Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Continuous enzymatic hydrolysis of cellulose for bioethanol production

Hammarbro, David LU (2023) KETM05 20212
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
As of today, renewable energy accounts for only 13.8 % of the total world energy supply. This number must increase if we want to have a climate neutral economy by 2050. One possible way to increase the renewable energy percentage is by processing and using a byproduct such as wheat straw to make bioethanol. This process involves a pretreatment of the wheat straw into a pressed and pulverized material that can be enzymatically hydrolyzed into glucose. The sugar rich hydrolysate liquid can then be fermented into ethanol and used as an energy source.
This study investigated the possibility to hydrolyze the pretreated wheat straw in a continuous mode, since batch hydrolysis of cellulosic materials are not economically feasible as their... (More)
As of today, renewable energy accounts for only 13.8 % of the total world energy supply. This number must increase if we want to have a climate neutral economy by 2050. One possible way to increase the renewable energy percentage is by processing and using a byproduct such as wheat straw to make bioethanol. This process involves a pretreatment of the wheat straw into a pressed and pulverized material that can be enzymatically hydrolyzed into glucose. The sugar rich hydrolysate liquid can then be fermented into ethanol and used as an energy source.
This study investigated the possibility to hydrolyze the pretreated wheat straw in a continuous mode, since batch hydrolysis of cellulosic materials are not economically feasible as their glucose production is too low compared to the hydrolysate of crops. The study preformed both enzymatic batch hydrolysis and continuous enzymatic hydrolysis to be able to compare the results. The most productive continuous setup was according to this report 25 % total solids (TS), which produced on average 74.8 g glucose/l every 24 hours compared to 70.8 g glucose/l and 71.1 g glucose/l for 20 % TS and 15 % TS respective. The continuous production was 13 % and 23 % higher per 24 hours for 15 % TS and 25 % TS respective compared to the batch reactor. It was also found that the non-hydrolyzed cellulose content in the effluent dry matter was between 48 % for the 15 % TS and 60 % for one of the 25 % TS experiments.
It was found that it is possible to increase the production rate of glucose from cellulosic materials by using a continuous enzymatic process instead of a batch process. However, more tests need to be performed, such as testing the impact of different retention times, enzyme loading and maybe put several continuous reactors in series with intermediate separation steps. (Less)
Abstract (Swedish)
Energi från förnybara källor står idag enbart för 13,8% av världens totala energiproduktion. Detta är ett för lågt värde om det ska vara möjligt att nå målet om en klimatneutral ekonomi senast år 2050. En möjlig lösning för att öka mängden förnybar energi är genom att processera en biprodukt som vetehalm för att producera stora mängder bioetanol. Processen inleds med att vetehalmen förbehandlas till ett pressat och pulveriserat material, vilket sedan kan hydrolyseras enzymatiskt till glukos. Den sockerrika vätskan kan sedan användas för att fermentera etanol, vilket kan användas som energikälla.
Studien undersökte möjligheten att enzymatiskt hydrolysera den förbehandlade vetehalmen i en kontinuerlig process, då satshydrolys av... (More)
Energi från förnybara källor står idag enbart för 13,8% av världens totala energiproduktion. Detta är ett för lågt värde om det ska vara möjligt att nå målet om en klimatneutral ekonomi senast år 2050. En möjlig lösning för att öka mängden förnybar energi är genom att processera en biprodukt som vetehalm för att producera stora mängder bioetanol. Processen inleds med att vetehalmen förbehandlas till ett pressat och pulveriserat material, vilket sedan kan hydrolyseras enzymatiskt till glukos. Den sockerrika vätskan kan sedan användas för att fermentera etanol, vilket kan användas som energikälla.
Studien undersökte möjligheten att enzymatiskt hydrolysera den förbehandlade vetehalmen i en kontinuerlig process, då satshydrolys av cellulosarikt material är inte ekonomiskt lönsamt eftersom glukosproduktionen är för låg jämfört med den som uppnås vid användning av grödor. Både enzymatisk satshydrolys och kontinuerlig enzymatisk hydrolys utfördes för att de olika processerna skulle kunna jämföras. Den mest produktiva försöksuppsättningen var då 25 % torrsubstans (TS) användes. Vid 25 % TS producerades det i snitt 74,8 g glukos/l och dygn, jämfört med 70,8 g glukos/l och 71,1 g glukos/l per dygn för 20 % TS och 15 % TS. Glukosproduktionen var 13 % respektive 23 % högre per dygn vid kontinuerlig produktion än den var vid satsproduktion för 15 % TS respektive 25 % TS. Det upptäcktes att mängden ej hydrolyserad cellulosa i den uttagna fasta delen var mellan 48 % och 60 %.
Det framkom att det är möjligt att öka glukosproduktionen ur cellulosamaterial genom att tillämpa en kontinuerlig process istället för en satsprocess. Det krävs dock att fler experiment utförs, för att exempelvis kunna utvärdera hur olika uppehållstider och enzymmängder påverkar produktionen. Det kan även vara intressant att testa en uppsättning av reaktorer i serie. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Hammarbro, David LU
supervisor
organization
alternative title
Kontinuerlig enzymatisk hydrolys av cellulosa för bioetanolproduktion
course
KETM05 20212
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Chemical engineering, continuous hydrolysis, enzymatic hydrolysis, wheat straw
language
English
id
9106789
date added to LUP
2023-02-09 14:42:39
date last changed
2023-02-09 14:42:39
@misc{9106789,
  abstract     = {{As of today, renewable energy accounts for only 13.8 % of the total world energy supply. This number must increase if we want to have a climate neutral economy by 2050. One possible way to increase the renewable energy percentage is by processing and using a byproduct such as wheat straw to make bioethanol. This process involves a pretreatment of the wheat straw into a pressed and pulverized material that can be enzymatically hydrolyzed into glucose. The sugar rich hydrolysate liquid can then be fermented into ethanol and used as an energy source.
This study investigated the possibility to hydrolyze the pretreated wheat straw in a continuous mode, since batch hydrolysis of cellulosic materials are not economically feasible as their glucose production is too low compared to the hydrolysate of crops. The study preformed both enzymatic batch hydrolysis and continuous enzymatic hydrolysis to be able to compare the results. The most productive continuous setup was according to this report 25 % total solids (TS), which produced on average 74.8 g glucose/l every 24 hours compared to 70.8 g glucose/l and 71.1 g glucose/l for 20 % TS and 15 % TS respective. The continuous production was 13 % and 23 % higher per 24 hours for 15 % TS and 25 % TS respective compared to the batch reactor. It was also found that the non-hydrolyzed cellulose content in the effluent dry matter was between 48 % for the 15 % TS and 60 % for one of the 25 % TS experiments.
It was found that it is possible to increase the production rate of glucose from cellulosic materials by using a continuous enzymatic process instead of a batch process. However, more tests need to be performed, such as testing the impact of different retention times, enzyme loading and maybe put several continuous reactors in series with intermediate separation steps.}},
  author       = {{Hammarbro, David}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Continuous enzymatic hydrolysis of cellulose for bioethanol production}},
  year         = {{2023}},
}