Ming Yang

The use of lignocellulosic biomass for fermentative butanol production in biorefining processes

Yang M. (2015). The use of lignocellulosic biomass for fermentative butanol production in biorefining processes. https://doi.org/10.14214/df.202

Tiivistelmä

Lignoselluloosabiomassan käyttö fermentoinnilla tuotetun biobutanolin biojalostusprosesseissa Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli käyttää lignoselluloosabiomassaa - ohran olkea - biobutanolin tehokkaassa tuotannossa. Ohran oljen hemiselluloosa erotettiin selluloosasta laimealla rikkihappo- esikäsittelyllä. Esikäsittelyssä syntynyt hydrolysaatti fermentoitiin yhdessä tärkkelys biomassan kanssa (yhteisfermentointi) asetoni-butanoli-etanoli (ABE) liuokseksi. Työssä tutkittiin kaksi erilaista yhteisfermentointiprosessia: I) Ohran olki sekoitettiin yhteen ohran jyvien kanssa ja seos käsiteltiin laimea happo -esikäsittelyllä. Hemiselluloosasta ja tärkkelyksestä hydrolysaattiin vapautuneet sokerit fermentoitiin biobutanoliksi; II) esikäsitelty ohran olki hydrolysaatti ja gelatinoitu tärkkelys liuos sekoitettiin ja fermentoitiin. Esikäsittelyssä syntynyt kiinteä jäännös, joka pääosin sisältää selluloosaa, hydrolysoitiin fermentoituviksi sokereiksi yhtäaikaisesti sellulaasilla ja ksylanaasilla yhdessä pinta-aktiivisten lisäaineiden kanssa. Syntynyt liuos fermentoitiin ABE fermentoinnilla. Kypsymättömästä ohrasta tehtyä tuoretta säilörehua tutkittiin esimerkkinä tärkkelyksen ja lignoselluloosan yhteisfermentoinnista biobutanoliksi. Ohran olki ja jyvä sekoituksen (prosessi I) optimaalinen sokerisaanto saatiin esikäsittelyolosuhteissa jossa käytettiin 1,5 % rikkihappoa 60 minuuttia. Yksiprosenttinen rikkihappo tuotti kuitenkin paremman ABE fermentointituloksen hydrolysaattisekoituksena kuin 1,5 % rikkihappo.  Tämän liuoksen (1% rikkihappokäsittely) fermentointi tuotti 11,3 g/l ABE liuosta mutta vain 19 % pentoosisokereista oli kulutettu. Prosessi II:ssa jossa fermentointiin liuosta joka oli esikäsitellystä olki ja jyvä sekoituksesta tuotti enemmän ABE liuosta (13,5 g/l) kuin prosessi I, ja 95 % pentoosisokereista oli kulutettu. Kypsymättömän ohran esikäsittelystä syntyvä hydrolysaatti, johon lisättiin gelatinoitua tärkkelystä, tuotti 9,0 – 10,9 g/l ABE liuosta. Ksylanaasin, sellulaasin ja pinta-aktiivisten aineiden (PEG 4000) yhteiskäyttö esikäsittelystä jäävän kiinteän aineen hydrolyysissä lisäsi glukoosin ja ksyloosin tuottoa verrattuna käsittelyyn ilman ksylanaasia ja PEG 4000. Lisääntynyt sokereiden saanto lisäsi ABE tuottoa 93,8 g/kg 135 g/kg esikäsiteltyä olkea. Tulokset viittaavat siihen, että olkibiomassasta tuotettu hemiselluloosa lisättynä sopivalla määrällä tärkkelystä sisältävää biomassaa on käyttökelpoinen raaka-aine biobutanolin tuotannossa. Hemiselluloosan tehokkaassa hyödyntämisessä prosessi II näyttää parhaimmalta erityisesti kun on useita biomassoja käytössä. Ksylanaasin ja pinta-aktiivisten aineiden lisäys sellulaasilla tehtyyn hydrolyysiin tuotti hyvälaatuista materiaalia biobutanolifermentointiin. Vihreä ohrasäilörehu tuotti selvitetyillä esikäsittelymenetelmillä hyvin biobutanolia, mikä indikoi vihersäilörehun potentiaalia biojalostusprosesseissa.

Avainsanat
Biopolttoaine; asetoni-butanoli-etanoli; ohran olki; vihreä peltobiomassa; esikäsittely; entsymaattinen hydrolysointi; sokeri

Julkaistu 28.9.2015

Katselukerrat 4536

Saatavilla https://doi.org/10.14214/df.202 | Lataa PDF

Osajulkaisut

Yang M., Kuittinen S., Zhang J., Keinänen M., Pappinen A. (2013). Effect of dilute acid pretreatment on the conversion of barley straw with grains to fermentable sugars. Bioresource Technology 146: 444–450.

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.07.107

Yang M., Kuittinen S., Zhang J., Vepsäläinen J., Keinänen M., Pappinen A. (2015). Co-fermentation of hemicelluloses and starch from barley straw and grain for efficient pentoses utilization in acetone-butanol-ethanol production. Bioresource Technology 179: 128–135.

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.12.005

Yang M., Zhang J., Kuittinen S., Vepsäläinen J., Soininen P., Keinänen M., Pappinen A. (2015). Enhanced production of reducing sugars from pretreated barley straw by additive xylanase and surfactants in enzymatic hydrolysis for acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation. Bioresource Technology 189: 131–137.

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.04.008

Yang M., Kuittinen S., Keinänen M., Vepsäläinen J., Romar H., Tynjälä P., Lassi U., Pappinen A. (2014). The use of (green field) biomass pretreatment liquor for fermentative butanol production and the catalytic oxidation of biobutanol. Chemical engineering research and design 92: 1531–1538.

https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.01.015

---