Production of Ethanol from Spruce at High Solids Concentrations - An Experimental Study on Process Development of Simultaneous Saccharification and Fermentation

Abstract

Replacing fossil fuels by biofuels such as ethanol is considered a promising alternative to reduce greenhouse gas (GHG) emissions and mitigate climate change. Biofuels produced from lignocellulosic biomass, so-called second generation biofuels, result in decreased GHG emissions and limit competition with food and animal feed production. Interest in producing ethanol from lignocellulosic biomass has therefore increased rapidly during recent years. Several pilot and demonstration plants for the biochemical conversion of lignocellulose to ethanol have been built, and the first commercial plants are planned to start large-scale production within the coming years. However, a great deal remains to be done in process development to increase the production efficiency and decrease production cost.

The work presented in this thesis focuses on the biochemical conversion of spruce to ethanol, using enzymatic hydrolysis and fermentation in simultaneous saccharification and fermentation (SSF). The main aim of this work was to achieve a high ethanol concentration after fermentation, in order to reduce the energy required in distillation, thus reducing the production cost. A final ethanol

concentration of 65 g/L was achieved, which is well above the 4 wt% considered to be the limit for economically feasible distillation. Furthermore, these experimental studies on the production of ethanol from spruce have contributed to a better understanding of some of the fundamental steps in the production process.

Enzymatic hydrolysis and fermentation must be performed at higher solid substrate concentrations in order to increase the ethanol concentration after fermentation. In the first part of this work, it was shown that the decrease in ethanol yield in SSF with high solids concentration is a result of both increased mixing difficulty and increased inhibition of the yeast, and possibly the enzymes, due to

increased levels of inhibitory substances. In the second part of the work, it was shown that the ethanol yield in high-solids SSF could be significantly increased by adding a prehydrolysis step prior to SSF. It was also shown that this positive effect on ethanol production from spruce is a result of fibre degradation rather than decreased viscosity, as often suggested when using other lignocellulosic materials such as straw and grass. The addition of a prehydrolysis step prior to SSF shifts the process from being fermentation-limited to being hydrolysis-limited. Prehydrolysis thus enhances fermentation, rather than the overall performance of hydrolysis.

The initial dry matter content in SSF was increased from 5-10% water-insoluble solids (WIS) to 20% WIS. The process configuration in enzymatic hydrolysis and fermentation has been shown to significantly influence the overall ethanol yield. The highest ethanol concentration (65 g/L) with an overall ethanol yield of 72%

was obtained in fed-batch SSF, where prehydrolysed steam-pretreated spruce was fed to the reactor over a period of time. Approximately a quarter of the cellulose was, however, not converted to glucose, and was thus not fermented to ethanol. There is thus further potential for improvements in the process, which could increase the ethanol concentration and yield.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Intresset för förnybara bränslen har ökat stadigt under de senaste åren. Att byta ut fossila mot förnybara bränslen kan minska utsläppen av växthusgaser till atmosfären och därmed minska klimatpåverkan av dessa men även minska vårt beroende av olja. Biobränslen som t.ex. etanol, biodiesel eller biogas, räknas till förnybara bränslen eftersom de inte bidrar till en ackumulering av koldioxid i atmosfären då koldioxid som bildas vid deras förbränning tas upp vid bildning av ny biomassa som används för tillverkning av nya biobränslen. Det är viktigt att kunna framställa etanolen på ett effektivt sätt till en rimlig kostnad. Detta arbete har bidragit till att effektivisera processen för tillverkning av etanol från gran. Etanol till fordonsbränsle görs idag av vete, majs och sockerrör (så

kallad biomassa). Dessa innehåller i huvudsak druvsocker i form av stärkelse eller socker. Så står etanolframställningen i konkurrens till matproduktion.

Även cellulosa, som utgör en stor del av biomassan i träd, halm och gräs, består i huvudsak av druvsockermolekyler. För att minska konkurrensen av biobränsleframställning med matproduktion och för att minska produktionskostnaden, har man på senare år därför börjat titta på framställning av etanol från cellulosa. Då används enzymer (biologiska katalysatorer) som kan bryta ner cellulosa till enskilda druvsockermolekyler i en så kallad hydrolys. Dessa kan sedan jäsas till etanol av vanlig bagerijäst. När man utför hydrolys och jäsning

samtidigt, är det möjligt att få ut mer etanol ur råmaterialet. Efter jäsning koncentreras etanolen med hjälp av destillation. Jäsning av socker till etanol som öl och vin har gjorts sedan urminnes tider. I cellulosa finns sockret dock bundet i en struktur som är svår att bryta ner.

Som råmaterial i detta arbete har gran använts för framställning av etanol. En stor kostnad i framställningen av etanol är destillationen. Denna kostnad minskar avsevärt när etanolkoncentrationen är hög redan efter jäsningen. Därför är det viktigt att ha en hög koncentration av fast råmaterial redan under hydrolysen och jäsningen. Målet med mitt doktorandprojekt har varit att studera hur höga koncentrationer av fast råmaterial påverkar tillverkningsprocessen. Arbetet har även syftat till att uppnå en hög etanolkoncentration efter jäsningen. Processen för framställning av etanol från gran fungerar väl så länge det inte finns för hög halt av biomassa i reaktorn. Veden som har förbehandlats inför hydrolysen och jäsningen är en tjock massa, som snabbt blir svår att röra om och hantera när den inte späs ut med mycket vatten. Dessutom har det visat sig att inte lika mycket druvsocker och etanol kan produceras när processen körs vid högre koncentration av fast material. Detta har i mina studier visats bero på både omrörningssvårigheter men även ökade koncentrationer av ämnen som påverkar jästen när koncentrationen av biomassa ökas. Dessa ämnen finns redan i veden eller frigörs under produktionsprocessen.

Jag har visat att det är möjligt att uppnå höga koncentrationer av etanol även vid högre utgångskoncentrationer av fast råmaterial när man låter enzymerna bryta ner cellulosan redan innan man tillsätter jästen. Detta har gjorts tidigare för andra råmaterial, men man har förklarat den positiva effekten med att det blir lättare att röra om materialet när enzymerna har fått bryta ner det, vilket gör materialet mer flytande. I denna avhandling har jag dock kunnat visa att jästen även arbetar mer effektivt i kontakt med redan nedbrutet material. Resultaten antyder att det inte enbart är koncentrationen av fast material som påverkar hur mycket etanol jästen kan framställa, men även till vilken grad cellulosan är nedbruten. En etanolkoncentration på 4-5% brukar anses vara det som måste uppnås

för att kunna producera etanol från lignocellulosa till en konkurrenskraftig kostnad. I optimeringen i denna avhandling har jag framställt etanol från gran i koncentrationer upp till 6,5%.

Under den senaste tiden har ett antal demonstrationsanläggningar för cellulosabaserad etanol byggts runt om i världen och de första anläggningar som producerar etanol från cellulosa i kommersiell skala förväntas sättas i drift inom detta eller nästa år. Forskning som den presenterad i denna doktorsavhandling är därför ytterst aktuell och central för att minska tillverkningskostnaden och göra cellulosabaserad etanol konkurrenskraftig med fossila bränslen.

• author: Hoyer, Kerstin
• supervisor: Mats Galbe; Ola Wallberg; Guido Zacchi
• opponent: Prof. Viikari, Liisa, Department of Food and Environmental Sciences, Helsinki University, Finland
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: Ethanol, spruce, SSF, fermentation, enzymatic hydrolysis, lignocellulose, high solids
• pages: 97 pages
• defense location: Stora Hörsalen (DC:Shö), at the Ingvar Kamprad Design Centre, Sölvegatan 26, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-12-12 10:30:00
• ISBN: 978-91-7422-334-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ce03aff1-a345-46a6-af9f-251f920488ec (old id 4153591)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:04:51
• date last changed: 2024-02-15 15:31:42