Combined production of bioethanol and biogas from wheat straw

Abstract

Currently the production cost of lignocellulosic ethanol is considered to be relatively high. Large fractions of the production cost come from the raw material and the energy consumed in the distillation. Therefore it is desirable to have a process that yields high concentration of ethanol and maximizes the utilization of the biomass. Wheat straw is a promising raw material for lignocellulosic ethanol production. It contains large fractions of glucose (C-6 sugar), xylose (C-5 sugar) and lignin. Since the yeast (Ethanol red) is only able to convert C-6 sugars to ethanol, the rest has to be efficiently separated and turned into other value-added products.
The approach in this study was to pretreat the wheat straw by steam explosion with addition of a catalyst, which recovers most of the glucose and lignin in the solid fraction and most of the xylose as well as degradation products in the liquid fraction. The solid fraction which contains most of the C-6 sugars is utilized as substrate in the fermentation and the liquid fraction can be utilized as substrate for biogas production.
In order to achieve higher concentrations of ethanol, the water insoluble solids (WIS) content was increased in the fermenter vessel. WIS-contents investigated were 20%, 25% and 30%. But by doing so, there will be an increased resistance to stirring, mass transfer limitations and increased inhibitor concentration. This will most likely have a negative impact on the ethanol yield.
The pretreatment was carried out by steam explosion at 190°C and 10 minutes residence time, using lactic acid as a catalyst. About 91% of the glucose was recovered in the solid fraction and about 54% of the xylose as well as most of the degradation products were recovered in the liquid fraction. The fermentations were carried out by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) with or without a pre-hydrolysis step (PSSF). The experiments were performed in fed batch mode, which was used in order to avoid increased viscosity. The highest ethanol concentration (about 102 g/l, corresponding to 9.7% (w/w)) was achieved by the PSSF concept at 30% WIS. The ethanol yield was about 88% of the theoretical yield, based on the glucose available in the substrate. The liquid fraction was further separated from the solids and distilled, intended to be used as substrate for biogas production. The solid residues can be used for process heat.
The highest methane yield obtained from the pretreatment hydrolysate was about 168 ml/g volatile solids (VS), corresponding to 2 g methane per 100 g wheat straw. The methane yield of the stillages from the SSF experiments was estimated by stoichiometric calculations to be about 1 – 3 g of methane per 100 g wheat straw.

Popular Abstract (Swedish)

Kombinerad bioetanol- och biogas-produktion från vetehalm. Genom ökad torrhalt vid fermentering, samt biogasproduktion från restprodukter, kan lönsamheten för biobränslen att öka.
Ökande miljöproblem gällande växthusgaser är ständigt i fokus. År 2007 gav det europeiska parlamentet nya direktiv gällande energipolitiken, där målen var att växthusgaserna i Europa ska reduceras med 20% och att minst 10% av allt bränsle ska komma från biobränslen år 2020. Med tanke på att det finns en stor brist på vissa produkter, så anser en del människor att det är fördelaktigt ur ett etiskt perspektiv att använda råvaror som inte användas till matproduktion. Vetehalm är därför en bra råvara för att göra biobränsle av, eftersom att vete är en av de mest odlade grödorna Europa och halmen används inte till matproduktion. Ett av de största problemen med att tillverka biobränslen är att det oftast är väldigt kostsamt, där stora kostnader utgörs av energiförbrukning samt råvaror.
Målet var att hitta en tillverknings-process med minskad energiförbrukning. Detta kan göras genom att öka koncentrationen av etanol i fermenteringen (eftersom att destilleringen koncentrerar etanol). Detta görs enklast genom att öka andelen jäsbart socker, vilket medför ökad torrhalt i fermenteringen. Problemet med en ökad torrhalt är att det blir svårt att få en bra omrörning, vilket kommer att leda till att mycket av materialet inte kan användas effektivt. Genom att förbehandla vetehalm via en metod som kallas för ”Ångexplosion”, där vetehalm behandlas av ånga, så kommer det mesta sockret med 6 stycken kolatomer att hamna i en fast fas. Resterande delar, mestadels socker med 5 kolatomer samt biprodukter kommer att hamna i en vätskefas. Denna vätskefas samt det mesta som fås över från vilket processteg som helst kan användas för att tillverka biogas, vilket är en blandning av metan och koldioxid.
När experimenten utfördes så erhölls ungefär 90-91% av glukosen från vetehalm i den fasta fasen och 48 – 51% av socker med 5 kolatomer i vätskefasen genom förbehandlingen. Detta är ett relativt bra resultat, eftersom det viktiga är att få så mycket glukos som möjligt i den fasta fasen. I fermenteringen undersöktes tre olika torrhalter, 20%, 25% och 30%. Det visade sig att en hög torrhalt på ungefär 30% i fermenteringen gav en så hög koncentration av etanol som 102 g/l vilket motsvarar ungefär 9.7 vikts%. Detta motsvarar ungefär en 12% alkoholdryck, förslagsvis en vinflaska på systembolaget. Det som var överraskande var att det teoretiska utbytet av glukos inte minskade med en ökad torrhalt, utan tvärtom det ökade! Ur experimenten så erhölls ett utbyte på 85 – 88% av glukosen som fanns tillgängligt, vilket är väldigt högt för en sån här hög torrhalt. Från fermenteringen så fanns det även massa biprodukter kvar i fast form, vilket kan förbrännas och ge energi.
Tyvärr så uppstod den en rad problem med utrustningen för tillverkning av biogas därför blev inte resultaten så bra. Det högsta utbytet av metan var ungefär 168 ml/g fast material. Men det kan konstateras att det var möjligt att producera ungefär 2 gram metan av 100 gram vetehalm, detta är ungefär 6% av den totala energi som man kan tänka sig utvinna från vetehalm.

Sammanfattningsvis utvanns det ungefär 15 gram av etanol, 2 gram metan och 35 gram rester i fast fas, som alla anses vara värdefulla produkter eftersom att de generera energi. Om man översätter dessa produkter till hur mycket energi de innehåller, så är det ungefär 74% av den teoretiskt möjliga energi som maximalt går att utvinna.

• author: Gustafson, Victor
• supervisor: Krisztina Kovacs; Mats Galbe
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: lactic acid, chemical engineering, biogas, enzymes, enzymatic hydrolysis, energy recovery, ethanol red, bioethanol, wheat straw, steam pretreatment, inhibitors, kemiteknik
• language: English
• id: 5472915
• date added to LUP: 2015-06-16 09:21:17
• date last changed: 2015-06-18 14:04:26