Advanced

Development of characterization methods for lignocellulosic biogas substrates

Victorin, Mirjam LU (2016) KET920 20152
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
As the need of environmentally friendly alternatives to fossil fuels is growing bigger, so is the need for knowledge and research around possible new raw materials that could serve that pur-pose. One discussed product is biogas. Since biogas can be produced from not only food waste and wastewater residue, but from any substrate that contains fats, proteins and/or car-bohydrates, with the help of degrading microorganisms, there is a new interest for using ligno-cellulosic biomass such as straw as a raw material. The biggest issue with using lignocellulose is its low bioaccessibility to enzymes because of its crystalline structure, where cellulose poly-mers are stabilized by hemicellulose and lignin polymers. Furthermore, straw contains a... (More)
As the need of environmentally friendly alternatives to fossil fuels is growing bigger, so is the need for knowledge and research around possible new raw materials that could serve that pur-pose. One discussed product is biogas. Since biogas can be produced from not only food waste and wastewater residue, but from any substrate that contains fats, proteins and/or car-bohydrates, with the help of degrading microorganisms, there is a new interest for using ligno-cellulosic biomass such as straw as a raw material. The biggest issue with using lignocellulose is its low bioaccessibility to enzymes because of its crystalline structure, where cellulose poly-mers are stabilized by hemicellulose and lignin polymers. Furthermore, straw contains a lot of trapped air which causes it to float on the liquid surface in the fermenters, minimizing the con-tact surface area towards the degrading enzymes. Different mechanical pre-treatment methods for the straw aim to solve that problem. In order to facilitate the optimization of these pre-treatment methods, there is a need for a more time efficient characterization method than the biochemical methane potential tests that are usually run for 30-50 days, to determine the me-thane yield. This master thesis investigated whether enzymatic hydrolysis for 3 days of differ-ent straw samples would show the same tendency in how much cellulose and hemicellulose that were degraded to soluble sugars, as in how high the methane productivity of those sam-ples would be. Wheat, rye, barley and canola straw as well as granulated wheat straw (achieved by extrusion) were analysed. The results showed a correlation between the methane yield and the xylan/xylose digestibility indicating that an increase in density, particle size and total surface area also generated an increase in cumulative methane yield and digestibility of xylan to xylose. To investigate this characterization method further, extensive statistical analy-sis should be performed on more samples. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Populärvetenskaplig sammanfattning av examensarbetet Utveckling av karaktäriserings-metoder för lignocellulosarika biogassubstrat.
Smältande isar, extrema naturkatastrofer och rekordhöga temperaturer; det rapporteras daglig-en om nya händelser som påstås ha orsakats av den globala uppvärmningen. De flesta svenskar är numer familjära med uttrycket och miljömedvetenhet är något som blir mer och mer upp-muntrat. Den mest välkända påverkande faktorn är användningen av fossila bränslen. Biogas är ett av flera miljövänligare alternativ som det i dagsläget bedrivs mycket forskning kring.
Biogas består till största del av koldioxid och metan, där metangasen är den enda brännbara beståndsdelen. Gasblandningen görs oftast från matrester från... (More)
Populärvetenskaplig sammanfattning av examensarbetet Utveckling av karaktäriserings-metoder för lignocellulosarika biogassubstrat.
Smältande isar, extrema naturkatastrofer och rekordhöga temperaturer; det rapporteras daglig-en om nya händelser som påstås ha orsakats av den globala uppvärmningen. De flesta svenskar är numer familjära med uttrycket och miljömedvetenhet är något som blir mer och mer upp-muntrat. Den mest välkända påverkande faktorn är användningen av fossila bränslen. Biogas är ett av flera miljövänligare alternativ som det i dagsläget bedrivs mycket forskning kring.
Biogas består till största del av koldioxid och metan, där metangasen är den enda brännbara beståndsdelen. Gasblandningen görs oftast från matrester från livsmedelsindustrin eller från avloppsslam vid vattenreningsverk. Det enda kravet på råvaran är att den ska innehålla fett, protein eller kolhydrater, för att då kunna brytas ned till metan av tillsatta mikroorganismer. Denna speciella sorts mikroorganismer lever under sy-refria förhållanden vilket tillåter metanbildning. Eftersom halm är en stor restprodukt från jordbruksindustrin, undersöks nu möjligheten att framställa biogas från den.
Halm innehåller en stor del kolhydrater i form av lignocellulosa. Lignocellulosa består av tre olika ämnen; lignin, cellulosa och hemicellulosa. Medan cellulosan och hemicellulosan kan beskrivas som långa kedjor av sammanbundna sockermolekyler, är ligninet uppbyggt av ringformade alkoholer. Tillsammans bildar de väldigt stabila fibrer i cellväggen på växter och utgör deras motsvarighet till människans skelett. Dessa fibrer är därför också väldigt svåra för mikroorganismerna att bryta ned till mindre sockerarter, såsom glukos och xylos, för att vidare kunna omvandla dessa sockerarter till metan. Dessutom är ligninet icke nedbrytbart och utgör ett stort hinder. Förutom problematiken kring lignocellu-losans stabila strukturer och relativt höga ligninhalt så innehåller halm också mycket luft. Den innestängda luften resulterar i att halmen lätt flyter upp till ytan inuti en fermentortank. Detta fenomen minskar kontaktytan mellan mikroorganismerna, som befinner sig i vätskefasen, och halmen. På så sätt försvåras biogastillverkningen och produktionstiden förlängs markant. I en produktionsprocess innebär en förlängd produktionstid också ett krav på större tankar vilket ju påökar materialkostnaderna samt energibehovet för uppvärmning för en sådan produktion.
För att lösa dessa problem finns det olika sorts förbehandlingsmetoder vars syften oftast är att pulverisera halmen till mindre beståndsdelar så att dess densitet höjs och att den därigenom sjunker. Optimeringen av dessa förbehandlingsmetoder kräver att halmpulvret ska kunna utvärderasmed hjälp av en karaktäriseringsmetod. Idag utförs oftast s.k. biokemiska metanpotentialtester där man i labbskala testar hur mycket metan som kan fås ut från ett halmprov. Dessa tester tar dock 30-50 dagar och det finns en önskan om en mer tidseffektiv karaktäriseringsmetod. Via ett examensarbete har nu enzyma-tisk hydrolys, där man tillsätter enzymer som bryter ned halmen till mindre sockerarter varvid nedbrytbarheten av halmen kan mätas, undersökts som en potentiell karaktäriseringsmetod. Resultaten visade på en korrelation mellan hemicellulosans nedbrytbarhet och dess metanpot-ential, samt dess egenskaper såsom halmens totala yta, densitet och kemiska sammansättning. För att stärka karaktäriseringsmetoden ytterligare krävs däremot fortsatta studier och omfat-tande statistiska analyser. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Victorin, Mirjam LU
supervisor
organization
course
KET920 20152
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
characterization methods, anaerobic digestion, straw, Biogas, lignocellulose, BMP, mechanical pretreatment, chemical engineering, kemiteknik
language
English
id
8870482
date added to LUP
2016-04-07 09:17:17
date last changed
2016-04-07 09:17:17
@misc{8870482,
  abstract     = {As the need of environmentally friendly alternatives to fossil fuels is growing bigger, so is the need for knowledge and research around possible new raw materials that could serve that pur-pose. One discussed product is biogas. Since biogas can be produced from not only food waste and wastewater residue, but from any substrate that contains fats, proteins and/or car-bohydrates, with the help of degrading microorganisms, there is a new interest for using ligno-cellulosic biomass such as straw as a raw material. The biggest issue with using lignocellulose is its low bioaccessibility to enzymes because of its crystalline structure, where cellulose poly-mers are stabilized by hemicellulose and lignin polymers. Furthermore, straw contains a lot of trapped air which causes it to float on the liquid surface in the fermenters, minimizing the con-tact surface area towards the degrading enzymes. Different mechanical pre-treatment methods for the straw aim to solve that problem. In order to facilitate the optimization of these pre-treatment methods, there is a need for a more time efficient characterization method than the biochemical methane potential tests that are usually run for 30-50 days, to determine the me-thane yield. This master thesis investigated whether enzymatic hydrolysis for 3 days of differ-ent straw samples would show the same tendency in how much cellulose and hemicellulose that were degraded to soluble sugars, as in how high the methane productivity of those sam-ples would be. Wheat, rye, barley and canola straw as well as granulated wheat straw (achieved by extrusion) were analysed. The results showed a correlation between the methane yield and the xylan/xylose digestibility indicating that an increase in density, particle size and total surface area also generated an increase in cumulative methane yield and digestibility of xylan to xylose. To investigate this characterization method further, extensive statistical analy-sis should be performed on more samples.},
  author       = {Victorin, Mirjam},
  keyword      = {characterization methods,anaerobic digestion,straw,Biogas,lignocellulose,BMP,mechanical pretreatment,chemical engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Development of characterization methods for lignocellulosic biogas substrates},
  year         = {2016},
}