From Waste to Bioethanol - A Feasibility Study on Animal Bedding

Abstract

For the year 2020, the European Union has set common goals to aim for regarding the environment. One of them being to reduce the green house gas (GHG) emissions by 20 percent. The world population is increasing, consequently increasing the demand for energy and food. Since the use of fossil sources is neither sustainable nor environmentally friendly, new techniques of meeting the energy demand need to be found, starting with one of the biggest contributors to GHG – the transportation sector. Alternative fuels such as bioethanol need to substitute today’s fossil fuels. Bioethanol in particular can be made from materials such as sugar- or starch-based crops, referred to as first generation (1G) bioethanol. It can also be produced from lignocellulosic substrates, which in this case is referred to as second generation (2G) bioethanol. In case of 2G bioethanol, the sugar components that are necessary for the production of bioethanol are difficult to access. This drawback makes the process of 2G bioethanol production more challenging. However, 2G ethanol does not compete with the food market, per se.

The aim of this thesis was to investigate different fermentation configurations using animal bedding as the raw material. Bioethanol from animal bedding, can be referred to as 2G bioethanol. The investigation was conducted experimentally at the Department of Chemical Engineering at LTH.

The animal bedding was collected at a farm in Køge, Denmark. It was once washed with water and later soaked in 0.4 wt-% sulfuric acid. The animal bedding was pretreated in a steam explosion reactor at 190°C for 10 minutes.

Results showed that it is possible to produce bioethanol from animal bedding. When using simultaneous saccharification and fermentation (SSF), an ethanol yield above 0.47 g ethanol/g glucose can be obtained. A slightly higher yield (0.51 g ethanol/g glucose) was achieved when using fed-batch instead of batch. Since it was desired to utilize as much sugar as possible from the animal bedding, simultaneous saccharification and co fermentation (SSCF) was also tested with the genetically modified yeast strain KE6-12B. No significant amount of ethanol was produced when using SSCF.

Popular Abstract (Swedish)

Från avfall till bioetanol - en undersökning av bioetanolproduktion från djupströ

Under de senaste 50 åren har befolkningen på vår planet fördubblats, vilket har lett till att energiförbrukningen har ökat drastiskt. En av de främsta bovarna är transportsektorn, som dessutom medför stora utsläpp av växthusgaser. Ett sätt att minimera dessa utsläpp är att använda sig av miljövänliga transportmedel så som el- och gasbilar. Dock är körsträckan för dessa fordon oftast kortare, eftersom man måste tanka/ladda oftare än fordon som drivs på fossila bränslen. Ett starkt alternativ för att successivt eftersträva att nyttjandet av miljövänliga bränslemedel är fullständig är användning av bioetanol och biodiesel. Intresset för nya bränslemedel är enormt och i Sverige subventioneras konsumenter till miljövänliga motorfordon av staten.

I denna studie som utförts vid institutionen för kemiteknik vid Lunds Tekniska Högskola har bioetanolproduktionen från djupströ studerats. Djupströ är en blandning av komposterat halm och gödsel som lagrats. I studien undersöktes två olika jäsningsmetoder med två olika jästsorter för att se vilken process som är mest gynnsam vid olika förutsättningar. Den ena jästen kunde bara fermentera glukos (SSF – Simultaneous Saccharification and Fermentation) och den andra var genmodifierad och kunde fermentera både glukos och xylos (SSCF – Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation). Vidare studerades även konfigurationer av hur materialet skulle fördelas under jäsningen (sats och satsvis). Odling av den genmodifierade jästen gjordes under examensarbetet för att uppnå tillräcklig mängd till
fermenteringen.

Av resultaten framgår det att man kan producera etanol från djupströ. Utbytet är högre vid glukosjäsningen eftersom detta är en mer tålig jäst än den genmodifierade jästen – 0,51 g etanol/g glukos jämfört med 0,09 g etanol/g socker. De bästa resultaten erhölls när satsvis matning användes för både SSF och SSCF. Å andra sidan var utbytet signifikant högre när SSF användes.

Under studien har det påvisats att sammansättningen av djupströ varierar beroende på hur länge det har lagrats. I och med detta innebär det att metoder för förbehandling av materialet inte kan tillämpas på all djupströ. I studien visade det sig att förbehandlingen varit för aggressiv mot materialet. Många inhibitorer bildades som försvårade den fortsatta processen där den genmodifierade jästen användes. Under jästodlingen användes en mindre mängd hydrolysat än önskat för att odla fram tillräckligt hög jästmängd för SSCF. Dessvärre påverkade detta fermenteringen på så sätt att jästen inte klarade av den höga mängden material i fermenteringen.

Idag används djupströ endast som gödningsmedel men med resultat från denna studie framgår det att djupströ är en potentiell råvara för framställning av biobränsle. Många av dagens råvaror som används för framställning av biobränslen härstammar från livsmedelsindustrin. Då djupströ är ett jordbruksavfall kommer detta material inte att konkurrera med framställning av livsmedel.

• author: Hodzic, Ajsa and Karlsson, Desirée
• supervisor: Mats Galbe; Borbala Erdei
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Bioethanol, Biofuels, Second generation bioethanol, Animal Bedding, Fermentation, SSF, SSCF, Lignocellulose, Chemical Engineering, Kemiteknik, Bioteknik
• language: English
• id: 8919195
• date added to LUP: 2017-07-04 10:14:05
• date last changed: 2017-07-04 10:14:05