Wykorzystanie słomy kukurydzianej do produkcji bioetanolu II generacji

• Autorzy: Smuga-Kogut M.

Warianty tytułu

EN

The Utilization of the Corn Stover in Production of the Second Generation Biofuel

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Słoma kukurydziana to potencjalny surowiec do produkcji biopaliw, który w Polsce występuje w znacznych ilościach (Styszko, Majewski, 2010). Dotychczas do produkcji bioetanolu wykorzystuje się surowce żywnościowe takie jak: ziarna zbóż, buraki cukrowe czy ziemniaki (Kupczyk, Wojdalski, 2010). Znane są również metody produkcji tego paliwa z surowców ligninocelulozowych z zastosowaniem kwasów lub zasad, ale ich stosowanie zagraża środowisku, a ponadto metody te są mało wydajne. Korzystniejszym rozwiązaniem byłoby stosowanie do obróbki wstępnej biomasy takich metod, które nie wpłynęłyby na generowanie toksycznych odpadów po procesie lub które można byłoby poddać recyklingowi. Do takiej grupy metod należy stosowanie obróbki wstępnej biomasy przy użyciu cieczy jonowych, należących do grupy: „zielonych rozpuszczalników”. Z tych powodów celem badań była ocena przydatności obróbki wstępnej octanem 1-etylo-3-metyloimidazolu i chlorkiem 1-etylo-3 metyloimidazolu w procesie otrzymywania bioetanolu ze słomy kukurydzianej. Zakres pracy obejmował badanie właściwości słomy kukurydzianej (sucha masa, zawartość celulozy i ligniny), obróbkę wstępną słomy kukurydzianej z zastosowaniem różnych cieczy jonowych, hydrolizę enzymatyczną słomy kukurydzianej oraz fermentację alkoholowa. Ciecze jonowe korzystnie wpływają na strukturę krystaliczną celulozy, powodując jej rozluźnienie oraz zwiększenie miejsc dostępnych dla enzymów celulolitycznych. Octan 1-etylo-3-metyloimidazoliowy oddziela wstępnie ligninę od pozostałych składników słomy kukurydzianej i nie stanowi bariery dla działania enzymów celulolitycznych oraz drożdży wykorzystywanych w badaniach. Badanie wydajności hydrolizy enzymatycznej słomy żytniej po obróbce wstępnej cieczami jonowymi pozwoliło na porównanie tych dwóch metod obróbki wstępnej. Korzystniejszym sposobem oczyszczania materiałów ligninocelulozowych było stosowanie octanu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego niż chlorku 1-etylo-3-metyloimidazoliowego, ze względu na większą zawartość cukrów redukujących po hydrolizie enzymatycznej. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono również, że użycie cieczy jonowej – octanu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego poprawiło uzysk bioetanolu ze słomy kukurydzianej.

EN

Corn stover, which occurs in Poland in large amounts, is a potential raw material for production of biofuels (Styszko, Majewski, 2010). Until now, staple food (food ingredients), cereals, potatoes or sugar beets have been used for biofuel production (Kupczyk, Wojdalski, 2010). However, more often, other methods employing lignocellulosic material and acids or bases are applied for ethanol production; however, these methods are not so efficient and their application carries a potential environmental risk. An application of methods that are safe (i.e. methods with minimized production of toxic waste after processing) and could be recycled sound like a better solution in this situation. As an example of such methods, we can propose techniques based on ionic fluids belonging to a group of “green solvents”. Therefore, in this study we evaluated an applicability of preprocessing phase using 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate and 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride in the process of biofuel production from corn stover. The study included determination of properties of corn stover (dry mass, cellulose and lignin content), preprocessing of corn stover using various ionic liquids, enzymatic hydrolysis of corn stover and alcohol fermentation. Ionic liquids beneficially affect the crystal structure of cellulose, leading to crystal structure loosening and increase in areas available for cellulosic enzymes. We noticed that 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate initially separated lignin from other content of corn stover and had no negative effect on the action of cellulosic enzymes and yeasts. The study of efficiency of enzymatic hydrolysis of rye stover after preprocessing with ionic liquids allowed to make comparison between abovementioned preprocessing methods. More beneficial cleaning process of lignocellulosic material was observed for 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. This beneficial effect resulted from higher amount of reducing sugars after enzymatic hydrolysis. It was also found that the use of ionic liquid – 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate – improved the yield of biofuel production from corn stover.

Słowa kluczowe

PL

bioetanol II generacji; słoma kukurydziana; ciecze jonowe

EN

bioethanol II; generation; corn stover; ionic liquids

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: Tom 18, cz. 1
• Strony: 507--518
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys.

Twórcy

autor

Smuga-Kogut M.

• Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• 1. Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M., Negro, M. J. (2010). Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review. Bioresource Technology, 101, 4851-4861.
• 2. Boehringer Mannheim/R-Biopharm. Ethanol UV-method, Simplified procedure for the determination of ethanol in alcoholic beverages, http://www.hottay.ru/Files/ethanol_englisch_10176290035.pdf
• 3. Borowski, P., Gawron, J., Golisz, E., Kupczyk, A., Piechocki, J., Powałka, M., Redlarski, G., Samson-Bręk, I., Sikora, M., Szwarc, M., Tucki, K. (2014). Influence of CO2 emissions reduction on functioning the biofuels sectors for transport in Poland (Wpływ redukcji emisji CO2 na funkcjonowanie sektorów biopaliw transportowych w Polsce). Warszawa: Oficyna Wydawniczo- Poligraficzna ADAM, ISBN 978-83-7821-084-9.
• 4. Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. (2013). Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquid. Green Chemistry, 15, 550, doi: 10.1039/c2gc36364j.
• 5. Foszcz, D., Sztaba, K.S. (1999). Bezpieczne składowanie odpadów integralną częścią kompleksowego zagospodarowania surowców. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 15 (zeszyt specjalny), 21-31.
• 6. Ghose, T.K. (1987). Measurement of cellulases activities. Pure and Applied Chemistry. 59 (2), 257-268. doi:10.1351/pac198759020257.
• 7. Hayes, D. J. (2009). An examination of biorafining process, catalysts and chellenges. Catalisis Today, 145, 138-151.
• 8. Krutul, D. (2002). Ćwiczenia z chemii drewna oraz wybranych zagadnień z chemii organicznej (Wydanie 2). Warszawa: Wydawnictwo SGGW.
• 9. Li, Q., He, Y. C., Xian, M., Jun, G., Xu, X., Yang, J. M., Li, L. Z. (2009). Improving enzymatic hydrolysis of wheat straw using ionic liquid 1-ethyl-3-methyl imidazolium diethyl phosphate pretreatment. Bioresource Technology, 100, 3570-3575.
• 10. Liu, H., Sale, K. L., Holmes, B. M., Simmons, B. A., Singh, S. (2010) Under-standing the interactions of cellulose with ionic liquids: a molecular dynamics study. Journal of Physical Chemistry B, 114, 4293-4301.
• 11. Mazurkiewicz, M., Malata, G., Uliasz-Bocheńczyk, A. (2013). Charakterystyka wybranych odpadów ze zgazowania węgla. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 29, 4, 119-127. doi: 10.2478/gospo-2013-0048
• 12. Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y. Y., Holtzapple, M., Ladish, M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 96, 673-686.
• 13. Oliva, J. M., Sáez, F., Ballesteros, I., Gónzalez, A., Negro, M. J., Manzanares, P., Ballesteros, M. (2003). Effect of lignocellulosic degradation compounds from steam explosion pretreatment on ethanol fermentation by thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus. Applied Microbiology and Biotechnology, 105, 141-154.
• 14. Öhgren, K., Bura, R., Saddler, J., Zacchi, G. (2007). Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover. Bioresource Technology, 98, 2503-2510.
• 15. Palmqvist, E., Hahn-Hägerdal, B. (2000). Fermentation of lignocellulosic hydrolysates II: inhibitors and mechanism of inhibition. Bioresource Technnology, 74, 25-33.
• 16. Pawłowski, A., Cao, Y. (2014). Rola CO2 w ekosystemie Ziemi i możliwości sterowania przepływami CO2 pomiędzy podsystemami. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 30, 4, 5-20. doi: 10.2478/gospo-2014-0037.
• 17. Rodrigues, J., Faix, O. & Pereira, H. (1999). Improvement of the acethylbromide method for lignin determination within large scale screening programmes. European Journal of Wood & Wood Products/Holz als Rohund Werkstoff, 57, 341-345. doi:10.1007/s001070050355.
• 18. Saddler, J. N., Ramos, L. P., Breuil, C. (1993). Steam pretreatment of lignocellulosic residue. Biotechnology and Agricultural Series, 9, 73-91.
• 19. Singh, S., Simmons, B. A., Vogel, K. P. (2009). Visualization of biomass solubilization and cellulose regeneration during ionic liquid pretreatment of switchgrass. Biotechnology Bioenergy, 104, 68-75.
• 20. Stopa, J., Zawisza, L., Wojnarowski, P., Rychlicki, S. (2009). Potencjalne możliwości geologicznej sekwestracji i składowania dwutlenku węgla w Polsce. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 25, 1, 169-185.
• 21. Styszko, L., Majewski, A. (2010). Słoma kukurydziana jako surowiec do produkcji biogazu. Rocznik Ochrona Środowiska, 12, 191-206.
• 22. Sun, Y., Chen, J. (2002). Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review. Bioresource Technology, 83, 1-11.
• 23. Szymanowska-Powałowska, D., Lewandowicz, G., Kubiak, P., Błaszczak, W. (2014). Stability of the process of simultaneous saccharification and fermentation of corn flour. The effect structural changes of starch by stillagerecycling and scaling up of the process. Fuel, 119, 328-334.
• 24. Uihlein, A, Schbek, L. (2009). Environmental impacts of a lignocellulosicfeedstock biorefinery system: an assessment. Biomass and Bioenergy, 33, 793-802.
• 25. Wang, H., Gurau, G., Rogers, R. D. (2012). Ionic liquid processing of cellulose. Chemical Society Reviews, 41, 1519-1537.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.