Wykorzystanie promieniowania mikrofalowego do wspomagania procesu fermentacji alkoholowej biomasy

Nowicka, A.; Zieliński, M.; Dębowski, M.; Dudek, M.

doi:10.12912/23920629/68324

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wykorzystanie promieniowania mikrofalowego do wspomagania procesu fermentacji alkoholowej biomasy

Autorzy

Nowicka A. , Zieliński M. , Dębowski M. , Dudek M.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.12912/23920629/68324

Warianty tytułu

Use of the microwave radiation for upgrading of a biomass alcoholic fermentation

Języki publikacji

Abstrakty

Przeprowadzenie obróbki wstępnej jest kluczowe szczególnie w przypadku wykorzystywania biomasy trudno-rozkładalnej, której podatność na biochemiczny rozkład na przykład w procesie fermentacji alkoholowej jest ograniczona. Procesy dezintegracji biomasy prowadzą do zniszczenia zwartych struktur i uwolnienia substancji organicznej do fazy rozpuszczonej w wyniku czego następuje wzrost stężenia rozpuszczonych, łatwo rozkładalnych substancji organicznych. Efektywna obróbka wstępna powinna spełniać kilka kryteriów, w tym zapewnić rozdział ligniny od celulozy, zwiększać udział celulozy amorficznej, zapewnić większą porowatość substratów, eliminować straty cukrów, ograniczać powstawanie inhibitorów, minimalizować koszty energii. Celem niniejszej pracy jest ukazanie możliwości wykorzystania elektromagnetycznego promieniowania mikrofalowego do wstępnego przygotowania biomasy roślinnej przed procesem fermentacji alkoholowej i porównanie efektywności opisywanej metody z innymi powszechnie wykorzystywanymi technikami obróbki wstępnej. Substrat poddany obróbce mikrofalowej wykazuje się szybkim tempem hydrolizy i wysoką zawartością glukozy w hydrolizacie, co powoduje zwiększenie wydajności procesu produkcji bioetanolu.

Perform pretreatment is crucial particularly in the case of the use of hard-degradable biomass, the biochemical susceptibility to degradation, for example, alcoholic fermentation is limited. Biomass disintegration processes lead to the destruction of compact structures and release of the organic substance to the phase dissolved in a resultant increase in the concentration of dissolved easily degradable organic substances. Effective pretreatment should meet several criteria, including ensuring the separation of lignin from cellulose, to increase the share of amorphous cellulose, provide a higher porosity substrates, eliminate waste sugars limit formation of inhibitors, minimize energy costs. The aim of this paper is to show the possibilities of using electromagnetic microwave radiation for pre-treatment plant biomass before the fermentation process of alcohol and comparison of the effectiveness of the described method with other commonly used techniques of pre-treatment. The substrate subjected to microwave treatment has a fast rate of hydrolysis and a high content of glucose in the hydrolyzate, which increases the efficiency of the production of bioethanol.

Słowa kluczowe

fermentacja alkoholowa bioetanol biomasa obróbka wstępna promieniowanie mikrofalowe

alcoholic fermentation bioethanol biomass pretreatment microwave irradiation

Wydawca

Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej

Czasopismo

Inżynieria Ekologiczna

Rocznik

2017

Tom

Vol. 18, nr 2

Strony

109--116

Opis fizyczny

Bibliogr. 44 poz., rys.

Twórcy

autor

Nowicka A.

anna.grala@uwm.edu.pl

Katedra Inżynierii Środowiska, Wydział nauk o Środowisku, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, ul. Warszawska 117, 10-720 Olsztyn

autor

Zieliński M.

marcin.zielinski@uwm.edu.pl

Katedra Inżynierii Środowiska, Wydział nauk o Środowisku, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, ul. Warszawska 117, 10-720 Olsztyn

autor

Dębowski M.

marcin.debowski@uwm.edu.pl

Katedra Inżynierii Środowiska, Wydział nauk o Środowisku, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, ul. Warszawska 117, 10-720 Olsztyn

autor

Dudek M.

magda.dudek@uwm.edu.pl

Katedra Inżynierii Środowiska, Wydział nauk o Środowisku, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, ul. Warszawska 117, 10-720 Olsztyn

Bibliografia

1. Aditiya H.B., Mahlia T.M.I., Chong W.T., Hadi Nur, Sebayang A.H. 2016. Second generation bioethanol production: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 66: 631–365.
2. Ahn J.H., Shinb S.G., Hwangb S. 2009. Effect of microwave irradiation on the disintegration and acidogenesis of municipal secondary sludge. Chemical Engineering Journal, 153, 1–3: 145–150.
3. Bai Y., Li W., Chen C., Liao P. 2010. Biological pretreatment of cotton stalks and domestication of inocula in biogas fermentation. Microbiology China, 37: 519–519.
4. Balat M. 2011. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: a review. Energy Conversion and Management, 52: 858–875.
5. Behera S., Arora R., Nandhagopal N., Kumar S. 2014. Importance of chemical pretreatment for bioconversion of lignocellulosic biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 36: 91–106.
6. Budarin V.L., Clark J.H., Lanigan B.A., Shuttleworth P., Breeden S.W, Wilson A.J. , Macquarrie D.J., Milkowski K., Jones J., Bridgeman T., Ross A. 2009. The preparation of high-grade bio-oils through the controlled, low temperature microwave activation of wheat straw. Bioresource Technology, 100 : 6064–6068.
7. Cardona C.A., Quintero J.A., Paz I.C. 2009. Production of bioethanol from bagesse: status and perspectives. Bioresource Technology, 101 (13): 4754–4766.
8. Carlsson M., Lagerkvist A., Morgan-Sagastume F. 2012. The effects of substrate pre-treatment on anaerobic digestion systems: a review. Waste Management, 32 (9) 1634–1650.
9. Chen C., Boldor D., Aita G., Walker M. 2012, Ethanol production from sorghum by a microwave-assisted dilute ammonia pretreatment. Bioresource Technology, 110: 190–197.
10. Dębicki P., Styłba S. 2010. Oddziaływania środowiskowe pól elektromagnetycznych, aspekty fizyczne, techniczne i prawne. Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz.
11. Delgenés, J.P., Penaud, V., Moletta, R. 2002. Pretreatments for the enhancement of anaerobic digestion of solid wastes Chapter 8. In: Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes. IWA Publishing, 201–228.
12. Deng S. Zhang G., Wang X., Zheng T., Wang P. 2015. Preparation and performance of polyacrylonitrile fiber functionalized with iminodiacetic acid under microwave irradiation for adsorption of Cu(II) and Hg(II). Chemical Engineering Journal, 276: 349–357.
13. Dewiatkow N., Zubkova S., Laprun I., Makeeva N. 1987. Physical and chemical mechanisms of biological influence of laser radiation. Successes of up-date’s Biology, 1: 31–41.
14. Diaz M.J., Cara C., Ruiz E., Perez-Bonilla M., Castro E. 2011. Hydrothermal pre-treatment and enzymatic hydrolysis of sunflower stalks.Fuel, 90 (11): 3225–322.
15. Fernandez-Cegrí V., De la Rubia M.A., Raposo F., Borja R. 2012. Effect of hydrothermal pretreatment of sunflower oil cake in biomethane potential focusing on fibre composition. Bioresource Technology, 123: 424–429
16. Fox M.H., Noike T., Ohki T. 2003. Alkaline subcritical-water treatment and alkaline heat treatment for the increase in biodegradability of newsprint waste. Water Science Technology, 48 (4): 77–84.
17. Haqu K.E. 1999. Microwave energy for mineral treatment processes–a brief review. International Journal of Mineral Processing, 57(1): 1–24.
18. Hendriks A.,T.,W.,M., Zeeman G. 2009. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 100: 10–18.
19. Hu Z., Wen Z. 2008. Enhancing enzymatic digestability of switchgrass by microwave-assisted alkali pretreatment. Biochemical Engineering Journal, 38: 369–378.
20. Janas P., Gustaw W., Targoński Z., Udeh K.O., Mleko S. 2002. Zastosowanie substratów ligninocelulozowych do otrzymywania preparatów enzymów ksynolitycznych o niskiej aktywności celulaz. Acta Biotechnologia, 20: 5–17.
21. Jönsson J.L., Martín C. 2016. Pretreatment of lignocellulose: Formation of inhibitory by-products and strategies for minimizing their effects. Bioresource Technology, 199: 103–112.
22. Kappe C.,O. 2004. Controlled microwave heating in modern organic synthesis, Angewandte Chemie, 43–46: 6250–6284.
23. Kaur K., Phutela U.G. 2016. Enhancement of paddy straw digestibility and biogas production by sodium hydroxide-microwave pretreatment. Renewable Energy, 92: 178–184.
24. Klein M., Griess O., Pulidindi I.N., Perkas N., Gedanken A. 2016. Bioethanol production from Ficus religiosa leaves using microwave irradiation. Journal of Environmental Management ,177: 20- 25.
25. Krylova A.Y., Kozyukov E.A., Lapidus A.L. 2008. Ethanol and diesel fuel from plant raw materials: a review. Solid Fuel Chemistry, 42: 358–364.
26. Leja K., Lewandowicz K., Grajek W. 2009. Produkcja bioetanolu z surowców celulozowych, Biotechnology, 4: 88 – 101.
27. Ma S.J., Zhou X.W., Su X.J., Mo W., Yang Y.L.,Liu P. 2009. a new practical method to determine the microwave energy absorption ability of materials. Minerals Engineering, 22: 1154–1159.
28. Mackulak T., Prousek J., Svorc L., Drtil M. 2006. Increase of biogas production from pretreated hay and leaves using wood-rotting fungi. Chemical Papers, 66: 249–653.
29. Monlau F., Sambusiti C., Barakat A., Guo X.M., Latrille E., Trably E., et al. 2012, Predictive models of biohydrogen and biomethane production based on the compositional and structural features of lignocellulosic materials. Environ Science Technology, 46 (21): 12217–12225.
30. Monlau F., Sambusiti C., Barakat A., Quéméneur M., Trably E., Steyer J.P., Carrère H. 2014. Do furanic and phenolic compounds of lignocellulosic and algae biomass hydrolyzate inhibit anaerobic mixed cultures? a comprehensive review, Biotechnology Advances, 32 (5): 934–951.
31. Olchowik G., Gawda H. 2002. Influence of microwave radiation on germination capacity of flax seeds. Acta Agrophysica, 62: 63–68.
32. Pandey A., Soccol C.R., Nigam P., Soccol V.T. 2000. Biotechnological potential of agro-industrial residues. I: sugarcane baggale. Bioresource Technology, 74: 69–80.
20. 33. Polaczek J., Pielichowski J., Pielichowski K., Tylek E., Dziki E. 2005. Nowa metoda syntezy Poli(kwasu asparaginowego) w warunkach promieniowania mikrofalowego. Polimery 50 (11–12): 812–820.
34. Ponne C.T., Bartels P. 1995. Interaction of electromagnetic energy with biological material–relation to food processing. Radiation Physics and Chemistry,45 (4): 591–607.
35. Rouches E, Herpoël-Gimbert I., Steyer J.P., Carrere H. 2016. Improvement of anaerobic degradation by white-rot fungi pretreatment of lignocellulosic biomass: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 59: 179–198.
36. Sarkar N., Kumar Ghosh S.,Bannerjee S., Aikat K. 2012. Bioethanol production from agricurtural wastes: An overiew. Renewable Energy, 37:19–27.
37. Schacht C., Zetzl C., Brunner G. 2008. From plant materials to ethanol by means of supercritical fluid technology. Journal of Supercritical Fluids. 46: 299 – 321.
38. Sindhu, Binod P., Pandey A. 2016. Biological pretreatment of lignocellulosic biomass–An overview. Bioresource Technology, 199: 76–82.
39. Sun Y, Cheng J. 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, 83 (1):1–11.
40. Sybirny A., Sybirny W., Puchalski Cz. 2007. Biopaliwowy etanol z lignocelulozy (biomasy roślinnej): osiągnięcia, problemy, perspektywy, Postęp Nauk Rolniczych, 4: 15 – 23.
41. Weeb S.J. 1983. Nutrition coherent oscillations and solitary waves. The control of in vivo events in time and space and relationship to disease. IRCS Medicine Science, 11: 483–488.
42. Zheng Y., Zhao J., Xu F., Li Y. 2014. Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production. Progress in Energy and Combustion Science, 42: 35–53.
43. Zhu S., Wu Y., Yu Z., Chen Q., Wu G., Yu F., Wang C., Jin S. 2006. Microwaveassisted alkali pretreatment of wheat straw and its enzymatic hydrolysis. Biosystems Engineering, 94: 437–442.
44. Zhu S., Wu Y., Yu Z., Chen Q., Wu G., Yu F., Wang C., Jon S. 2006. Microwave-assisted alkali pretreatment of wheat straw and its enzymatic hydrolysis. Biosystems Engineering, 94: 437–442.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-dbe8046f-b3a9-44d4-a1a4-5c1dd3e76ddb