Development of integrated cellulose- and starch-based ethanol production and process design for improved xylose conversion

Abstract

Transportation fuels from renewable resources such as ethanol are one of the alternatives to ensure energy security and decrease the net emission of carbon dioxide. First-generation ethanol production from sugar- and starch-based raw materials (1G) is today well established in many countries, and the focus of research has thus shifted to the development and demonstration of the production of second-generation bioethanol from lignocellulose (2G).

This thesis deals with the development of process configurations for bioethanol production from wheat straw integrated with wheat starch-based ethanol production. One part of the work focused on integration in simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of steam-pretreated wheat straw (SPWS) with pre-saccharified, completely saccharified or fermented wheat meal using baker’s yeast, Saccharomyces cerevisiae. Mixing wheat straw and pre-saccharified or saccharified wheat meal was shown to be beneficial for both 1G and 2G ethanol production. Not only the ethanol concentrations, but also the ethanol yields, increased when pre-saccharified wheat meal was mixed with SPWS. The highest ethanol yield achieved was higher than that obtained with SSF of either raw material alone. Ethanol yields above 80% of the theoretical (from the hexose sugars) and ethanol concentrations of about 6% (w/v) were achieved in batch SSF. Ethanol concentrations at such levels reduce the energy demand in distillation, thus lowering the production cost.

Since wheat straw contains a large amount of xylose, integrated process configurations were developed and investigated in an attempt to improve xylose utilization by a xylose-fermenting, genetically modified strain, S. cerevisiae TMB3400, in the second part of the work. The most promising configuration for co-fermentation of glucose and xylose was separate hydrolysis and co-fermentation of SPWS, as this allowed the glucose concentration to be controlled by the wheat-starch hydrolysate feed. An ethanol yield of 92% was achieved after fermentation based on glucose and xylose, and almost complete xylose consumption was achieved.

In the last part of the work, differences in the performance of two mutated strains of S. cerevisiae TMB3400 were revealed. It was shown that KE6-13i was more tolerant to inhibitors, while KE6-12 performed better in less inhibitory environments.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Förbränning av fossila bränslen som bensin, kol, olja och naturgas orsakar att koldioxid ackumuleras i atmosfären, vilket är en av orsakerna till global uppvärmning. Transportsektorn står för största delen av Sveriges användning av bensin och olja. Oljan är importerad från andra länder, som gör oss väldigt beroende av omvärlden. Ett av de mest lovande alternativa bränsle som kan ersätta delar av dagens stora förbrukning av fordonsbränslen är bioetanol, som redan idag används i varierande andelar i bensin i Sverige. Bioetanol tillverkas idag huvudsakligen av socker- eller stärkelsebaserade råvaror, som sockerrör, sockerbetor eller spannmål, ofta betecknat som första-generationens bioetanol (1G). Emellertid utnyttjar man då resurser som delvis konkurrerar med matproduktion. Cellulosahaltiga biprodukter har därför stor potential att användas som råvara för framtidens andra-generationens bioetanol (2G).

Jordbruksbiprodukter, som vetehalm, innehåller sockerpolymerer, som kan brytas ner av enzymer till enskilda sockermolekyler (glukos) som kan jäsas till etanol med mikroorganismer, till exempel jäst. Omvandlingen av lignocellulosa till sockerarter är tyvärr svår. Man måste förbehandla materialet vid höga temperaturer, runt 170-220°C så att strukturen öppnas och för att enzymer ska nå cellulosafibrerna. Under förbehandlingen genereras dessutom produkter av nedbrutna sockerarter- inhibitorer- som förhindrar jästen att fungera optimalt.

För att nå hög etanolkoncentration efter jäsningen, behöver man öka mängden förbehandlat material i processen (mängden jäsbart socker är direkt relaterat till mängden råvara), vilket kan resultera i minskat utbyte. Målsättningen i denna studie har varit att höja utbytet och koncentrationen av etanol för att minska energibehovet under destillationen. Genom integration med 1G-etanol från vete kan man då sänka produktionskostnaden av 2G-etanol från vetehalm. Målet var också att utveckla och designa integrerade processer för att ta fram tekno-ekonomiska data för bästa driftsätt för den kombinerade processen, avseende både högsta etanolproduktion och optimalt utnyttjande av värdefulla biprodukter.

I avhandlingen visas att delvis eller helt försockrat vete inte bara ökar koncentrationen i processen, utan också att utbytet av etanol kan stiga. Detta beror på möjligheten att späda inhibitorkoncentrationerna till en lagom nivå där jästen känner en måttlig stress, vilket faktiskt kan medföra en ökad produktion av etanol. Fördelen med tillsättning av helt försockrad vätska är att man kan utvinna restprodukter från 1G processen och sälja dem som djurfoder.

För att öka etanolutbytet, kan man också utnyttja sockerarter från hemicellulosan, som utgör en stor del av jordbruksbiprodukter. Hemicellulosa innehåller dock mest sockerarter med fem kolatomer (pentoser) som inte är jäsbara med vanlig bagerijäst. Nu finns det modifierad jäst, som har förmågan att jäsa glukos och pentos samtidigt, om det inte finns för mycket glukos, som oftast är den sockerart, som jästen föredrar. Olika metoder för tillsats av glukos genom att utnyttja försockrat vete och lämpliga integrerade processkonfigurationer för att förbättra omsättningen av pentoserna har också undersökts i denna studie.



Popular Abstract in Uncoded languages

A fosszilis üzemanyagok, mint a szén, a kőolaj és a földgáz elégetése során szén-dioxid szabadul fel, ami a légkörben felhalmozódva hozzájárul a globális felmelegedéshez, emellett a kőolaj import kiszolgáltatott helyzetet teremt az európai országok számára. A benzin és a gázolaj felhasználásában a transzportszektornak van a legjelentősebb szerepe, melyben az egyik legígéretesebb helyettesítő, azaz alternatív üzemanyag a bioetanol, amit üzemanyag adalékként már ma is használnak. A bioetanolt elsősorban cukor- és keményítő-tartalmú nyersanyagokból állítják elő, mint a cukornád, a cukorrépa vagy gabonafélék, ezt első-generációs (1G) bioetanolnak nevezzük. Azonban probléma, hogy élelmiszer vagy takarmány alapanyagokat etikus-e bioetanol gyártásra használni, ezért a cellulóz (természetes glükóz polimer) alapú melléktermékek előnyben részesülnek a bioetanol gyártás során. Az utóbbiakból előállított alkoholt nevezzük második-generációs (2G) bioetanolnak.

A lignocellulóz alapú mezőgazdasági melléktermékek, mint például a búzaszalma, cukorpolimereket tartalmaznak, amit bizonyos enzimek egyszerű cukormolekulákká, glükózzá bontanak le. A glükózt egyes mikroorganizmusok, mint például az élesztő, képesek alkohollá alakítani. A növényi lignocellulózt összetett struktúrája miatt viszont nehéz monomer cukorrá lebontani, ezért a nyersanyagot magas hőmérsékleten (170-220°C) elő kell kezelni, hogy a cellulózrostok hozzáférhetőek legyenek az enzimek számára. Az előkezelés során a lebontott cukrokból inhibítorok is keletkezhetnek, amik gátolják az élesztő működését. Ahhoz, hogy nagy etanol koncentrációt lehessen elérni, növelni kell az előkezelt anyag sűrűségét a folyamatban, ez azonban megnövekedett inhibítor koncentrációt jelent és csökkenti a hozamot.

Jelen tudományos munka célja az etanol hozam és koncentráció növelése volt az 1G és 2G etanol gyártási technológia integrálása által, ami a desztillálásban kisebb energiafelhasználáshoz vezet, ezáltal javítja a gyártás gazdaságosságát. A munka során az egyesített folyamatok tervezése és fejlesztése is cél volt a maximális hozam és az optimális végtermék koncentráció elérését szem előtt tartva. A részlegesen vagy teljesen elcukrosított búzaliszt hozzákeverése a búzaszalma alapú folyamathoz növelte az etanol koncentrációtés az etanol hozamot is. Ennek oka lehet, hogy a megfelelően alacsony inhibítor koncentráció valójában még növelheti is az etanol hozamot azáltal, hogy enyhe stresszt gyakorol az élesztőre. A teljesen elcukrosított búzaliszt hozzáadásának további előnye egy 1G melléktermék (DDGS) kinyerésének és értékesíthetőségének a lehetősége.

Az etanolhozam növelése céljából a hemicellulóz cukrokat is érdemes felhasználni, ami jelentős részét teszi ki a mezőgazdasági melléktermékeknek. A hemicellulóz viszont nagyrészt xilózt tartalmaz, amit a pékélesztő nem tud etanollá alakítani. Igaz, ma már van olyan genetikailag módosított változata, ami képes erre, de csak abban az esetben, ha nincs túl sok glükóz jelen, amit az élesztő előnyben részesít. A glükóz rátáplálás megfelelő módja elősegítheti a xilóz felhasználását az integrált folyamatokban, ennek vizsgálata szintén e munka célja volt.

• author: Erdei, Borbala
• supervisor: Mats Galbe; Guido Zacchi; Ola Wallberg
• opponent: Professor Görgens, Johann, Department of Process Engineering, Stellenbosch University, South Africa
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: bioethanol, wheat straw, wheat, first-generation ethanol, second-generation, integrated process, SSF, simultaneous saccharification and co-fermentation, xylose fermentation, S. cerevisiae TMB3400
• pages: 104 pages
• defense location: Lecture hall K:B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2013-06-13 13:00:00
• ISBN: 978-91-7422-324-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e05feeb3-3643-4226-a7df-83ddebe6fdbb (old id 3738175)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:33:57
• date last changed: 2023-04-18 18:39:00