Advanced

Ethanol from Softwood - Process Development Based on Steam Pretreatment and SSF

Stenberg, Kerstin LU (1999)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om hur bränsleetanol kan produceras från barrved för att användas som ersättning för bensin. Den största fördelen med detta är att genom att använda etanol tillverkad av råmaterial från växtriket ökar vi inte växthuseffekten. Den koldioxid som frigörs vid förbränningen av etanolen tas åter upp av växtligheten och vi får ett slutet kretslopp. Andra fördelar med etanol är att den kan produceras från inhemska råvaror och att kolväteutsläppen blir lägre än då bensin används.



Etanol kan produceras från olika stärkelseprodukter som potatis eller säd, där stärkelsen enkelt bryts ned till socker som sedan kan jäsas med jäst. Men om etanolen ska konkurrera i... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om hur bränsleetanol kan produceras från barrved för att användas som ersättning för bensin. Den största fördelen med detta är att genom att använda etanol tillverkad av råmaterial från växtriket ökar vi inte växthuseffekten. Den koldioxid som frigörs vid förbränningen av etanolen tas åter upp av växtligheten och vi får ett slutet kretslopp. Andra fördelar med etanol är att den kan produceras från inhemska råvaror och att kolväteutsläppen blir lägre än då bensin används.



Etanol kan produceras från olika stärkelseprodukter som potatis eller säd, där stärkelsen enkelt bryts ned till socker som sedan kan jäsas med jäst. Men om etanolen ska konkurrera i kostnad med bensinen måste man utgå från billigare råvaror. Billigast är olika former av avfall och rester från skogsindustrin och jordbruket. Gemensamt för dessa råmaterialen är att de innehåller cellulosa och hemicellulosa som kan brytas ned till socker. En process baserad på cellulosa blir mer komplicerad än när stärkelse är råvara. I Sverige utgörs den största råvarumängden av barrved och därför är den här avhandlingen koncentrerad på denna råvara. Tyvärr är det svårare att göra etanol från barrved än från lövträd och jordbruksavfall.



Nedbrytningen av cellulosa till socker kan ske antingen med en syra eller med enzymer, dvs proteiner som fungerar som biokemiska katalysatorer. Den enzymatiska processen är mer specifik i omvandlingen av cellulosa och har därför större förutsättning att ge högre utbyte. Det är denna process som avhandlingen handlar om.



Den enzymatiska processen består av fyra huvudsteg: förbehandling, hydrolys, jäsning och destillation. I förbehandlingen behandlas träet med ånga vid högt tryck för att bryta ned fiberstrukturen i träet och frilägga cellulosan. En liten mängd sur katalysator i form av svavelsyra eller svaveldioxid tillsätts också. Förbehandlingen är nödvändig för att enzymerna senare ska kunna komma åt cellulosan. Under förbehandlingen bryts hemicellulosan ned till enkla sockerarter och det bildas också en del biprodukter, bl a nedbrytningsprodukter från sockret och ligninet. En del av de här biprodukterna är skadliga för enzymerna i hydrolysen och jästen i fermenteringen. De två första artiklarna som avhandlingen baseras på behandlar förbehandlingen och hur den ska utföras för att vara så effektiv som möjligt.



Nästa steg i processen är hydrolysen där enzymer bryter ned cellulosan till glukos. Enzymerna produceras av en rötsvamp, Trichoderma reesei. Hydrolysen är en ganska långsam process som tar några dygn. Ett problem med hydrolysen är att den är produktinihiberad, dvs ju mer socker som bildas desto långsammare går hydrolysen. Ett annat problem är att barrved i sig är svårnedbrytbar.



Hydrolysen följs av jäsningen där vanlig bagerijäst jäser hexossockren, däribland glukos, till etanol. Hemicellulosan innehåller också en del pentossocker som vanlig bagerijäst inte kan jäsa. Därför pågår arbete med att gentekniskt modifiera jästen så att den kan jäsa även pentoser. Det återstår dock en del arbete innan en sådan jäst kan användas i en industriell process. Därför är det en fördel med barrved jämfört med lövved att andelen pentoser från hemicellulosan är låg.



Sockerlösningen från jäsningen måste koncentreras. Detta görs med konventionell destilleringsteknik så att man får en etanolhalt på 94 viktsprocent. Den går bra att använda om man ska köra bilar på endast etanol. Använder man etanolen som inblandning i bensinen, vilket är möjligt upp till ungefär 15%, måste etanolen först absoluteras.



Hydrolysen och jäsningen kan integreras och utföras samtidigt i en reaktor. Detta kallas SSF, (simultaneous saccharification and fermentation). Fördelen med SSF är att glukosen som bildas i hydrolysen direkt omvandlas till etanol av jästen. På så sätt minimeras produktinhiberingen och produktiviteten i processen ökar. Artikel 3 och 4 i avhandlingen behandlar SSF.



En etanolprocess producerar stora avloppsströmmar som inte bara kan släppas ut. Istället måste avloppsströmmarna recirkuleras och användas som ersättning för färskvatten i olika processteg. Detta medför att de skadliga biprodukterna ackumuleras i processen. För att kunna studera hur detta påverkar hydrolysen och jäsningen har en bänkskaleanläggning, någonting emellan labskala och pilotskala, byggts. I denna anläggning har hela processen, från trä till etanol, körts och inflytandet av recirkulering studerats. Resultaten av detta redovisas i artikel 5.



Etanolprocessen måste optimeras inte bara tekniskt utan även ekonomiskt. Den sista delen av avhandlingen behandlar hur recirkulering och olika processkonfigurationer påverkar produktionskostnaden för etanol. (Less)
Abstract
Fuel ethanol can be produced from lignocellulosics by the enzymatic hydrolysis process, which consists of a pretreatment step prior to hydrolysis, followed by fermentation and finally refining. This thesis deals with the development of the enzymatic process using softwood as raw material. The focus has not only been on how to obtain high yields, but also on how to solve problems, which can arise in an industrial process, such as inhibition and contamination.



The pretreatment step was evaluated using steam pretreatment and impregnation with an acid catalyst, either sulphur dioxide or sulphuric acid. Both impregnation methods resulted in approximately the same yield, 65% of the theoretical of fermentable sugars, i.e.... (More)
Fuel ethanol can be produced from lignocellulosics by the enzymatic hydrolysis process, which consists of a pretreatment step prior to hydrolysis, followed by fermentation and finally refining. This thesis deals with the development of the enzymatic process using softwood as raw material. The focus has not only been on how to obtain high yields, but also on how to solve problems, which can arise in an industrial process, such as inhibition and contamination.



The pretreatment step was evaluated using steam pretreatment and impregnation with an acid catalyst, either sulphur dioxide or sulphuric acid. Both impregnation methods resulted in approximately the same yield, 65% of the theoretical of fermentable sugars, i.e. glucose and mannose, after enzymatic hydrolysis. However, impregnation with sulphur dioxide, resulted in higher ethanol productivity and yield in the fermentation.



Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was investigated using various substrate and cellulase concentrations. An overall ethanol yield of 70% of the theoretical was obtained using the whole slurry from the pretreatment step at an insoluble dry weight content of 5%, which was shown to be optimal. SSF resulted in both higher productivity and higher ethanol yield than in separate hydrolysis and fermentation, but proved to be more sensitive to infection by lactic aid bacteria.



More complex process integration, in the form of recirculation of process streams, which is desirable in an industrial process, was investigated using bench-scale equipment. A reduction in the fresh-water demand of 50%, from 3 kg/kg dry raw material to 1.5 kg/kg dry raw material, was found to be possible without any negative effects on either hydrolysis or fermentation.



A techno-economic evaluation of different process configurations in a process applying SSF was also performed. It was found that the ethanol production cost could be reduced by 20% by internal energy integration and by another 15% by recirculation to the same extent that was shown to give no negative effects in the recirculation study. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Dr Lidén, Gunnar, Chalmers University of Technology, Göteborg
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
economy, infection, inhibition, recirculation, S. cerevisiae, SSF, steam pretreatment, ethanol production, process development, softwood, Carbochemistry, petrochemistry, fuels and explosives technology, Petrokemi, bränslen, sprängämnen
pages
160 pages
publisher
Kerstin Stenberg, Chemical Engineering, Lund University
defense location
Chemical Center, Lund
defense date
1999-06-04 10:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUTHKDH/TKKA-1001/1-80/(1999)
ISSN
1100-2778
ISBN
91-628-3583-1
language
English
LU publication?
yes
id
5e5b442e-4ef2-46a6-bc17-bd39d2fd4f11 (old id 39765)
date added to LUP
2007-10-14 17:24:46
date last changed
2016-09-19 08:44:53
@phdthesis{5e5b442e-4ef2-46a6-bc17-bd39d2fd4f11,
  abstract     = {Fuel ethanol can be produced from lignocellulosics by the enzymatic hydrolysis process, which consists of a pretreatment step prior to hydrolysis, followed by fermentation and finally refining. This thesis deals with the development of the enzymatic process using softwood as raw material. The focus has not only been on how to obtain high yields, but also on how to solve problems, which can arise in an industrial process, such as inhibition and contamination.<br/><br>
<br/><br>
The pretreatment step was evaluated using steam pretreatment and impregnation with an acid catalyst, either sulphur dioxide or sulphuric acid. Both impregnation methods resulted in approximately the same yield, 65% of the theoretical of fermentable sugars, i.e. glucose and mannose, after enzymatic hydrolysis. However, impregnation with sulphur dioxide, resulted in higher ethanol productivity and yield in the fermentation.<br/><br>
<br/><br>
Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was investigated using various substrate and cellulase concentrations. An overall ethanol yield of 70% of the theoretical was obtained using the whole slurry from the pretreatment step at an insoluble dry weight content of 5%, which was shown to be optimal. SSF resulted in both higher productivity and higher ethanol yield than in separate hydrolysis and fermentation, but proved to be more sensitive to infection by lactic aid bacteria.<br/><br>
<br/><br>
More complex process integration, in the form of recirculation of process streams, which is desirable in an industrial process, was investigated using bench-scale equipment. A reduction in the fresh-water demand of 50%, from 3 kg/kg dry raw material to 1.5 kg/kg dry raw material, was found to be possible without any negative effects on either hydrolysis or fermentation.<br/><br>
<br/><br>
A techno-economic evaluation of different process configurations in a process applying SSF was also performed. It was found that the ethanol production cost could be reduced by 20% by internal energy integration and by another 15% by recirculation to the same extent that was shown to give no negative effects in the recirculation study.},
  author       = {Stenberg, Kerstin},
  isbn         = {91-628-3583-1},
  issn         = {1100-2778},
  keyword      = {economy,infection,inhibition,recirculation,S. cerevisiae,SSF,steam pretreatment,ethanol production,process development,softwood,Carbochemistry,petrochemistry,fuels and explosives technology,Petrokemi,bränslen,sprängämnen},
  language     = {eng},
  pages        = {160},
  publisher    = {Kerstin Stenberg, Chemical Engineering, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Ethanol from Softwood - Process Development Based on Steam Pretreatment and SSF},
  year         = {1999},
}