Co-pretreatment of spruce and poplar for ethanol production - Effects of mixed feedstocks on pretreatment and enzymatic hydrolysis efficiency

Abstract

Oil is very important for today’s society and the transportation sector is almost completely dependent on this material. Unfortunately, it affects the level of greenhouse gases negatively which in turn contribute to global warming. Therefore, it is necessary to reduce greenhouse gas emissions, especially in the sectors that emit the most, as transportation sector. The European Parliament has decided that by year 2020, 20 % of all fuels used in European transportation sector should be based on renewable energy sources. However, it is not easy to find an energy source that will replace oil, but one of the leading alternatives is ethanol produced from biomass.
There are many different raw materials that can serve as feedstock in ethanol production process, both first generation and second generation. However, within the same plant, usually the feedstock is not mixed and the ethanol process is optimized for one material. Diversifying feedstock base may lead to improved supply efficiency and, thus improved profitability. However, the heterogeneity of feedstock mixtures makes the concurrent processing of multiple feedstocks more challenging, which requires further investigations. This study concentrates on exploring the possibility to co-pretreat spruce (softwood) and poplar (hardwood) to enable to utilize mixed feedstock blends for ethanol production in a second generation process.
In this study it has been showed that there are no huge effects or synergies by mixing poplar and spruce on enzymatic hydrolysis. Although, if a 50% blend of spruce and poplar not possible to separate is to be pretreated, there is a wide range of conditions that can be applied and still obtain the same glucose yield after enzymatic hydrolysis.
Also, the study has showed that glucan amount was increasing and the concentrations of monomeric glucose were decreasing with higher percentage of poplar in the feedstock mixtures. From the pretreatment step it was concluded that poplar needs more severe pretreatment than spruce in order to dissolve hemicelluloses to the same extent.
The main conclusion from the study is that it is not effective to mix poplar and spruce considering sugar recoveries after enzymatic hydrolysis. When poplar and spruce are mixed, lower glucose recoveries than for pure materials are obtained after enzymatic hydrolysis. The mixtures have to be further test for fermentability in order to draw any conclusion on ethanol yield.

Popular Abstract (Swedish)

Fossila bränslen är mycket viktiga för dagens samhälle och transportsektorn är nästan helt beroende av dem. Tyvärr påverkar de miljön negativt och bidrar till att växthusgasnivå ökar. Jordens medeltemperatur har ökat med 0.8°C sedan början av industrialiseringen. Den globala uppvärmningen är ett naturligt förlopp, men har under de senaste åren varit en stor del av människors bidrag. Idag har atmosfärens kvalitet blivit irreversibelt förstörd och om man inte gör något åt det, kommer jordens framtid inte att vara så ljus.
Det är därför nödvändigt att minska utsläppen av växthusgaser, särskilt i de områden där de emitteras som mest. Ett av de viktigaste områdena är transportsektorn. Myndigheterna är medvetna om risken i samband med de negativa effekterna av växthusgaser på miljön. År 2007 har Europaparlamentet beslutat att 20 % av alla bränslen som används inom den
europeiska transportsektorn ska vara baserade på förnybara energikällor år 2020. Målet i Sverige är att användningen av förnybar energi ska nå ända upp till 50 % av den totala energianvändningen år 2020.
Dock, är det inte så enkelt att hitta en ny energikälla som kommer att ersätta fossila bränslen i transportsektorns befintliga infrastruktur, men ett av de ledande alternativen är etanol. Valet av råmaterial som används till produktion av etanol kan variera från område till område och traditionellt är etanolprocessen optimerad för en typ av material. Men, en breddning av råmaterialbas kan leda till förbättrad leveranseffektivitet och därmed förbättrad lönsamhet. Bearbetning av flera råvaror är samtidigt en utmaning och leder till ytterligare undersökningar.
Denna studie har undersökt hur poppel, gran och blandningar av dessa två påverkar förbehandling och enzymatisk hydrolys med mål att ge en grund för ytterligare undersökningar om jäsning för framställning av etanol. Studien visar att det inte finns några större effekter på enzymatisk hydrolys av att blanda poppel och gran. Däremot, om man har 50 % blandning av poppel och gran som ska förbehandlas så finns det ett brett spektrum av betingelser som kan appliceras för förbehandlingssteget och som kan leda till samma resultat efter enzymatisk hydrolys när det gäller glukosutbyte.
Studien har även visat ett tydligt mönster gällande sockerhalter erhållna i flytande och fast fas efter förbehandling. Mängden glukan ökade och monomer glukos minskade med högre procentandel poppel i materialet. Från förbehandlingssteget kan man även dra slutsatsen att poppel behöver tuffare förbehandlingsförhållande än gran för att lösa upp hemicellulosan i samma utsträckning.
Med tanke på glukosåtervinning efter enzymatisk hydrolys är det inte effektivt att blanda poppel och gran. Blandningarna måste fermenteras för att dra slutsatser om hur de påverkar etanol.

• author: Jovanovic, Hanna
• supervisor: Balazs Franko; Mats Galbe
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biofuels, Bioethanol, Second generation bioethanol, Poplar, Spruce, Enzymatic hydrolysis, Pretreatment, Lignocellulose, Chemical Engineering, Kemiteknik
• language: English
• id: 8926985
• date added to LUP: 2017-10-31 08:55:40
• date last changed: 2017-10-31 08:55:40