w h i c h c o u l d m a k e i tp o s s i b l e t o a c h i e v e a p p l i c a t i o n f o r s o m e n e a r - t e r mm a r k e t s . O n e o f t h e p r i m a r y b e n e f i t s o f c o n c e n t r a t e da c i d p r o c e s s e s i s t h a t t h e y c a n c o n v e r t a w i d e v a r i e t y o fb i o m a s s f e e d s t o c k s i n t o s u g a r s f o r f e r m e n t a t i o n i n t oe t h a n o l ( G o l d s t e i n & E a s t e r , 1 9 9 2 ) E n z y m a t i c h y d r o l y s is o f li g n o c e l l u l o s i c b i o m a s sE n z y m e s k n o w n a s c e ll u la s e c a t a ly z e th e b r e a k d o w n o fc e l l u l o s e i n t o g l u c o s e f o r f e r m e n t a t i o n i n t o e t h a n o l .B e c a u s e e n z y m e s a r e h i g h l y s p e c i f i c i n t h e r e a c t i o n st h a t t h e y c a t a l y z e , f o r m a t i o n o f b y - p r o d u c t s a se v i d e n c e d i n d i l u t e a c i d h y d r o l y s i s i s a v o i d e d , a n dw a s t e t r e a t m e n t c o s t s a re r e d u c e d F u r t h e r m o r e , e n z y -m a t i c r e a c t i o n s t a k e p l a c e a t m i l d c o n d i t i o n s a n da c h i e v e h i g h y i e l d s w i t h r e l a t i v e l y l o w a m o u n t s o fc a t a l y s t s . E n z y m e s h a v e t h e f u r t h e r a d v a n t a g e i n t h a tt h e y a r e n a t u r a l l y o c c u r r i n g c o m p o u n d s w h i c h a r eb i o d e g r a d a b l e a n d e n v i r o n m e n t a l l y b e n i g n . A d v a n c e si n e n z y m e - b a s e d t e c h n o lo g y f o r e t h a n o l p r o d u c t i o nh a v e b e e n s u b s t a n t i a l o v e r t h e y e a r s , a n d a s a r e s u l t ,e t h a n o l p r o d u c t i o n c o s t s h a v e b e e n r e d u c e d c o n s i d er -a b l y . T h u s , l a r g e - s c a l e a p p l i c a t i o n o f e t h a n o l p r o d u c -

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E t h a n o l f r o m l i gn o c e l lu l o s ic b i o m a s s 7Lignocellulosic[ biomassI_ . .JPrehy,ro l y s i s [ ~ I G lucose I~ ] p r = re tm e r it -- ~ ~ y ~ ' l ~ ; ; ~ ' 1 erme ntation Ethanol

~ " ~ ~ ~ fe rm e n ta tio n 'L ignin J L ign in~1 process 'ng

F i g . 2. Eith er acids or enzymes can catalyze the break-down of cellulose into glucose for fermentation to ethanol.Th e hemicellulose can be brok en dow n to form xylose andother sugars that can also be converted into ethanol. Thelignin can be burn ed as a boiler fuel or co nverted to octaneboosters or chemicals (Wyman & G oodm an, 1993b).

U (b k

Fig. 3. For enzymatically catalyzed cellulose hydrolysis, apretreatmen t step is used to ope n up the biomass structure toma ke it accessible to cellulase enzymes that co nve rt celluloseinto glucose for fermentation to ethanol. The xylose andothe r sugars from th e hemicellulose are also fermen ted intoethanol. E nou gh lignin is available to prov ide all the processheat and electricity plus excess electricity to s ell for a dd edrevenue when l ignin is burned as a boiler fuel (Wyman,1993).t i o n t h r o u g h e n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f l i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s s i s n o w b e g i n n i n g t o a p p e a r e c o n o m i c a l l ya d v a n t a g e o u s .P r e t r e a t m e n tBe c a use l i gnoc e l lu los i c b iom a ss i s na tu r a l l y r e s i s t a n t t ob r e a k d o w n t o i t s c o m p o n e n t s u g a r s , t h e p r e t r e a t m e n ts t e p s h o w n i n F i g . 3 is n e e d e d t o o p e n u p t h e s t r u c t u r eof t he m a te r i a l , a nd to m a ke i t a c c e ss ib l e f o r e nz ym e st o h y d r o l y z e t h e c e l l u lo s e c o m p o n e n t a t a p p r e c i a b ler a te s a n d a c c e p t a b l e y i el d s. A n u m b e r o f o p t i o n s h a v eb e e n i n v e s ti g a te d f o r p r e t r e a t m e n t o f b i o m a s s , in c l u d -i n g a c i d - c a t a l y z e d s t e a m e x p l o s i o n ( C l a r k & M a c k i e ,1987) , s t e a m e xp los ion ( Br owne l l et a l . , 1986;B r o w n e l l & S a d d l e r, 1 9 8 4 ), a m m o n i a f ib e r e x p l o si o n( Da le et a l . , 1 9 8 5 ; H o l t z a p p l e e t a l . , 1990) , o r ga noso lv( C h u m e t a l . , 1985) , supe r c r i t i c a l e x t r a c t i on (Cho u ,1 9 8 6 ; R e y e s e t a l . , 1989) , a nd d i lu t e a c id p r e t r e a tm e n t .Cur r e n t ly , t he d i l u t e a c id p r oc e ss a ppe a r s t o be i n t heb e s t p o s i t i o n f o r n e a r - t e r m c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n( K n a p p e r t et a l . , 1980; 1981 ; Sc he l l e t a l . , 1991) . Inth i s p r oc e ss , a bou t 0" 5% su l f u r i c a c id i s a dde d to t hef e e d s t o c k , a n d t h e m i x t u r e i s h e a t e d t o a r o u n d1 4 0 - 1 6 0 C ( 2 8 0 - 3 2 0 F ) f o r 5 - 2 0 m i n ( G r o h m a n n e tal. , 1 9 8 5 ; 1 9 8 6 ; T o r g e t et a l . , 1 9 9 0 ). M o s t o f t h e h e m i -c e l lu l o s e is h y d r o l y z e d t o f o r m x y l o s e a n d o t h e r s u g a r s ,l e a v ing a por ous s t r uc tu r e o f p r im a r i l y c e l l u lose a ndl ign in t ha t is m or e a c c e ss ib l e to e n z ym a t i c ac t i on .

D i l u t e a c i d p r e t r e a t m e n t h a s b e e n a p p l i e d t o an u m b e r o f a g r i c u l t u r a l r e s i d u e s , s h o r t r o t a t i o n h a r d -w o o d s a n d h e r b a c e o u s e n e r g y c r o p s s u c c es s fu l ly , a n dthe d ige s t i b i l i t y o f t he p r e t r e a t e d m a te r i a l c o r r e l a t e sw e l l w i t h t h e f r a c t i o n o f h e m i c e l l u l o s e r e m o v e d ( G r o h -m a n n e t a l . , 1 9 8 6 ; T o r g e t e t a l . , 1988; 1990 ; 1991) .O t h e r p r e t r e a t m e n t a p p r o a c h e s o p e n u p t h e b i o m a s ss t r uc tu r e i n a s im i l a r f a sh ion to d i l u t e su l f u r i c a c id . I tw o u l d a l s o b e a d v a n t a g e o u s t o d e v e l o p e c o n o m i c a lt e c h n i q u e s t o r e m o v e t h e l i g ni n f r o m t h e b i o m a s s , s i n c ethe so l id l i gn in c a use s som e pr oc e ss ing d i f f i c u l t i e s i nt h e d o w n s t r e a m f e r m e n t a t i o n s t e p s . I n a d d i t i o n , i tw o u l d b e u s e f u l t o d e v e l o p p r e t r e a t m e n t a p p r o a c h e stha t a vo id t he f o r m a t ion o f sa l t s dur ing ne u t r a l i z a t i on .

M i n i m i z a t i o n o f b y - p r o d u c t f o r m a t i o n t h a t c o u l di m p e d e t h e s u b s e q u e n t f e r m e n t a t i o n s t e p s i s a l s o d e -sirable.E n z y m e p r o d u c t io nA l t h o u g h a n u m b e r o f o r g a n i s m s , i n c l u d i n g b a c t e r i aa nd f ung i, c a n p r od uc e c e l lu l ase , ge ne t ic a l l y a l t e r e ds t r a ins o f t he f ungus T r i c h o d e r m a r e e s e i a r e ge ne r a l l yuse d f o r t he c e l l u l ase p r odu c t ion s t e p i n F ig . 3 be c a useo f t h e i r s u p e r i o r p e r f o r m a n c e . S i m p l e b a t c h p r o d u c -t i on o f c e l l u l a se e nz ym e a c h ie ve s sa t i s f a c to r y r e su l t s .H o w e v e r , t h e b e s t p r o d u c t i v it i es a n d t i te r s fo r e n z y m ep r o d u c t i o n b y f u n g a l s y s t e m s t o d a t e h a v e g e n e r a l l yb e e n f o u n d f o r f e d - b a t c h o p e r a t i o n s i n w h i c h t h e p r e -t r e a t e d b i o m a s s i s s l o w ly a d d e d t o t h e e n z y m e p r o d u c -t i o n f e r m e n t e r d u r i n g t h e g r o w t h o f t h e f u n g u s a n d t h epr oduc t ion o f c e l l u l a se ( Wa t son e t a l . , 1984) . E xpe r i -m e n t s w i t h c o n t i n u o u s e n z y m e p r o d u c t i o n h a v e s u f-f e r e d f r o m l o w e r c e l l u la s e p r o d u c t iv i t ie s ( H e n d y e t a l . ,1984) .C e l l u l o s e h y d r o l y si s a n d g l u c o s e fe r m e n t a t i o nS e v e ra l a p p r o a c h e s h a v e b e e n e x a m i n e d f o r h y d r o ly s i so f c e ll u l o se a n d f e r m e n t a t i o n o f g l u c o se i n t o e t h a n o l a ss h o w n i n F ig . 3 . In o n e a p p r o a c h , t y p i ca l ly t e r m e ds e p a r a t e h y d r o l y s i s a n d f e r m e n t a t i o n ( S H F ) , c e l lu l a sef r o m t h e e n z y m e p r o d u c t i o n s t ep is a d d e d t o t h e b u l ko f t h e p r e t r e a t e d m a t e r i a l t o f o r m g l u c o s e f r o m t h e c e l -l u l o s e f r a c t i o n . U p o n c o m p l e t i o n o f t h e h y d r o l y s i sr e a c ti o n , y e a s t s f e r m e n t t h e g l u c o s e i n t o e t h a n o l . T h u s ,t he SH F pr oc e s s i nvo lve s d i s t i nc t p r oc e ss s t e ps f o r c e l-l u l a se p r odu c t ion , c e l l u lose hydr o lys i s , a nd g lu c ose f e r -m e nta t i on , a s shown in F ig . 4 ( M a nde l s e t a L , 1 9 7 4 ;W i l k e e t a l . , 1976) .

A s e c o n d c e l l u l o s e c o n v e r s i o n a p p r o a c h i s t e r m e dd i r e c t m i c r o b i a l c o n v e r s i o n ( D M C ) . I n t h i s o p t i o n ,m i c r o o r g a n i s m s s i m u l t a n e o u s l y p r o d u c e c e l l u l a s ee n z y m e , h y d r o l y z e c e ll u lo s e , a n d f e r m e n t g l u c o s e i n t oe tha n o l a s show n in F ig . 4 ( Ve ldhu i s e t a l . , 1 9 3 6 ; N g e t

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8 C . E . W y m a nal . , 1977; Ga uss e t a l . , 1976; L ynd , 1989) . I n t he m os te x t e n s i v e l y s t u d i e d v e r s i o n o f t h e D M C p r o c e s s , a no r g a n is m k n o w n a s C l o s t r i d i u m t h e r m o c e l l u m i s usedf o r e n z y m e p r o d u c t i o n , h y d r o l y s i s , a n d g l u c o s e f er -m e n t a t io n . C o f e r m e n t a t i o n w i t h a s e c o n d b a c t e r i u mk n o w n a s C l o s t r i d i u m t h e r m o s a c c h a r o l i t i c u m s im ul t a ne -ous ly c onve r t s t he he m ic e l lu lose suga r s i n to e tha no l .T o d a t e , t h e s e s y s t e m s h a v e s u f f e r e d f r o m f o r m a t i o n o fb y - p r o d u c t s s u c h a s a c e t ic a c i d d u r i n g t h e f e r m e n t a t i o npr oc e ss , t he r e by l im i t i ng the y i e lds a c h i e ve d . E tha no lc onc e n t r a t i ons t ha t suc h o r ga n i sm s w i l l t o l e r a t e a r ea l so l im i t e d . Howe ve r , t he suc c e ss f u l de ve lopm e nt o f

t h e D M C p r o c e ss t o a c h i e v e g o o d p e r f o r m a n c e c o u l dgr e a t ly s im pl i f y e tha no l p r oduc t ion f r om l ignoc e l -l u l o s i c b i o m a s s , a n d r e d u c e e t h a n o l p r o d u c t i o n c o s t s( L y n d e t a l . , 1 9 9 1 b ) .T h e c e l lu l o s e c o n v e r s i o n o p t i o n t h a t m a n y c u r r e n t l yf a vor i s t he s im ul t a ne ous sa c c ha r i f i c a t i on a nd f e r -m e n t a t i o n ( SS F ) p r o c e s s s h o w n i n F ig s 4 a n d 5 ( W r ig h t1988 ; Wr igh t e t a l . , 1988) . I n t h i s op t ion , t h e c e l l u loseh y d r o l y s i s a n d g l u c o s e f e r m e n t a t i o n s t e p s a r e c o m -b ine d in a s ing l e ve sse l ( Ga uss e t a l . , 1976; T a ka g i e ta l . , 1 9 7 7 ; G h o s h e t a l . , 1982) . S ince ce l lulase i s in-h ib i t e d by g luc ose a s i t i s f o r m e d , r a p id c onve r s ion o f

Lignocellulosicfeedstockl ~[Pret reatm en t -'=

Fermentativemicroorganism

,_ _ _ _ J C e llu la s e ~ ' ~~ l Simultaneousaccharificationand erme ntation

Directm icrob ial onv ersion[ H ea tand l Residue. . . . . .e l e c t r i c i t y . . . . . . . . . . . . . .generation

i w a s t Ireatment

._ Product I E than /rec v e r yResidue

Fig. 4. Distinct steps are involved for cellulase production, cellulose hydrolysis, and glucose ferme ntation for the separatehydrolysis and ferme ntation (SHF) process. Th e hydrolysis and fermen tation steps are c omb ined for the simultaneous sacchari-f ication and fermentation (SSF) process, while the direct microbial conversion (DMC) approach consolidates enzym e produc-tion with the hydrolysis and fermentation steps (Wym an e t a l . , 1992).

end o-g 'ucar seC e l lu lose h a in

beta-g lucosidase

~ ~ ~ S h o rte r e llu lo s echa insexo-g lucanase~ Cellobiosef r agments

I1 G l u c o s e

Y e a s tE t h a n o l

Fig. 5. In the SS F process , the cel lulose in pretreated biomass, cellulase enzym e, and y east are al l com bined in one vessel toimprove rates , yields , and concen trat ions o f ethanol ; reduce fermenter requiremen ts; and reduce the probab i l ity of invasion byunwanted microorganisms. The three activities that comprise cellulase (endoglucanase, exoglucanase, and fl-glucosidase) actsynergistically to bre ak do wn cellulose into glucose that ye ast ferm ents to ethano l (Wright, 1988a, b; Wright e t a l . , 1988).

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E t h a n o l f r o m l i g n oc e l l u lo s i c b i o m a s s 9t h e g l u c o s e i n t o e t h a n o l b y y e a s t r e s u l t s i n f a s t e r r a t e s ,h i g h e r y ie l ds , a n d g r e a t e r e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s t h a np o s s i b l e f o r S H F . F u r t h e r m o r e , b y c o m b i n i n g t h eh y d r o l y s i s a n d f e r m e n t a t i o n s t e p s i n o n e v e s s e l , t h en u m b e r o f f e r m e n t e r s r e q u i r e d i s a p p r o x i m a t e l y o n e -h a l f t h a t fo r t h e S H F p r o c e s s . T h e p r e s e n c e o f e t h a n o li n t h e f e r m e n t a t i o n b r o t h a l s o m a k e s t h e m i x t u r e l e s sv u l n e r a b l e to i n v a s i o n by u n w a n t e d m i c r o o r g a n i s m s .O v e r t h e y e a r s , su b s t a n t ia l p r o g r e s s h a s b e e n m a d e i nS S F t e c h n o l o g y fo r e t h a n o l p r o d u c t i o n ( L a s t i c k e t a l . ,1 9 8 4; W y m a n et a l . , 1 9 8 6 ; S p i n d l e r e t a l . , 1 9 8 8 ; 1 9 8 9 ;1 9 9 0 ; 1 9 9 1 ). T h e h y d r o l y s i s o f c e l l u l o s e is c a r r i e d o u tb y a m i x t u r e o f e n z y m e a c t i v it i e s c o l l e c ti v e l y k n o w n a sc e l lu l a s e . A s s h o w n i n F i g . 5, o n e a c t iv i ty d e s i g n a t e d a se n d o g l u c a n a s e b r e a k s t h e c e l l u l o s e s o m e w h e r e a l o n gt h e c h a in . T h e n a s e c o n d e n z y m e a c ti v it y d e s i g n a t e d a se x o g l u c a n a s e b r e a k s o f f t w o s u g a r u n i t s c a l l e d c e l lo -b i o s e f r o m t h e e n d o f t h e c h a in . T h e t h i r d e n z y m ea c t i v i t y , f l - g l u c o s i d a s e , c l e a v e s t h e s e t w o s u g a r u n i t sa p a r t t o f o r m g l u c o s e f o r f e r m e n t a t i o n i n t o e t h a n o l .C e l l o b i o s e is k n o w n t o b e a v e r y p o w e r f u l i n h i b it o r o fe x o g l u c a n a s e a c t i v i t i e s i n p a r t i c u l a r , a n d m i n i m i z a t i o no f t h i s s u g a r r e s u l t s i n h i g h e r r a t e s o f h y d r o l y s i s .N u m e r o u s e x p e r i m e n ts w i t h t h e S S F p r o c e s s h a v ec l e a rl y s h o w n t h a t h i g h f l - g l u c o s i d a s e a c ti v it y m i n i m i z e st h e a c c u m u l a t i o n o f c e l l o b i o s e i n t h e f e r m e n t a t i o nb r o t h . T h e r e f o r e , i t i s d e s i r a b l e e i t h e r t o e m p l o ye n z y m e s w i t h h i g h f l - g l u c o s i d a s e a c t i v i t y , a d d s u p p l e -m e n t a l f l - g l u c o s i d a s e t o t h e f e r m e n t a t i o n b r o t h , o re m p l o y y e a s t t h a t h a s t h e c a p a b i l i t y o f d i r e c t l y f e r -m e n t i n g c e l l o b io s e i n t o e t h a n o l .S e v e r a l y e a r s a g o , a b o u t 1 4 d a y s w e r e r e q u i r e d t oc o n v e r t u p t o 7 0 % o f c e l l u l o s e i n t o e t h a n o l a t a c o n -c e n t r a t i o n o f a b o u t 2 % b y t h e S S F p r o c e s s ( L a s t i ck e ta l . , 1 9 8 4 ). T h r o u g h s e l e c ti o n o f im p r o v e d c e l l u l as ea n d y e a s t s b e t t e r s u i t e d t o t h e S S F p r o c e s s , 9 0 - 9 5 %y i e l d s w i t h 4 - 5 % e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s c a n n o w b ea c h i e v e d i n o n l y 3 - 7 d a y s f o r a v a r ie t y o f f e e d s t o c k s( S p i n d l e r e t a l . , 1 9 9 0 ; 1 9 9 1 ). F u r t h e r m o r e , i t h a s b e e nf o u n d a d v a n t a g e o u s t o a d d t h e w h o l e c e l l b r o t h f r o mt h e e n z y m e p r o d u c t i o n s t e p c o n t a i n i n g n o t o n l y t h ec e l lu l a se p r o d u c e d , b u t t h e f u n g a l b io m a s s a n d r e s i d u a lc e l lu l o s e a n d l ig n i n u s e d i n e n z y m e p r o d u c t i o n i n t o t h eS S F v e s s e l ( T a k a g i e t a l . , 1 9 7 7 ; S c h e l l e t a l . , 1 9 9 0 ) .B e c a u s e s o m e e n z y m e i s t r a p p e d i n t h e f u n g a l c e l l s ,w h o l e b r o t h a d d i t i o n r e s u l t s i n g r e a t e r f l - g l u c o s i d a s ea c ti v it y e ss e n t ia l t o s u p e r i o r S S F p e r f o r m a n c e , a s w e l la s m o r e c o m p l e t e u t il i z a ti o n o f t h e s u b s t r a t e e m p l o y e df o r e n z y m e p r o d u c t i o n . T h e r e s u lt is h ig h e r o v e r a llp r o c e s s y i e l d s t h a n i f e n z y m e i s s e p a r a t e d f r o m t h eb r o t h .H e m i c e l l u lo s e c o n v e rs i o nI t is i n te r e s t in g t o n o t e t h a t t h e b r e a k d o w n o f c e l lu l o s et o f o r m g l u c o s e i s q u i t e d i f f i c u l t , w h i l e a n u m b e r o fo r g a n i s m s w h i c h h a v e b e e n a d a p t e d i n t h e f e r m e n t a -t i o n i n d u s t r y r e a d il y f e r m e n t g l u c o s e t o e t h a n o l . O n t h eo t h e r h a n d , t h e h e m i c e l l u l o s e f r a c t i o n o f m a n y f o r m so f b io m a s s , s u c h a s h a r d w o o d a n d g r a s s e s , is r a p id l y

b r o k e n d o w n t o i ts c o m p o n e n t s u g a r s i n th e d i l u te a c ido r o t h e r p r e t r e a t m e n t s te p . Y e t, c o n v e n t i o n a l o r g a n -i s m s c a n n o t e a s i l y c o n v e r t t h e f i v e c a r b o n s u g a r s t y p i -c a l l y c o m p r i s i n g h e m i c e l l u l o s e i n t o e t h a n o l . I f t h i sp o r t i o n i s n o t u s e d e f f e c ti v e ly , i t a d d s s u b s t a n t i a l c o s t sf o r w a s t e d i s p o s a l t o t h e p r o c e s s a n d r e s u l t s i n a s ig n i fi -c a n t l o s s o f p o t e n t i a l r e v e n u e f r o m a f r a c t i o n o f t h ef e e d s t o c k w h i c h w a s p a i d f o r .

S e v e r a l o p t i o n s h a v e b e e n e x a m i n e d f o r t h e p r o c e s so f c o n v e r s i o n o f x y l o s e i n t o e t h a n o l , s h o w n i n F i g. 3 . An u m b e r o f y e a s t s s u c h a s C a n d i d a s h e h a t a e , P i c h i as t i p i t i s , a n d P a c h y s o l e n t a n n o p h i l i s w i l l c o n v e r t x y l o s ei n t o e t h a n o l ( S k o o g & H a h n - H a g e r d a l , 1 9 8 8 ; P r io r etal. , 1 9 8 9 ; J e f f r i e s , 1 9 9 0 ) . H o w e v e r , s u c h s t r a i n sr e q u i r e t h a t s m a l l a m o u n t s o f o x y g e n b e a d d e d i n am i c r o a e r o p h i l i c o p e r a t i o n t o a c h i e v e r e a s o n a b l e x y l o s ey i e l d s ( L i g t h e l m et a l . , 1 9 8 8 ; G r o o t j e n e t a l . , 1 9 9 0 ) ;c o n t r o l o f t h e o x y g e n a t p r o p e r l e v e l s t o a c h i e v e h i g hy i e l d s a n d p r o d u c t i v i t y i s q u i t e d i f f i c u l t . F u r t h e r m o r e ,t h e s e s t r ai n s o f t e n c a n n o t t o l e r a t e s u c h h i g h e t h a n o lc o n c e n t r a t i o n s a s c o n v e n t i o n a l g l u c o s e - f e r m e n t i n gs t ra ins .O t h e r m i c r o o r g a n i s m s c a n f e r m e n t x y lo s e a n d o t h e rf i v e c a r b o n s u g a r s i n t o e t h a n o l , T h e s e i n c l u d e v a r i o u sb a c t e r i a a n d f u n g i ( C a r r e i r a e t a l . , 1 9 8 3 ; A s t h e r &K h a n , 1 9 8 4 ; A n t o n o p o u l o s & W e n e , 1 9 8 7 ; S l a p a c k e ta L , 1 9 8 7 ; L a c i s & L a w f o r d , 1 9 8 8 ; 1 9 8 9 ; B u c h e r t e tal., 1 9 8 9 ; L y n d , 1 9 8 9 ; C h r i s t a k o p o u l o s e t a l . , 1 9 9 1 ) .H o w e v e r , t o d a t e , h i g h e th a n o l t o l e r a n c e h a s n o t b e e nd e m o n s t r a t e d f o r t h e s e o r g a n i s m s , a l t h o u g h t h e r e i ss o m e e v i d e n c e t h a t b y p r o p e r p r o c e s s d e s i g n , r e a s o n -a b l e e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s m a y b e p o s s i b l e ( L y n d e tal., 1 9 9 1 b ) . F u r t h e r m o r e , i t i s n e c e s s a r y t o c o n s i s t e n t l yd e m o n s t r a t e r e a s o n a b l e e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s i n s u c hs y s te m s . T h e s e s y s te m s m u s t a l s o a c h i e v e h i g h e t h a n o ly i el d s to b e e c o n o m i c a l l y a d v a n ta g e o u s .

A n o t h e r a p p r o a c h t h a t h a s b e e n u s e d t o c o n v e r tx y l o se i n to e t h a n o l is t o p r o d u c e a n e n z y m e k n o w n a sx y l os e i s o m e r a s e t h a t w i ll c o n v e r t x y l o s e i n to a n i s o m e rc a l l e d x y l u l o s e ( C h a i n g et a l . , 1 9 8 1 ; J e f f r i e s , 1 9 8 1 ;T e w a r i e t a L , 1 9 85 ). T h i s e n z y m e h a s b e e n p r o d u c e db y g e n e t ic a l ly e n g i n e e r i n g t h e c o m m o n i n te s t in a l b a c -t e r i u m E s c h e r i c h i a c o l i s o t h a t i t c a n p r o d u c e l a r g eq u a n t it i e s o f x y lo s e is o m e r a s e u n d e r c o n t r o l l e d c o n d i -t i o n s . T h e x y l o s e , t h e e n z y m e , a n d a y e a s t s u c h a sS c h i z o s a c c h a r o m y c e s p o m b e a r e a d d e d t o t h e v e s s e ls i m u l t a n e o u s l y b e c a u s e t h e i s o m e r i z a t i o n r e a c t i o n i se q u i l ib r i u m - l i m i te d t o a b o u t 5 - 1 0 % c o n v e r s i o n l e ve ls( L a s t i c k e t a l . , 1 9 9 0 ) . B y h a v i n g t h e y e a s t p r e s e n t t oc o n v e r t t h e x y l u l o s e i n t o e t h a n o l a s x y l u l o s e i s f o r m e d ,y i e ld s o f t h e o r d e r o f 7 0 % a r e p o s s i b le . H o w e v e r , l o s so f x y l o s e t o f o r m x y l i to l is s ti ll o b s e r v e d . A l t h o u g h t h i sp r o c e s s h a s t h e a d v a n t a g e o f e m p l o y i n g a n a e r o b i cy e a s t o n a l a r g e s c a l e , t h e n e c e s s i t y o f a d d i n g x y l o s ei s o m e r a s e e n z y m e t o t h e b r o t h , c o m b i n e d w i t h d i f -f e r e n t p H o p t i m a f o r t h e e n z y m e a n d y e a s t , c o m -p l ic a t e s t h e t e c h n o l o g y ( H i n m a n e t a l . , 1 9 8 9 ) .A s o m e w h a t r e c e n t d e v e l o p m e n t ha s b e e n th eg e n e t i c e n g i n e e r i n g o f s e v e r a l b a c t e r i a i n c l u d i n g E . c o l i

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1 0 C . E . W y m a na n d K l e b s i e l l a o x y t o c a t o a l l ow the m to d i r e c t l y f e r -m e n t x y l o s e a n d o t h e r f i v e c a r b o n s u g a r s in t o e t h a n o l( I n g r a m & C o n w a y , 1 9 8 6 ; I n g r a m e t a l . , 1 9 8 7 ; O h t a e ta l . , 1 9 9 1 ; B u r n h a r d t & In g r a m , 1 9 9 2 ; W o o d & I n g r a m ,1 9 9 2 ). K e y g e n e s f r o m t h e g l u c o s e - f e r m e n t i n g b a c -t e r i um Z y m o m o n a s m o b i l i s h a v e b e e n i n c o r p o r a t e di n to t h e s e o r g a n i s m s t o a l lo w e t h a n o l p r o d u c t i o n . T h er e su l t is a s i ng le o r ga n i sm tha t c a n f e r m e nt xy lose in toe t h a n o l. C u r r e n t l y , b a c t e r ia m o d i f i e d b y t h i s a p p r o a c hm us t op e r a t e a t ne u t r a l pH , ne c e ss i t a t i ng t ha t c ons ide r -a b l e a m o u n t s o f b a s e b e a d d e d t o t h e f e r m e n t a t i o nb r o t h t o c o u n t e r t h e f o r m a t i o n o f s o m e a c i d s d u r i n gt h e f e r m e n t a t i o n . C o n t r o l o f i n v a s io n b y o t h e r o r g a n -i sm s i s a l so m or e d i f f i c u l t a t ne u t r a l pH tha n a t m or ea c id i c l e vel s t yp i c a l o f m os t ye a s t s.L i g n i n u t i l i z a t i o nT he th i r d l a r ge s t f r a c t i on o f l i gnoc e l l u los i c b iom a ss i stypica l ly l ignin. To achieve economic viabi l i ty , i t i sc r i ti c a l t o d e r ive va lue f r om the l i gn in fr a c t i on . Be c a usel ig n in h a s a h i g h e n e r g y c o n t e n t ( D o m a l s k i e t a l . ,1987) , i t c a n be use d a s a bo i l e r f ue l t o p r od uc e a ll t heh e a t a n d e l e c tr i ci t y f o r t h e e t h a n o l p r o d u c t i o n p r o c e s s ,a s shown in F ig . 3 ( Wr igh t , 1988c ; H inm a n e t a l . ,1 9 9 2 ). F u r t h e r m o r e , f o r m o s t b i o m a s s f e e d s t o c k s , t h ea m ount o f l i gn in p r e se n t i s so h igh t ha t e xc e ss e l e c -t ri c it y c a n a c t u a l ly b e g e n e r a t e d b e y o n d t h a t r e q u i r e df o r t h e p r o c e s s n e e d s , a n d a d d i t i o n a l r e v e n u e c a n b ega ine d f r o m the sa l e o f t he e x c e ss e le c t r ic i t y ; a bou t 8%of t he e ne r g y c on t e n t o f t he e tha n o l i s a va i l a b l e f o r s a l ea s e l e c tr i c it y f r o m t h e p r o c e s s ( H i n m a n e t a l . , 1 9 9 2 ;U S D e p a r t m e n t o f E n e r g y , 1 9 9 3 ) . G r e a t e r e l e ct r ic i t yr e v e n u e s c o u l d b e r e a l iz e d i f m o r e c a r e f u l h e a t i n t e g ra -t i o n c o u l d b e a c h i e v e d b e y o n d c u r r e n t p r o c e s s d e si g n s.

Be c a use l i gn in is a c om ple x ph e no l i c po lym e r , i t c a nb e b r o k e n d o w n t o f o r m a m i x t u r e o f m o n o m e r i cp h e n o l i c c o m p o u n d s a n d h y d r o c a r b o n s ( J o h n s o n e ta l . , 1 9 9 0 ) . T h e p h e n o l i c f r a c t i o n c a n b e r e a c t e d w i t ha l c o h o l s t o f o r m m e t h y l o r e t h y l ar y l e th e r s f o r u s e a so c t a n e b o o s t e r s . T h i s o p t i o n c o u l d g e n e r a t e a m o r eva lua b l e p r oduc t t ha n us ing l i gn in a s a bo i l e r f ue l , bu tt h e c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y m u s t b e s u f fi c ie n t ly l o w i nc o s t t h a t a n e t i n c o m e g a in i s a c h i e v e d f o r t h e e t h a n o lplant , r e la t ive to u se o f lignin as a boi le r fue l .L i g n i n c a n a l s o b e c o n v e r t e d i n t o a v a r i e ty o f c h e m i -c a l p r o d u c t s i n c l u d in g p h e n o l i c c o m p o u n d s , a r o m a t i c s ,d iba s i c a c ids , a nd o l e f ins ( Busc he , 1985) . T h e se c om -p o u n d s c o u l d a d d s i g n i f i c a n t r e v e n u e f o r t h e o v e r a l lp r o c e s s i n g p la n t , b u t t h e c o s t o f p r o d u c i n g s u c h c h e m i -c a ls m u s t b e l o w e n o u g h t o i n s u r e a n e t r e v e n u e g a i nr e l a t ive t o l i gn in use i n t he bo i l e r . I n a dd i t i on , be c a usethe m a r ke t f o r l i gn in c opr oduc t s i s l im i t e d r e l a t i ve t oe tha no l f ue l m a r ke t s , i t i s un l i ke ly t ha t l i gn in c onve r -s i o n in t o c h e m i c a l s c o u l d s u p p o r t a l a rg e n u m b e r o fe tha no l p l a n t s ( Ga ine s & Ka r pu k , 1987) .E t h a n o l r e c o v e r yT y p i ca l ly , e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s o f 3 - 1 2 % w ill r e s u l tf r o m f e r m e n t a t i o n o f t h e h e m i c e l l u l o s e a n d c e l l u l o s e

f r a c t i ons i n to e tha no l . I n a d d i t i on , t he r e w i ll be l e f t ove rso l id m a te r i a l s suc h a s l i gn in , e nz ym e s , un r e a c t e dc e l l u lose a nd he m ic e l l u lose , ye a s t, a nd va r ious sa l ts i nt h e f e r m e n t a t i o n b r o t h . T h e e n t i r e m i x t u r e c a n b e f e dto a d i s t i l l a t i on ( be e r ) c o lum n to c onc e n t r a t e t hee t h a n o l i n t h e o v e r h e a d p r o d u c t , w h i l e w a t e r a n d s o li d se x it f r o m t h e b o t t o m o f t h e d e v ic e . T h e s o m e w h a te n r i c h e d e t h a n o l s t r e a m c a n t h e n p a s s t o a s e c o n dr e c ti f ic a t io n c o l u m n f o r c o n c e n t r a t i o n o f t h e e t h a n o l -w a t e r m i x t u r e t o t h e a z e o t r o p e c o m p o s i t i o n o f a b o u t9 5 % b y w e i g h t e t h a n o l . T h e b o t t o m s f r o m t h e f i r s tc o l u m n c a n b e f u r t h e r c o n c e n t r a t e d b y c e n t r i f u g a t i o no r o t h e r p r o c e s s e s t o p r o v i d e a h i g h s o l i d s c o n t e n tm a te r i a l t ha t c a n b e use d a s a bo i l e r fue l . I f t he e tha no li s u s e d a s a h y d r o u s f u e l , t h e a z e o t r o p i c m i x t u r e w o u l db e s u i t a b l e w i t h o u t f u r t h e r p r o c e s s i n g ( W y m a n &H i n m a n , 1 9 9 0 ; H i n m a n e t a l . , 1 9 9 2 ; U S D e p a r t m e n to f E n e r g y , 1 9 9 3 ). H o w e v e r , s i n c e w a t e r h a s a l o w m i s -c ib il it y in ga so l ine , i t is ne c e s sa r y t o b r e a k t he e tha no l -w a t e r a z e o t r o p e i f a n h y d r o u s e t h a n o l i s n e e d e d f o rb l e nd ing w i th ga so l ine . T h i s c a n b e do ne b y u t il i zing at h i rd c o m p o n e n t , s u c h a s b e n z e n e o r c y c l o h e x a n e , i n at e r na r y d i s t i l l a t i on c o lum n. M ole c u l a r s i e ve s suc h a sc or n g r it s c ou ld a l so be us e d t o p r e f e r e n t i a l l y a bso r bt h e e t h a n o l o r w a t e r p h a s e o f t h e m i x t u r e. P e r v a p o r a -t io n m e m b r a n e s t h a t a r e p e r m e a b l e t o o n l y o n e o f t h ec o m p o n e n t s , s u c h a s w a t e r , w h i le r e ta i n i n g t h e e t h a n o l ,c o u l d b e u s e d t o c o n c e n t r a t e e t h a n o l . A t p r e s e n t , d i st il -l a ti o n w i th a t h i r d c o m p o n e n t a n d m o l e c u l a r si ev e s a ret y p ic a l ly u s e d i n c o m m e r c i a l o p e r a t i o n s .

P R O J E C T E D C O S T O F E T H A N O LHistorical progressI n 1 9 8 0 , t h e p r o j e c t e d c o s t o f p r o d u c i n g e t h a n o lf r o m l ig n o c e ll u lo s i c b i o m a s s w a s a b o u t U S S 0 . 9 5 /l i te r ( USS3 .60 /g a l l on) ( W r igh t , 1988 a , b ). S inc e t ha tt i m e , s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t s h a v e b e e n m a d e i nc e l l u la se f o r a pp l i c a t i on t o e tha n o l p r oduc t ion . I n a dd i -t i on , by u t i l i z ing t he SSF ins t e a d o f t he SHF pr oc e ss ,m u c h b e t t e r r a t e s , y i e ld s , a n d c o n c e n t r a t i o n s h a v e b e e na c h i e v e d f o r e t h a n o l p r o d u c t i o n . F e r m e n t a t i v em i c r o b e s h a v e b e e n i d e n t i f i e d t h a t i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e o f th e S S F p r o c e s s f u r th e r . A d v a n c e s i nm i c r o o r g a n i s m s t o c o n v e r t t h e x y l o s e f r a c t i o n i n t oe t h a n o l h a v e a l s o i m p r o v e d t h e e c o n o m i c s . A s a r e s ul t,t h e p r o j e c t e d s e ll in g p r i c e o f e t h a n o l h a s b e e n r e d u c e dto a bou t USS0.32 / l i t e r ( USS1.22 /ga l l on) , a s shown inF i g . 6 ( U S D e p a r t m e n t o f E n e r g y , 1 9 9 3 ).O pp o rt uni ti e s f or t echno lo g y impro v em entA l t h o u g h c o n s i d er a b le p r o g r es s h a s b e e n m a d e i n t h et e c h n o l o g y f o r c o n v e r s i o n o f l i g n o c e i l u l o s i c b i o m a s sin to e tha no l , subs t a n t i a l oppor tun i t i e s s t i l l e x i s t t ol o w e r t h e p r o j e c t e d s e l li n g p r ic e ( H i n m a n e t a l . , 1 9 9 2 ;U S D e p a r t m e n t o f E n e r g y , 1 9 9 3 ). I n t h e p r e t r e a tm e n ta r e a , t h e s e i n c l u d e r e d u c t i o n o f t h e m i l l i n g p o w e r b y2 5 % t h r o u g h o p t i m i z e d a p p r o a c h e s t o s i z e r e d u c t i o n .

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9/13

Ethanol fro m lignocellulosic biomass 11

198019821985

198619891993

0.00

SHF with QM 9414 cellulase ~ 0.95~0 .71HF with Rut C-30 c e l l u l a s e

SHF w ith Genencor 150L cellulase/J 0.59

SHF to SSF [] 0.44Xylose~ n v e r s i o n ~0 . 3 4

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Ethanols e l l i n g p r i c e (S/liter)

F ig . 6 . Th e p ro jec ted se l li ng p r ice o f e thano l a t t he p lan tg a t e h a s d r o p p e d f r o m a b o u t U S S 0 . 9 5 / l i t e r ( U S S 3 . 6 0 /g a l l o n ) i n 1 9 8 0 t o a b o u t U S S 0 . 3 2 / l i t e r ( U S S 1 . 2 2 / g a l l o n )now th rough improvements i n ce l l u lase enzymes , f e rmen ta -t ive m icroorgamsms, process ing approaches, and xy loseconve rs ion techno logy.

I m p r o v i n g t h e y i e l d o f s u g a r s f r o m h e m i c e l l u l o s eh y d r o l y s is f r o m a b o u t 8 0 t o o v e r 9 0 % w o u l d a ls or e d u c e t h e c o s t o f e t h a n o l p r o d u c t i o n . I n n o v a t i v ep r e t r e a t m e n t d e s i g n s o r a l t e r n a t i v e a p p r o a c h e s c o u l db e u s e d t o i n c r e a s e t h e d i g e s t ib i l it y o f t h e c e l l u l o s e f o rc o n v e r s i o n i n t o e t h a n o l , m i n i m i z e t h e d e g r a d a t i o n o fh e m i c e l l u l o s ic su g a r s d u r i n g p r e t r e a t m e n t , a n d r e d u c ee n e r g y r e q u i r e m e n t s f o r p r e t r e a t m e n t .A n o t h e r o p p o r t u n i t y i s t o i m p r o v e t h e u t il iz a t io n o ft h e h e m i c e l l u l o s e f r a c t i o n o f l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s .T h i s i n c l u d e s i m p r o v i n g t h e y i e ld o f f iv e c a r b o n s u g a rsf r o m h e m i c e l l u lo s e d u r i n g t h e p r e t r e a t m e n t s t e p a sm e n t i o n e d a b o v e . I n a d d i t i o n , i t i s d e s i r a b le t o i m p r o v et h e y i e l d s o f e t h a n o l f r o m x y l o s e , f r o m t h e c u r r e n tl e v e l s o f a b o u t 7 0 t o o v e r 9 0 % , t h r o u g h b e t t e r f e r -m e n t a t i v e o r g a n i s m s . I m p r o v e d e t h a n o l p r o d u c t i v i t yw o u l d a l s o b e b e n e f i c i a l i n r e d u c i n g t h e c o n v e r s i o nt i m e s f r o m t w o d a y s t o o n l y o n e d a y o r l e s s . A n o t h e rb e n e f i t w o u l d b e g a i n e d b y e l i m i n a t i n g t h e r e q u i r e m e n tf o r i n o c u l u m p r e p a r a t i o n t o s e e d h e m i c e l l u lo s e c o n -v e r s i o n v e s s e l s . U s e o f o r g a n i s m s w h i c h c a n t o l e r a t eh i g h e r e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s w o u l d i m p r o v e t h ee c o n o m i c s o f x y lo s e c o n v e r s i o n i n t o e t h a n o l , b y a l lo w -i n g s m a l l e r f e r m e n t a t i o n v e s s e l s a n d r e d u c t i o n i ne t h a n o l r e c o v e r y c o s t s. X y l o s e f e r m e n t i n g o r g a n i s m sm u s t a l s o t o l e r a t e v a r i o u s b y - p r o d u c t s c r e a t e d d u r i n gt h e p r e t r e a t m e n t p r o c e s s .T h e c e l l u l o s e c o n v e r s i o n s t e p c o u l d b e n e f i t f r o mf u r t h e r t e c h n o l o g i c a l i m p r o v e m e n t s . F i r s t , i t i s d e s i r -a b l e t o d e v e l o p t e c h n o l o g y t o i m p r o v e t h e y i e l d o fe t h a n o l f r o m c e l l u l o s e f r o m t h e c u r r e n t p r o j e c t e dl ev e ls o f 7 0 - 9 0 % , t h r o u g h i m p r o v e m e n t s in t h ep r e t r e a t m e n t s t e p t o m a k e t h e c e l l u l o s e m o r e a c c e s -s i b l e t o e n z y m e s , a s w e l l a s t h r o u g h t h e e n z y m a t i ch y d r o l y s i s s t e p b y i n c r e a s i n g e n z y m e a c t i v i t y . S u c hi m p r o v e m e n t s c o u l d a l s o d e c r e a s e c o n v e r s i o n t i m e sf r o m t h e c u r r e n t l e ve l s o f 5 - 7 t o 2 - 3 d a y s. R e d u c t i o n si n t h e c o s t o f c e l l u l a s e b y h i g h e r p r o d u c t i v i t i e s a n dt it e rs w o u l d f u r t h e r i m p r o v e t h e e c o n o m i c s . I m p r o v e -

m e n t s i n c e l l u l a s e s p e c i f i c a c t i v i t y w o u l d a l s o b e n e f i tt h e p r o c e ss b y r e d u c i n g t h e a m o u n t o f e n z y m er e q u i r e d t o a c h i e v e a g i v e n s u g ar , a n d t h e r e f o r e e t h a -n o l , y ie ld . I f co s t -e f f e c ti v e m e t h o d s c o u l d b e d e v e l o p e df o r e n z y m e r e c o v e r y i n t h e c o n v e r s i o n p r o c e s s ,e x t e n d e d l i f e t i m e o f e n z y m e s c o u l d h e l p t o r e d u c ee t h a n o l p r o d u c t i o n c o s t s . C e l l u l o s e c o n v e r s i o n w o u l da l s o b e n e f i t b y i n s u r i n g p r o p a g a t i o n o f f e r m e n t a t i v eo r g a n i s m s i n t h e e t h a n o l p r o d u c t i o n v e s s e l , t h e r e b ye l i m i n a ti n g th e n e e d f o r s e e d f e r m e n t a t i o n v e s s el s f o ri n o c u l u m p r e p a r a t i o n . I m p r o v i n g t h e e t h a n o l c o n c e n -t r a ti o n s f r o m t h e c u r r e n t le v e ls o f 4 - 5 % t o 8 - 1 2 %w o u l d l o w e r t h e c o s t o f e t h a n o l r e c o v e r y s o m e w h a t ,a n d r e d u c e t h e s iz e o f f e r m e n t a t i o n v e s se l s n e e d e d f o rt h e f e r m e n t a t i o n s t e p.R e d u c t i o n s i n th e p o w e r r e q u i r e m e n t f o r th e o v e r a llp r o c e s s w o u l d l o w e r e t h a n o l c o s t s . T a r g e t s i n c l u d ep o w e r n e e d e d f o r a i r c o m p r e s s o r s , v e s se l m ix i n g, a n ds iz e r e d u c t i o n . D e c r e a s i n g t h e n u m b e r o f v e ss e ls , s e e dv e s s e l r e q u i r e m e n t s , a n d e n z y m e u s e w o u l d a l s or e d u c e t h e s e c o s ts . P o w e r r e q u i r e m e n t s f o r s i ze r e d u c -t i o n c o u l d b e r e d u c e d e i t h e r b y u t i l i z i n g m a t e r i a l s t h a ta r e m o r e e a s il y m i ll e d , s u c h a s h e r b a c e o u s c r o p s , o r b yd e v e l o p i n g e q u i p m e n t o r p r o c e s s i n g s e q u e n c e s t h a tm o r e e f f i c ie n t l y r e d u c e p a r t i c l e s i ze .

I n a d d i t i o n , i t i s n e c e s s a r y t o i n t e g r a t e t h e e n t i r ee t h a n o l p r o d u c t i o n p r o c e s s t o u n d e r s t a n d t h e i n t e r a c -t i o n s a m o n g a l l t h e p r o c e s s s t e p s f r o m f r o n t t o b a c k .F e e d s t o c k s m u s t b e p r o c e s s e d e x a c t l y a s s p e c i f i e d i np r o c e s s f l o w s h e e t s d e v e l o p e d t h r o u g h p r o c e s s e n g i -n e e r i n g s t u d ie s , a n d t h e p e r f o r m a n c e o f th e i n t e g r a t e dp r o c e s s d e t e r m i n e d . T h e f l o w s h e e t m u s t t h e n b em o d i f i e d a n d c o s t i m p a c t s d e t e r m i n e d t o a d d r e s sp r o b l e m s i d e n t i f i e d . S u b s t a n t i a l p r o g r e s s h a s b e e nm a d e i n t h i s d i r e c t i o n , b u t f u l l p r o c e s s i n t e g r a t i o n i ss t i l l n e e d e d , p a r t i c u l a r l y a t t h e p i l o t s c a l e , t o e x a m i n ei n t e r a c ti o n s a m o n g p r o c e s s s t e p s a n d a c c u r a t e lym e a s u r e m a t e r ia l a n d e n e r g y b a la n c e s . F u r t h e r m o r e , i ti s d e s i r a b l e t o e x a m i n e t h e p e r f o r m a n c e o f f u l l y i n -t e g r a t e d c o n t i n u o u s s y s t e m s t o d e t e r m i n e t h e i r p e r -f o r m a n c e f o r l i g n o c el lu l o s ic b i o m a s s c o n v e r s i o n .

A n a r e a t h a t c o u l d b e n e f it f r o m c o n t i n u i n g a d v a n c e si n r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t i s t h e f e e d s t o c k p r o d u c -t i o n a n d c o l l e c t i o n a c t i v i t y . B i o m a s s f e e d s t o c k s w h i c hc o n t a i n h i g h e r f r a c t i o n s o f f e r m e n t a b l e s u g a r s a r ed e s ir a b le . F e e d s t o c k c o s t s u n d e r U S S 1 . 9 0 / G J ( U S S 2 /m i l l i o n B t u ) c o u l d b e a c h i e v e d t h r o u g h e n h a n c e db i o m a s s p r o d u c t i v i t y . L o w e r c o s t f e e d s t o c k s w i t h ah i g h e r c a r b o h y d r a t e c o n t e n t d e c r e a s e f e e d s t o c k s c o st s,i n c r e a s e e t h a n o l y i e l d s , a n d s u p p o r t a l a r g e r e t h a n o lp r o d u c t i o n p l a n t w i t h i n a g iv e n l a n d a r e a .

P r o c e s s e n g i n e e r i n g s t u d ie s h a v e s h o w n t h a t ac o m b i n a t i o n o f i m p r o v e m e n t s a s m e n t i o n e d a b o v ec o u l d r e d u c e t h e p r o j e c t e d s e l l i n g p r i c e o f e t h a n o lf r o m t h e c u r r e n t l e v e l o f U S S 0 . 3 2 / l i t e r ( U S S 1 . 2 2 /g a l l o n ) t o a b o u t U S S 0 . 1 8 / l i t e r ( U S S 0 . 6 7 / g a l l o n ) ( F i g .7 ). S u c h a p r i c e w o u l d b e c o m p e t i t i v e w i t h g a s o li n ed e r i v e d f r o m o i l a t a b o u t U S S 2 5 / b a r r e l w i t h o u t ta xi n c e n ti v e s . W i t h a g g r e ss i v e R & D , t h is g o a l c o u l d b e

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12 C . E . W y m a n

P r e t r e a t m e n t

H e m i c o l l u l o s e Ic o n v e r s i o n

C e l l u l o s e Iconversion

p t ' o d u ~ o nand c o 0 e c t i o n

Inl prM h41~lioIIIuI~ ~Jfolyli8 o G~/~ romM h ~ Z Q m a lc e upI n ~ x ! ~ t o ) ~ d t o 0 ~ f ~ n 8 5 ~D e c 1~ N u le t i ~ t o I d s y f r o m d a y sI m p r o v en o c u lu m ~I m p r o v e I I I u lo e e o y i ~ 4 d o O ~ D r o m 2 %O ~ W ~ e ~ t l m e o d s } ~ f ~ ;' a } ~I f l~x 'c t~ NtZyi l le iC~Vltyp y a t e l y - f 2 -3, , , ~ . , , . . , ~ b . . ~ . , , ~ , = . , t ,~ , ~ . , . . ,, , ~ , ~ ~ ~ i~ f ~ ~ it o $ 2 .o (~ o a u fro m$ 2 , ~ 0

O . O 0 O . O g 0 . 1 8

II

II

II

I

I0 . 2 7 0 . 3 6E t h a n o l s e J l in g p r i c e ( S / l it e r )Fig. 7. A num ber of opportunities have be en identified toreduce the sell ing pr ice of ethano l to b e com petit ive w ithgasoline from oil at US S26/barrel. One scenario forimprovemen ts in technology to achieve this goal is illustratedhere.

a c h i e v e d ju s t a f t e r t h e t u r n o f t h e c e n t u r y , a s s h o w n i nFig. 8.

Gate pr ice ($ /Lgasol ine equiva lent)6

01980 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 5 2 0 1 0Y e a rFig. 8. Substantial progress has bee n m ade on technologyfor ethanol production from biomass and continuedimprovements w ould m ake ethanol competi tive with Depart-men t of Energy price projections for gasoline by abo ut theyear 2000. The range of ethanol pr ices shown depends on

return on capital requirements (Lynd e t a l . , 1991 a).

N e a r t e r m a p p l i c a ti o n sT h e c u r r e n t p r o j e c t e d s e l l i n g p r i c e o f U S S 0 . 3 2 / l i t e r( USS1.22 /ga l l on) f o r e tha no l f r om l i gnoc e l l u los i cb i o m a s s i s i n t h e r a n g e o f c o r n e t h a n o l m a r k e t p r i ce s .T h u s , a l t h o u g h t h e g o a l is t o l o w e r th e c o s t o f e t h a n o lp r o d u c t i o n t o b e c o m p e t i t i v e w i t h g a s o li n e th r o u g ht e c h n o l o g y i m p r o v e m e n t s , it m a y b e p o s s i b le t o a p p l ye x is t in g t e c h n o l o g y to p r o d u c e e t h a n o l f r o m b i o m a s sf o r a p p l i c a t io n i n t h e c u r r e n t g a s o l i n e b l e n d in g m a r k e t .F u r t h e r m o r e , t h e p r o j e c t e d s e l l i n g p r i c e i s b a s e d o nf e e d s to c k c o s ti n g U S S 4 6 / d r y t o n n e ( U S S 4 2 / t o n ) f o r ag r a s s r oo t s p l a n t , a nd t h is f e e ds to c k c os t t r a ns l a t e s in toU S S 0 . 1 2 / l i te r ( U S S 0 . 4 6 / g a l lo n ) o f e th a n o l p r o d u c e d( H i n m a n e t a l . , 1 9 9 2 ). T h e r e m a i n i n g U S S 0 . 2 0 / l i t e r( USS0.76 /ga l l on) o f t he p r o j e c t e d se l l i ng p r i c e c ove r sope r a t i ng , c he m ic a l s , a nd o th e r c os t s , a s we l l a s r e tu r non c a p i t a l i nve s t e d . I f a n i ne x pe ns ive m a te r i a l wa s use da s t h e fe e d s t o c k , t h e p r i c e o f e t h a n o l w o u l d b e r e d u c e da c c or d ing ly . I n a dd i t i on , i n t e gr a t i on o f t he p r oc e ss i n toa n e x i s t i ng p l a n t , o r r e c ove r y o f h ighe r va lue l i gn inc o p r o d u c t s , c o u l d l o w e r t h e p r o j e c t e d p r i c e o f e t h a n o l .S u c h o p p o r t u n i t i e s w o u l d a l lo w a p o s s i b l e h i g h e r r a teo f r e t u r n t o c o m p e n s a t e f o r t h e r i s k o f b u i l d in g t h e f i r stp l a n t s . T h e l o w e r p r o j e c t e d s e l l i n g p r i c e w o u l d a l s op r o v i d e a g r e a t e r m a r g i n t o c o m p e n s a t e f o r u n c e r t a i n -t i es i n t e c hno log y . As a r e su lt , a n op po r tun i ty i s p r e -s e n t e d t o a p p l y t h e t e c h n o l o g y in c o m m e r c i a l m a r k e t snow .

G L O B A L C L IM A T E C H A N G EE v e n t h o u g h c a r b o n d i o x i d e i s r e l e a s e d d u r i n g t h ef e r m e n t a t i o n o f s u g a r s to f o r m e t h a n o l , t h e c o m b u s t i o no f l ig n i n to p r o v i d e e l e c tr i c it y a n d h e a t f o r t h e p r o c e s s ,a n d t h e b u r n i n g o f e t h a n o l t o f u e l a v eh i c le , t h e c a r b o nd i o x i d e i s r e u t i l i z e d t o g r o w n e w b i o m a s s t o r e p l a c et h a t h a r v e s t e d f o r e t h a n o l p r o d u c t i o n . A s a r e s u l t , n on e t c a r b o n d i o x i d e a c c u m u l a t e s i n t h e a t m o s p h e r e .T h u s , s o l o n g a s r e n e w a b l e fe e d s t o c k s a r e u s e d

t h r o u g h o u t t h e p r o c e s s , e t h a n o l p r o d u c t i o n d o e s n o tl e a d t o t he po t e n t i a l g loba l c l im a te c ha nge . E ve n i ff os s i l f ue l m us t be use d f o r b iom a ss f e r t i l i z e r ,ha r ve s t i ng , f ue l t r a nspor t , a nd o the r s t e ps , t he t o t a la m o u n t r e q u i r e d i s s o m o d e s t t h a t l i t t l e i m p a c t o nc a r b o n d i o x i d e a c c u m u l a t i o n i s e v i d e n c e d r e l a t i v e t oc o n v e n t i o n a l f u e l u s e ( W y m a n & H i n m a n , 1 9 9 0 ; L y n de t a l . , 1 9 9 1 a ) ; t h e s e s o u r c e s c o u l d b e d e r i v e d f r o mr e n e w a b l e r e s o u r c e s , r es u l ti n g i n n o n e t c a r b o n d i o x i d eb u i ld - u p . F u r t h e r m o r e , w h e n e x c e s s e l e ct r ic i ty f r o mthe e tha no l p l a n t d i sp l a c e s f os s i l - de r ive d e l e c t r i c i t y ,e v e n f u r t h e r c a r b o n d i o x i d e b e n e f it s a r e g a i n e d .C O N C L U S I O N SE t h a n o l is a n e x c e l le n t t r a n s p o r t a t i o n f u e l t h a t c a n b eb l e n d e d w i t h g a s o l in e e i t h e r d i r e c t ly o r a s E T B E t or e d u c e e m i s si o n s o f o z o n e - fo r m i n g c o m p o u n d s a n dc a r b o n m o n o x i d e , o r u s e d a s a n e a t f u e l t o r e d u c e t h er e le a s e o f o z o n e - f o r m i n g c o m p o u n d s . I n b o t hi n s t a n c e s , e t h a n o l u s e c a n i m p r o v e u r b a n a i r q u a l i t y .B e c a u s e e n o u g h w a s t e m a t e r ia l s a n d e n e r g y c r o p s c a nb e m a d e a v a i la b l e to p r o d u c e s u f fi c ie n t e t h a n o l t or e p l a c e a l l ga so l i ne use d i n t he US , t he po t e n t i a le tha no l supp ly f r om b iom a ss i s subs t a n t i a l , a nd l a r ge -s c a l e a p p l i c a t i o n w o u l d t h e r e b y r e d u c e t h e s t r a t e g i cvu lne r a b i l i t y t o d i s r up t ions i n o i l supp ly , whi l e sub-s t a n t i a l l y im pr ov ing t he ba l a nc e o f t r a de de f i c i t f o ri m p o r t e d o il . T e c h n o l o g i e s h a v e a d v a n c e d s ig n i fi c an t lyf o r t he c onve r s ion o f l i gnoc e l l u los i c b iom a ss i n toe t h a n o l , s o t h a t t h e p r o j e c t e d p r i c e o f e t h a n o l f r o ml ignoc e l lu los i c b iom a ss i s no w c om pe t i t i ve w i th e tha n o ld e r i v e d f r o m c o r n . F u r t h e r m o r e , o p p o r t u n i t i e s h a v eb e e n i d e n t i f i e d w h i c h w i l l r e d u c e t h e c o s t o f e t h a n o lp r o d u c t i o n t o b e c o m p e t i t i v e w i t h g a s o li n e , w i t h o u t t h en e e d f o r s p e c i a l t a x i n c e n t i v e s . E t h a n o l p r o d u c t i o nf r o m l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s o f f e r s t h e a d d e d a d v a n -t a g e i n th a t n o n e t a c c u m u l a t i o n o f a t m o s p h e r i c c a r b o nd iox id e r e su l t s.

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Ethanol from lignocellulosic biomass 13

ACKNOWLEDGEMENTT h e i n f o r m a t i o n p r o v i d e d i n t h i s p a p e r i s m a d e p o s -s i bl e t h r o u g h t h e s u p p o r t o f t h e B i o f u e l s S y s te m s D i v i -s i o n o f t h e O f f i c e o f A l t e r n a t i v e F u e l s o f t h e U SD e p a r t m e n t o f E n e rg y .

REFERENCESA n t o n o p o u l o s , A . A & W e n e, E . G . ( 1 9 8 7 ). Fusarium straind e v e l o p m e n t a n d s e l e c t i o n f o r e n h a n c e m e n t o f e t h a n o lp r o d u c t i o n . FY 1987 Biochemical Conversion ProgramAnnual Review. N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y ,G o l d e n , C O , p . C - 5 1 .Asthe r , M. & Khan , A . W. (1984) . Conv ers ion of ce l lob ioseand xy lose to e thanol by immobi l i zed growing ce l l s o fClostridium saccharolyticum o n c h a r c o a l su p p o r t. Biotech.Lett., 6(12) , 809 .Browne l l , H . H . & Saddle r , J . N . (1984) . S t eam explos ion

pre t rea tment fo r enzymat i c hydro lys i s . Biotech. Bioeng.Symp., 14, 55.Brown e l l , H . H . , Yu, E . K . C. & Saddle r , J . N . (1986) . S t eam-explos ion p re t rea tm ent o f wood: e f fec t o f ch ip s i ze , ac id ,m o i s t u r e c o n t e n t a n d p r e s su r e d r o p . Biotech. Bioeng., 28 ,7 9 2 .Bucher t , J . , Po l s , J . & Poutanen , K . (1989) . The use ofs t eamed hemice l lu lose a s subs t ra t e i n mic robia l conver -sions. Appl. Biochem. Biotech., 2 0 / 2 1 , 3 0 9 .Burn hard t , G . & Ingram, L . O . (1992) . Convers io n of xy lanto e thanol b y e thanologenic s t ra ins o f Escherichia coli an dKlebsiella oxytoca. Appl. Environ. Microbiol., 58(4) ,1 1 2 8 .Busche , R . M. (1985) . The bus iness o f b iomass . Biotech.Prog., 1(3), 165.Buss, M. M., Shipley, T. M., Sheffey, L. L. , Broder , J . D. ,Lam ber t , R . O . & Bar r i e r , J . W. (1992) . Des ign of a com-merc ia l p l an t fo r e thanol p ro duc t ion f rom m unic ipa l so l idwaste . Pos t e r p resen ted a t t he 14 th Symposium on Bio-t echno logy for Fue ls and C hemica l s , Ga t l inburg , TN.Car re i ra , L . H . , Wiege l , J . & L jungdahl , L . G . (1983) . P ro-d u c t i o n o f e t h a n o l f r o m b i o p o l y m e r s b y a n a e r o b i c ,the rmop hi l i c , and ex t rem e the rmoph i l i c bac t e r ia : I. Regu-l a t ion of ca rbohydra t e u t i l i za t ion in mutan t s o f Thermo-anaerobacter ethanolicus. Biotech. Bioeng. Symp., 13, 183 .Chaing, L. C. , Hsiao, H. Y. , Ueng, P . P . , Chen, L. E & Tsao,G . T . ( 1 9 8 1 ) . E t h a n o l p r o d u c t i o n f r o m x y l o se b y e n z y -mat i c i somer i za t ion and yeas t f e rmenta t ion . Biotech. Bio-eng. Symp., 1 1 , 2 6 3 .Chou, Y . C. T . (1986) . Superc r i t i ca l ammonia pre t rea tmentof l ignocel lulosic mater ia ls. Biotech. Bioeng. Symp., 17,18 .Chr i s t akop oulos , P ., Koul la s , D . P . , Kekos , D . , Koukios , E . G .& Macr i s , B . J. (1991) . D i rec t e thanol conv ers ion of p re -t rea t ed s t raw by Fusarium oxysporum. Biores. Technol.,3 5 , 2 9 7 .Chum, H . L . , Douglas , L . J . , Fe inbe rg , D . A . & Schroeder ,H . A . ( 1 9 8 5 ). E v a l u a t i o n o f p r e t r e a t m e n t s o f b i o m a ss f o re n z y m a t i c h y d r o l y s i s o f c e l l u l o se . S E R 1 / T P - 2 3 1 - 2 1 8 3 ,N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y , G o l d e n , C O .Cla rk , T . A . & M ackie , K . L . (1987) . S t eam explos ion of t heso f t w o o d Pinus radiata wi th su l fur d iox ide addi t ion , 1 .P rocess op t imiza t ion . J . Wood Chem. Tech., 7(3), 373 .

C o m m o d i t y R e s e a rc h B u r e au ( 1 99 1 ). 1 9 9 l C R B C o m -m o d i t y Y e a r B o o k . C o m m o d i t y R e se a r c h B u r e a u , N Y .Da le , B . E . , Henk , L . L . & Shiang , M. (1985) . Fe rmenta t ionof l i gnoce l lu los i c ma te r i a l s t r ea t ed by ammonia f reezeexplos ion . Dev. Ind. MicrobioL, 2 6 , 2 2 3 .Domalsk i , E . S . , Jobe , T . L . , J r & Mi lne , T . A . (1987) .Thermodynamic Data for Biomass Materials and Waste

Components. A m e r i c a n S o c i et y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s ,NY.Ga ines , L . L . & Karpuk , M. (1987) . Fe rmenta t ion of l i gno-ce l lu los i c feeds tocks : p roduc t m arke t s and va lues. In Proc.of the Energy rom Biomass and Wastes X. Conference,ed .D . L . K lass . Ins ti t u te o f Gas Techno logy , pp . 139 5-41 6 .Gauss , W. E , Suzuki , S . & Takagi , M. (1976) . Manu fac ture ofa l cohol f rom ce l lu los ic ma te r i a l s us ing p lura l f e rment s . USP a t e n t 3 , 9 9 0 , 9 4 4 , 9 N o v e m b e r .Gh osh , P ., Pam me nt , N. B. & Mart in, W. R. B. (1982). S imu l-t aneous saccha r i f i ca t ion and fe rmenta t ion of ce l lu lose :effect of f l-D-glucosidase act ivi ty and e than ol inhibi t ion o fcellulases. Enzyme Microbiol. Technol.,4 , 4 2 5 .Golds t e in , I . S . & E as t e r , J . M. (1992) . An impro ved p rocessfor con ver t ing ce l lu lose to e thanol . TappiJ. , 75(8) , 135.Goldste in, I . S . , Perei ra , H. , P i t tman, J . L. , S t rouse, B. A. &Scaringel li , E P . (1983 ). Th e h ydroly sis of cel lulose wi thsu p e r c o n c e n t r a t e d h y d r o c h l o r i c a c i d . Biotech. Bioeng.Symp., 13, 17.Grohmann, K . , Torge t , R . & Himmel , M. (1985) . Opt imiza -t ion of d i lu te ac id pre t rea tm ent o f b iomass . Biotech. Bio-eng. Symp., 15, 59.Groh man n, K . , Torge t , R . & Himm el , M. (1986) . D i lu te ac idpre t rea tment o f b iomass a t h igh so l ids concent ra t ions .Biotech. Bioeng. Symp., 17, 135.Groot j en , D . R. J . , van de r Lans , R . G . J . M. & Luyben , K .Ch. A . M. (1990) . E f fec t s o f t he ae ra t ion ra t e on the fe r -menta t ion of g lucose and xy lose by Pichia stipitis C B S5 7 7 3 . Enzyme Microb. Technol., 12, 20.Hendy, N. A. , Wilke, C. R. & Blanch, H. W. (1984).Enhanced ce l lu l a se produc t ion in fed-ba tch cu l tu re o fTrichoderma reesei C 3 0 . Enzyme Microbiol. Technol., 6,73 .Hinman, N. D. , Wright , J . D. , Hoagland, W. & Wyman, C. E.(1989) . X ylose fe rmenta t ion : an econo mic analys is . Appl.Biochem. Biotech., 2 0 / 2 1 , 3 9 1 .Hinman, N. D., Schell , D. J., Riley, C. J., Bergeron, P. W. &Walter , P . J . (1992). Prel iminary est imate of the cost ofe thanol p roduc t ion for SSF t echnology . Appl. Biochem.Biotech.,3 4 / 3 5 , 6 3 9 .Hoi tzapple , M. T. , Jun, J . -H. , Ashok, G. , Pat ibandla , S . L. &Dale , B . E . (1990) . Th e am mo nia f reeze explos ion(AF EX ) process : a p rac t i ca l l ignoce i lu los ic p re t rea tment .Appl. Biochem. Biotech., 2 8 / 2 9 , 5 9 .Ingram, L . O . & C onway, T . (1986) . Expres s ion of d i f fe ren tl eve ls o f e thanologenic enzy mes f rom Zymomonas mobilisi n recombinant s t ra ins o f Escherichia coli. Appl. Environ.Microbiol., 54(2) , 397 .Ingram, L. O. , Conway, T. , Clark, D. P . , Sewel l , G. W. &Pres ton , J . F . (1987) . Gene t i c enginee r ing of e thanolp r o d u c t i o n in Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol.,53(10) , 2420 .I n t e r g o v e r n m e n t a l Pa n e l o n C l i m a te C h a n g e ( 1 9 9 0 ). ClimateChange -- The IPCC Scientific Assessment, eds J. T.Houghton , G . J . Jenkins & J . J . Ephraums. Cambr idgeUnive rs i ty P ress , Cam br idge , UK .Je f f r i e s , T . W. (1981) . Fe rmenta t ion of xy lu lose to e thanolus ing xy lose i somerase and yeas t . Biotech. Bioeng. Symp.,1 1 , 3 1 5 .Jeffr ies, T. W. (1990). Fermentat ion of D-xylose and cel lo-biose . In Yeast: Biotechnology and Biocatalysis, e d s H .V e r a c h t e rt & R . D e M o t . M a r c e l D e k k e r , NY , p p . 3 4 9 - 9 4 .Johnson , D . K . , Chum, H . L . , Anz ick , P . & Ba ld in , R . M.(1990) . P repa ra t ion of a l i gn in-de r ived pas t ing o i l. Appl.Biochem. Biotech., 2 4 / 2 5 , 3 1 .Knapper t , D . , Gre th l e in , H . & Converse , A . (1980) . Pa r t i a lac id hydro lys i s o f ce l lu los i c ma te r i a l s a s a p re t rea tmentfor enzym at i c hydro lys i s . Biotech. Bioeng., 22, 1449 .Knapper t , D . , Gre th l e in , H . & Converse , A . (1981) . Pa r t i a la c id h y d r o ly s i s o f p o p l a r w o o d a s a p r e t r e a t m e n t f o r e n z y -mat i c hydro lys i s . Biotech. Bioeng. Symp., 11, 67 .

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1 4 C. E . W y m a nLacis, L. S . & Lawford, H. G. (1988) . Ethanol productionf rom xylose by Thermoanaerobacter ethanolicus in batchand cont inuous cu l ture. Arch. Microbiol., 150, 48 .Lacis, L. S . & Law ford, H. G. (1989). Analys is of the varia-t ion of e thano l y ie ld from glucose or xy lose wi th cont inu-ous ly grown Thermoanaerobacter e thano licus. Appl.Biochem. Biotech., 2 0 / 2 1 , 4 7 9 .Lambert, R. O., Jr, Moore-Bulls, M. R. & Barrier, J. W.(1990) . A n ev aluation of two acid hydro lysis processes forthe conversion of cellulosic feedstocks to e thanol andothe r chemicals. Appl. Biochem. Biotech., 24/25 , 773 .Las tick, S., Spindler, D., Terrell, S. & G roh m ann , K. (1984).S imul taneous saccha r i f ica t ion and fe rmenta t ion of ce l -lulose. Biotech., 8 4 , 2 7 7 .Lastick, S . M. , Mohagh eghi, A. , Tucker , M. P. & G roh ma nn,K. (1990) . S imul taneous f e rmen ta t ion and i somer iza tionof xy lose to e thanol a t h igh xylose concent ra tions . Appl.Biochem. B iotech., 2 4 / 2 5 , 4 3 1 .Ligthelm, M. E., Prior, B. A. & de Preez, J. C. (1988). Theoxygen requi rements of yeas ts for the f e rmenta t ion of D-xylose and D-glucose to e than ol. App l. M icrobiol. Biotech.,

2 8 , 6 3 .Lyn d, L. (1989). Prod uction of e thano l f rom lignocellulosicmater ia ls using thermo phil ic bacter ia : cr it ica l evaluation ofpotentia l and review. In Advances in Biochemical Engi-neering/Biotechnology, ed. A. Fiech ter , Vol. 38.Lyn d, L. R. , Cushm an, J . H., Nichols, R. J. & Wy man, C. E.(1991a) . Fuel e thanol f rom cellulosic biomass. Science,251, 1318.Lynd , L. R. , Ah n, H .-J. , And erso n, G . , Hill , P ., Kersey, D. S.& Klapa tch , T . (1991b) . Thermophi l ic e thanol pro-duc t ion - - inves t iga t ion of e thanol y ie ld and to le rancein cont inuous cu l ture . Appl. Biochem. Biotech., 2 8 /2 9 ,549 .Man dels, M. L. , Ho ntz , L. & Nystrom , J . (1974) . En zym atichydrolysis of waste cellulose . Biotechnol. Bioeng., 16,1471.Ng, T. K., Weimer, P. J. & Zeikus, J. G