Influence of the Conditions of Alkaline Pretreatment of Vegetable Raw Material before Hydrolysis in a Rotor Pulsation Device on the Cellulose Conversion

Я. Блюм; О. Ободович; В. Сидоренко

doi:10.15407/scine20.06.030

Автор(и)

Я. Блюм Інститут харчової біотехнології та геноміки Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-7078-7548
О. Ободович Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-7213-3118
В. Сидоренко Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-7735-7719

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.06.030

Ключові слова:

паливний етанол, попередня обробка, луг, конверсія целюлози, целюлазний комплекс

Анотація

Вступ. Виходячи зі зростання глобального попиту на енергію, вичерпність викопних джерел енергії та збільшення емісії парникових газів, виникає потреба ширшого впровадження відновлюваних джерел енергії, зокрема біомаси.
Проблематика. Основним недоліком виробництва біоетанолу з лігноцелюлозної сировини є висока вартість, що зумовлено наявністю в сировині геміцелюлоз та лігніну.
Мета. Визначення впливу обробки лужної суспензії соломи пшеничної методом дискретно-імпульсного введення енергії в роторно-пульсаційному апараті на ступінь конверсії целюлози ферментативним гідролізом у технології виробництва паливного етанолу.
Mатеріали і методи. Сировиною слугувала попередньо грубо подрібнена солома пшенична. Дослідження виконано на установці з роторно-пульсаційним апаратом.
Результати. Визначено, що одночасний вплив комплексу фізичних ефектів методу дискретно-імпульсного введення енергії та зменшення розміру частинок соломи призводить до підвищення ступеня вилучення лігніну з 40,0 % при середньому розмірі частинок 2—1 мм до 62,0 % при середньому розмірі частинок 0,4—0,1 мм. Також визначено, що
вплив комплексу фізичних ефектів методу дискретно-імпульсного введення енергії та концентрації лугу на ступінь конверсії целюлози в результаті ферментативного гідролізу при обробці лужної суспензії соломи пшеничної за температури 90 ^оС протягом години з 1 до 4 % мас/мас призводить до збільшення ступеня конверсії целюлози протягом ферментативного гідролізу з 38 до 65,8 %. Також відбувається відповідне зменшення вмісту лігніну — з 17,1 до 3,16 %.
Висновки. Додавання комплексу фізичних ефектів методу дискретно-імпульсного введення енергії до основних чинників лужної попередньої підготовки соломи пшеничної (зокрема концентрації лугу) призводить до збільшення ступеня конверсії целюлози при наступному ферментативному гідролізі. Результати обробки за температури нижче 100 ^оC виявились сумірними з результатами автоклавування за підвищеної температури й тиску.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Mele, M., Gurrieri, A. R., Morelli, G., Magazzino, C. (2021). Nature and climate change eff ects on economic growth: an LSTM experiment on renewable energy resources. Environ. Sci. Pollut. Res., 28, 41127—41134. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13337-3

Daily demand for crude oil worldwide from 2006 to 2020, with a forecast until 2026. URL: https://www.statista.com/ statistics/271823/daily-global-crude-oil-demand-since-2006/ (Last accessed: 20.04.2024).

Statistical Review of World Energy. URL: https://www.energyinst.org/statistical-review/resources-and-data-downloads (Last accessed: 20.04.2024).

Teklit Gebregiorgis Ambaye, Mentore Vaccari, Adrián Bonilla-Petriciolet, Shiv Prasad, Eric D. van Hullebusch, Sami Rtimi. (2021). Emerging technologies for biofuel production: A critical review on recent progress, challenges and perspectives. Journal of Environmental Management, 290, 112627. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112627

Demirbas, A. (2008). The Importance of bioethanol and biodiesel from biomass. Energy Sources, Part B: Economics, Planning, and Policy, 3(2), 177—185. https://doi.org/10.1080/15567240600815117

Robak, K., Balcerek, M. (2018). Review of second generation bioethanol production from residual biomass. Food Technolo gy and Biotechnology, 56(2), 174—187. https://doi.org/10.17113/ftb.56.02.18.5428

Sangita Mahapatra, Dilip Kumar, Brajesh Singh, Pravin Kumar Sachan. (2021). Biofuels and their sources of production: A review on cleaner sustainable alternative against conventional fuel, in the framework of the food and energy nexus. Energy Nexus, 4, 100036. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2021.100036

Falano, T., Jeswani, H. K., Azapagic, A. (2014). Assessing the environmental sustainability of ethanol from integrated biorefi neries. Biotechnology Journal, 9(6), 753—765. https://doi.org/10.1002/biot.201300246

Gerbrandt, K., Chu, P. L., Simmonds, A., Mullins, K. A., MacLean, H. L., Griffi n, W. M., Saville, B. A. (2016). Life cycle assessment of lignocellulosic ethanol: a review of key factors and methods aff ecting calculated GHG emissions and energy use. Current Opinion in Biotechnology, 38, 63—70. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2015.12.021

Annual World Fuel Ethanol Production (Mil. Gal.) URL: https://ethanolrfa.org/markets-and-statistics/annual-ethanolproduction (Last accessed: 20.04.2024).

Datta, A., Hossain, A., Roy, S. (2019). An Overview on Biofuels and Their Advantages and Disadvantages. Asian Journal of Chemistry, 31(8), 1851—1858. https://doi.org/10.14233/ajchem.2019.22098

Jeswani, H. K., Chilvers, A., Azapagic, A. (2020). Environmental sustainability of biofuels: a review. Proc. R. Soc. A., 476, 20200351. https://doi.org/10.1098/rspa.2020.0351

Edeh, I. (2021). Bioethanol Production: An Overview. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.94895

Toquero, C., Bolado, S. (2014). Eff ect of four pretreatments on enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation of wheat straw. Infl uence of inhibitors and washing. Bioresource technology, 157, 68—76. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2014.01.090

Kumar, A. K., Sharma, S. (2017). Recent updates on diff erent methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: А re view. Bioresources and Bioprocessing, 4, 7. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0137-9

Jankovičová, B., Hutňan, M., Nagy Czölderová, M., Hencelová, K., Imreová, Z. (2022). Comparison of acid and alkaline pre-treatment of lignocellulosic materials for biogas production. Plant Soil and Environment, 68(4), 195—204. https://doi.org/10.17221/421/2021-PSE

Xu, J.-K., Sun, R.-C. (2016). Recent Advances in Alkaline Pretreatment of Lignocellulosic Biomass. In: Biomass Fractionation Technologies for a Lignocellulosic Feedstock Based Biorefi nery (Ed. Solange I. Mussatto). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-802323-5.00019-0

Mafa, M. S., Malgas, S., Bhattacharya, A., Rashamuse, K., Pletschke, B. I. (2020). The Eff ects of Alkaline Pretreatment on Agricultural Biomasses (Corn Cob and Sweet Sorghum Bagasse) and Their Hydrolysis by a Termite-Derived Enzyme Cocktail. Agronomy, 10(8), 1211. https://doi.org/10.3390/agronomy10081211

Byun, J., Cha, Y.-L., Park, S.-M., Kim, K.-S., Lee, J.-E., Kang, Y.-G. (2020). Lignocellulose Pretreatment Combining Continuous Alkaline Single-Screw Extrusion and Ultrasonication to Enhance Biosugar Production. Energies, 13, 5636. https://doi.org/10.3390/en13215636

Wang, X., Fan, D., Han, Y., Xu, J. (2022). Multivariable Analysis Reveals the Key Variables Related to Lignocellulosic Biomass Type and Pretreatment before Enzymolysis. Catalysts, 12, 1142. https://doi.org/10.3390/catal12101142

Zheng, Q., Zhou, T., Wang, Y., Cao, X., Wu, S., Zhao, M., Wang, H., Xu, M., Zheng, B., Zheng, J., Xiong Guan, X. (2018). Pretreatment of wheat straw leads to structural changes and improved enzymatic hydrolysis. Scientifi c Reports, 8, 1321. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19517-5

Dolinsky, A. A. (Ed). (2015). Micro- and nano-level processes in DPIE technologies. Kyiv [in Russian].

Sablii, L. A., Obodovych, O. M., Sydorenko, V. V., Sheyko, T. V. (2020). Study of wheat straw delignifi cation in a rotarypulsation apparatus. Acta Periodica Technologica, 51, 103—111. https://doi.org/10.2298/APT2051103S

Xu, J., Cheng, J. J., Sharma-Shivappa, R. R., Burns, J. C. (2010). Lime pretreatment of switchgrass at mild temperatures for ethanol production. Bioresource Technology, 101(8), 2900—2903. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009. 12.015

Wati, L., Kumari, S., Kundu, B. S. (2007). Paddy straw as substrate for ethanol production. Indian Journal of Microbiology, 47(1), 26—29. https://doi.org/10.1007/s12088-007-0005-y

Pramasari, D. A., Haditjaroko, L., Sunarti, T. C., Hermiati, E., Syamsu, K. (2017). The Eff ectiveness of Physical and Alkali Hydrothermal Pretreatment in Improving Enzyme Susceptibility of Sweet Sorghum Bagasse. Jurnal Bahan Alam Terbarukan, 6(2), 118—131. https://doi.org/10.15294/jbat.v6i2.9910

Yang, Y., Zhang, M., Zhao, J., Wang, D. (2022). Eff ects of particle size on biomass pretreatment and hydrolysis performances in bioethanol conversion. Biomass Conversion and Biorefi nery, 1—14. https://doi.org/10.1007/s13399-021- 02169-3

Chen, Y., Stevens, M. A., Zhu, Y., Holmes, J., Xu, H. (2013). Understanding of alkaline pretreatment parameters for corn stover enzymatic saccharifi cation. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 6, 1—10. https://doi.org/10.1186/1754- 6834-6-8