Słowa kluczowe: ligninoceluloza, słoma pszenna, łęty ziemniaczane, etanol, drożdże

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Biotechnologia 13 (1) 2014, 5-12 ISSN X (print) ISSN (on-line) FERMENTACJA ETANOLOWA SUROWCÓW LIGNINOCELULOZOWYCH1 Joanna Kawa-Rygielska 1, Grzegorz Wcisło 2, Joanna Chmielewska 1 1 Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu 2 Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Streszczenie. W pracy oceniano możliwości zagospodarowania słomy pszennej oraz łętów ziemniaczanych do produkcji etanolu. Najlepsze efekty uzyskiwano po zastosowaniu skojarzonego oddziaływania preparatów ACCELLERASE 1500 i ACCELLERASE XC lub ACCELLERASE 1500 i ACCELLERASE BG. Lepszym surowcem spośród badanych okazały się łęty ziemniaczane. Wydajności etanolu uzyskiwane po fermentacji osadów po prehydrolizie łętów ziemniaczanych oscylowały w granicach od 63,33 do 73,87 dm 3 z 1 tony s.m. surowca. Słowa kluczowe: ligninoceluloza, słoma pszenna, łęty ziemniaczane, etanol, drożdże WSTĘP Zrównoważony rozwój gospodarki światowej wymaga, aby w sposób racjonalny i efektywny gospodarować dostępnymi zasobami naturalnymi. Gwałtowny rozwój przemysłu na przełomie XX i XXI w. przyczynił się do zwiększonego zapotrzebowania na energię. Aktualnie ponad 80% światowego zapotrzebowania na energię pokrywane jest z tzw. paliw kopalnych, wśród których dominują ropa naftowa, gaz ziemny oraz węgiel kamienny. Zasoby tych surowców są ograniczone i nieodnawialne, a ich eksploatacja przyczynia się do degradacji środowiska naturalnego [Field i in. 2008, Kupczyk i in. 2011]. Badania finansowane w ramach projektu NN Copyright by Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Adres do korespondencji Corresponding author: Joanna Kawa-Rygielska, Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. J. Chełmońskiego 37/41, Wrocław, joanna.kawa-rygielska@up.wroc.pl

2 6 J. Kawa-Rygielska i in. Biopaliwa z biomasy roślinnej charakteryzują się wysokim potencjałem w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego krajów nieposiadających dużych zasobów paliw kopalnych, umożliwiają zwiększenie ilości dostępnych paliw, a także nie przyczyniają się do pogłębiania dodatniego bilansu CO 2 w atmosferze, przy czym współczynnik redukcji CO 2 uzależniony jest od rodzaju surowca wykorzystanego do produkcji biopaliw [Kim, Dale 2004, Lin, Tanaka 2006, Hill 2007, Balat i in. 2008, Nigam, Singh 2011, Limayem, Ricke 2012, Kerckhoffs, Renquist 2013]. Jednym z ważniejszych aspektów otrzymywania etanolu z biomasy ligninocelulozowej jest wybór odpowiedniej metody obróbki wstępnej surowca [Pérez i in. 2002, Sun, Cheng 2002, Jørgensen i in. 2007, Taherazdeh, Karimi 2008, Agbor i in. 2011, Menon, Rao 2012]. W prezentowanej pracy podjęto próbę oceny możliwości zagospodarowania odpadowej biomasy ligninocelulozowej słomy pszennej oraz łętów ziemniaczanych do produkcji etanolu. Celem pracy było określenie wpływu sposobu przygotowania surowców ligninocelulozowych oraz zastosowanego szczepu drożdży na przebieg i efekty końcowe fermentacji etanolowej. MATERIAŁ I METODY Materiał doświadczalny stanowiły pozyskane od rolników słoma pszenna oraz łęty ziemniaczane. W procesie fermentacji zastosowano przemysłowe drożdże gorzelnicze Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red (firmy Fermentis) oraz Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6 (firmy BEGEROW). Surowce rozdrobnioną słomę pszenną oraz łęty ziemniaczane w ilości 10% w przeliczeniu na suchą masę wprowadzano do roztworu kwasu siarkowego(vi), osiągając stężenie 1% kwasu siarkowego w biomasie poddawanej dalszej obróbce, tj. wysokotemperaturowej prehydrolizie (121ºC, 1 godz.) w autoklawie. Następnie, po korekcie ph do 4,5 (1 M roztworem NaOH) zastosowano 48-godzinną hydrolizę enzymatyczną w 50ºC (z wstrząsaniem), z użyciem przemysłowych preparatów enzymatycznych ACCELLE- RASE 1500 (0,5 cm 3 g -1 biomasy) oraz ACCELLERASE XY(0,2 cm 3 g -1 biomasy), ACCELLERASE BG (0,2 cm 3 g -1 biomasy) i ACCELLERASE XC (0,2 cm 3 g -1 biomasy) firmy DuPont. W początkowym etapie badań okresowej fermentacji z udziałem drożdży Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red (Fermentis) w 30ºC poddawano hydrolizaty słomy pszennej oraz łętów ziemniaczanych. Natomiast w kolejnym etapie badań po prehydrolizie kwasowej oddzielano supernatant i hydrolizie enzymatycznej poddawano osad. Porównano efekty końcowe fermentacji hydrolizatów uzyskanych z wystandaryzowanych osadów po prehydrolizie słomy pszennej i łętów ziemniaczanych przy zastosowaniu szczepów drożdży, tj. Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red oraz Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6. Drożdże gorzelnicze rehydratowano w sterylnej wodzie destylowanej 30 min. przed zaszczepieniem i dawkowano w stężeniu 2 g dm -3 medium fermentacyjnego. Proces fermentacji kontynuowano aż do momentu, kiedy różnice między ubytkami mas nastawów nie przekraczały 0,01 g. Zawartość suchej masy w surowcach i osadach oznaczano za pomocą testera wilgotności firmy BRABENDER typ MT w temperaturze 130 o C przez 120 min. Frakcje włókna, Acta Sci. Pol.

3 Fermentacja etanolowa surowców... 7 to jest NDF (lignina, celuloza i hemicelulozy) oraz ADF (lignina i celuloza), oznaczano według metody Van Soesta i in. [1991] w aparacie Raw Fibre Extractor Velp Scientifica Fiwe 6. Dynamikę procesu fermentacji określano na podstawie ilości wydzielanego CO 2 (g). Po zakończeniu procesu fermentacji próby destylowano na kolumnach destylacyjnych K-355 firmy Bűchi. Stężenie etanolu w destylatach oznaczono przy użyciu gęstościomierza oscylacyjnego DMA 4500 M firmy Anton Peer. Obliczono wydajność etanolu w dm 3 100% etanolu na tonę s.m. surowca. Oznaczenia wykonano co najmniej w trzech powtórzeniach, a wyniki poddano analizie statystycznej Anova dla układów czynnikowych (test Duncana przy α = 0,05) w programie Statistica 10. WYNIKI I DYSKUSJA Zawartość suchej substancji w badanym materiale roślinnym była zróżnicowania i wynosiła w przypadku słomy pszennej 90,98%, łętów ziemniaczanych 92,28%, natomiast w osadach słomy pszennej po prehydrolizie 14,34% i w osadach łętów ziemniaczanych po prehydrolizie 15,92%. Słoma pszenna i łęty ziemniaczne wykazywały znaczne zróżnicowanie pod względem składu chemicznego. Słoma pszenna odznaczała się blisko dwukrotnie większą zawartością frakcji hemicelulozowej (29,8 g hemiceluloz 100 g -1 s.m.) niż łęty ziemniaczane (15,9 g hemiceluloz 100 g -1 s.m.), większą zawartością celulozy (50,3 g celulozy 100 g -1 s.m. słomy pszennej w porównaniu z 36,1 g celulozy 100 g -1 s.m. łętów ziemniaczanych), natomiast mniejszym udziałem ligniny (7,4 g ligniny 100 g -1 s.m. słomy pszennej i 10,1 g ligniny 100 g -1 s.m. łętów ziemniaczanych). W pierwszym etapie badań najlepsze efekty hydrolizy enzymatycznej biomasy lignino- -celulozowej obserwowano przy skojarzonym odziaływaniu preparatów enzymatycznych. Po fermentacji hydrolizatów oznaczono istotne statystycznie różnice w ilości wytwarzanego etanolu, a co za tym idzie, uzyskano wyraźne zróżnicowanie w wydajności procesu. Największą wydajnością etanolu po fermentacji hydrolizatów ze słomy pszennej (rys. 1) odznaczała się próba hydrolizowana równocześnie preparatami ACCELLERASE 1500 i ACCELLERASE XC 12,66 dm 3 100% etanolu z 1 tony suchej masy surowca. Wydajność etanolu po fermentacji hydrolizatów z łętów ziemniaczanych (rys. 2) była większa niż w przypadku słomy pszennej i wynosiła od 5,21 do 18,20 dm 3 100% etanolu t -1 s.m. Najwięcej etanolu oznaczano w próbach hydrolizowanych ACCELLERASE 1500 równocześnie z ACCELLERASE BG (18,20 dm 3 100% etanolu t -1 s.m.), a także ACCELLE- RASE 1500 łącznie z ACCELLERASE XC (15,63 dm 3 100% etanolu t -1 s.m.). Zaprezentowane rezultaty skłoniły autorów do zastosowania skojarzonego oddziaływania preparatów ACCELLERASE 1500 i ACCELLERASE BG oraz ACCELLE- RASE 1500 i ACCELLERASE XC w kolejnym etapie badań. Wydajność etanolu po fermentacji osadów po prehydrolizie słomy pszennej (rys. 3) kształtowała się granicach 6,69 45,19 dm 3 100% etanolu t -1 s.m., w zależności od zastosowanych enzymów oraz szczepu drożdży. Zdecydowanie lepsze efekty osiągnięto po fermentacji osadów po pehydrolizie łętów ziemniaczanych (rys. 4), uzyskując od 63,32 do 73,87 dm 3 100% etanolu t -1 s.m. Biotechnologia 13 (1) 2014

4 8 J. Kawa-Rygielska i in. Wydajność etanolu [dm 3 100% t s.m. -1 ] Ethanol yield [dm 3 100% t d.m. -1 ] Rys. 1. Porównanie wydajności etanolu ze słomy pszennej w zależności od wariantu hydrolizy enzymatycznej (ACCELLERASE 1500, ACCELLERASE ACCELLERASE XY, ACCELLERASE ACCELLERASE BG i ACCELLERASE ACCELLE- RASE XC) (NIR = 0,67) Fig. 1. Comparison of ethanol yield from wheat straw depending on the enzymatic hydrolysis variant (ACCELLERASE 1500, ACCELLERASE ACCELLERASE XY, AC- CELLERASE ACCELLERASE BG and ACCELLERASE ACCELLE- RASE XC) (LSD = 0.67) Wydajność etanolu [dm 3 100% t s.m. -1 ] Ethanol yield [dm 3 100% t d.m. -1 ] Rys. 2. Porównanie wydajności etanolu z łętów ziemniaczanych w zależności od wariantu hydrolizy enzymatycznej (ACCELLERASE 1500, ACCELLERASE ACCE- LLERASE XY, ACCELLERASE ACCELLERASE BG i ACCELLERASE ACCELLERASE XC) (NIR = 0,67) Fig. 2. Comparison of ethanol yield from potato stalks depending on the enzymatic hydrolysis variant (ACCELLERASE 1500, ACCELLERASE ACCELLERASE XY, ACCELLERASE ACCELLERASE BG and ACCELLERASE ACCELLERASE XC) (LSD = 0.67) Acta Sci. Pol.

5 Fermentacja etanolowa surowców... 9 Wydajność etanolu [dm 3 100% t s.m. -1 ] Ethanol yield [dm 3 100% t d.m. -1 ] Rys. 3. Porównanie wydajności etanolu z osadu po prehydrolizie słomy pszennej w zależności od wariantu hydrolizy (ACCELLERASE ACCELLERASE BG i ACCELLERA- SE ACCELLERASE XC) oraz szczepu drożdży (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red i Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (NIR = 0,67) Fig. 3. Comparison of ethanol yield from the precipitate of wheat straw after pretreatment, depending on the hydrolysis variant (ACCELLERASE ACCELLERASE BG and ACCELLERASE ACCELLERASE XC) and yeast strain (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red and Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (LSD = 0.67) Wydajność etanolu [dm 3 100% t s.m. -1 ] Ethanol yield [dm 3 100% t d.m. -1 ] Rys. 4. Porównanie wydajności etanolu z osadu po prehydrolizie łętów ziemniaczanych w zależności od wariantu hydrolizy enzymatycznej (ACCELLERASE ACCELLERASE BG i ACCELLERASE ACCELLERASE XC) oraz szczepu drożdży (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red i Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (NIR = 0,67) Fig. 4. Comparison of ethanol yield from the precipitate of potato stalks after pretreatment, depending on the hydrolysis variant (ACCELLERASE ACCELLERASE BG and ACCELLERASE ACCELLERASE XC) and yeast strain (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red and Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (LSD = 0.67) Biotechnologia 13 (1) 2014

6 10 J. Kawa-Rygielska i in. Prehydroliza kwasowa z użyciem rozcieńczonych kwasów: siarkowego czy solnego jest stosunkowo popularną i niedrogą metodą wstępnej degradacji materiałów lignino- -celulozowych. Rozdzielenie po prehydrolizie supernatantu i osadu umożliwiłoby jego ponowne wykorzystanie, bez konieczności neutralizacji. Przeprowadzenie prehydrolizy w 121ºC pozwala uniknąć tworzenia furfuralu i hydroksymetylofurfuralu związków negatywnie oddziałujących na komórkę drożdży, ale niestety wiąże się z mniejszą wydajnością procesu. Balleteros i in. [2006] zastosowali hydrolizę kwasową (0,9% H2SO4) słomy pszennej w powiązaniu z eksplozją pary o temp o C, uzyskując przy tym wydajność nawet do 140 dm 3 z tony surowca. Opracowanie efektywnej metody prehydrolizy i hydrolizy materiałów ligninocelulozowych może zatem w znacznej mierze wpłynąć pozytywnie na ekonomiczną optymalizację procesu [Pienkos, Zhang 2009]. Ponadto należy zwrócić uwagę na wykorzystanie nowoczesnych metod produkcji etanolu, w tym równoczesną hydrolizę i fermentację, a także zastosowanie nietypowych szczepów drobnoustrojów [Ballesteros i in. 2004, Hasunuma, Kondo 2012]. Chen i in. [2008] w procesie równoczesnej hydrolizy i fermentacji słomy pszennej poprzedzonej prehydrolizą 4% H2O2 i 1% NaOH z eksplozją pary uzyskiwali do 51, 5g dm -3 etanolu, przy wydajności praktycznej 81,1%. PODSUMOWANIE Stwierdzono, iż spośród badanych wariantów hydrolizy enzymatycznej z wykorzystaniem preparatów firmy DuPont najlepsze efekty uzyskiwano po zastosowaniu skojarzonego oddziaływania ACCELLERASE 1500 i ACCELLERASE XC lub ACCELLE- RASE 1500 i ACCELLERASE BG. Uzyskiwane wydajności etanolu, niezależnie od użytego w procesie fermentacji szczepu drożdży, były stosunkowo niskie. Najlepszym surowcem spośród badanych okazały się łęty ziemniaczane. Wydajności etanolu uzyskiwane po fermentacji osadów po prehydrolizie łętów ziemniaczanych, zależnie od sposobu hydrolizy enzymatycznej i szczepu drożdży, oscylowały w granicach od 63,33 do 73,87 dm 3 w przeliczeniu na s.m. surowca. PIŚMENNICTWO Agbor V.E., Cicek N., Sparling R., Berlin A., Levin D.B., Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnology Advances, 29, Balat M., Balat H., Öz C., Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34, Ballesteros I., Negro M.J., Oliva J.M., Cabanas A., Manzanares P., Ballesteros M., Ethanol production from steam explosion pretreated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnolgy, , Ballesteros M., Oliva J.M., Negro M.J., Manzanares P., Ballesteros I., Ethanol from lignocellulosic materials by a simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) with Kluyveromyces marxianus CECT Process Biochemistry, 39, Chen H., Han Y., Xu J., Simultaneous saccharification and fermentation of steam exploded wheat straw pretreated with alkaline peroxide, Process Biochemistry, 43, Field C.B., Campbell J.E., Lobell D.B., Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends in Ecology and Evolution, 23, Acta Sci. Pol.

7 Fermentacja etanolowa surowców Hasunuma T., Kondo A., Consolidated bioprocessing and simultaneous saccharification and fermentation of lignocellulose to ethanol with thermotolerant yeast strains. Process Biochemistry, 47, Hill J., Environmental costs and benefits of transportation biofuel production from foodand lignocellulose-based energy crops. A Review. Agronomy for Sustainable Development, 27, Jørgensen H., Kristensen J.B., Felby C., Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentable sugars: challenges and opportunities. Biofuels, Bioproducts & Biorefining, 1, Kerckhoffs H., Renquist R., Biofuel from plant biomass. Agronomy for Sustainable Development, 33,1 19. Kim S., Dale B.E., Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and Bioenergy, 26, Kupczyk A., Borowski P., Powała M., Ruciński D., Biopaliwa transportowe w Polsce. Stan aktualny i perspektywy. Wyd. WEMA, Warszawa. Limayem A., Ricke S.C., Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspectives, potential issues and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science, 38, Lin Y., Tanaka S., Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects. Applied Microbiology and Microbial Biotechnology, 69, Menon V., Rao M., Trends in bioconversion of lignocellulose: biofuels, platform chemicals and biorafinery concept. Progress in Energy and Combustion Science, 38, Nigam P.S., Singh A., Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science, 37, Pérez J., Mùnoz-Dorado J., de la Rubia T., Martínez J., Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview. International Microbiology, 5, Pienkos T.P., Zhang M., Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose,16, Sun Y., Cheng J., Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, 83, Taherzadeh M.J., Karimi K., Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A Review. International Journal of Molecular Science, 9, Van Soest P.J., Robertson J.B., Lewis B.A., Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition, Journal of Dairy Science, 74, FERMENTATION OF LIGNOCELLULOSIC RAW MATERIALS TO ETHANOL Abstract. The possibility of use wheat straw and potato stalks for ethanol production in this study was evaluated. The best results were obtained after applying the associated impact of ACCELLERASE 1500 and ACCELLERASE XC or ACCELLERASE 1500 and ACCELLERASE BG. Better raw material turned out to be potato stalks. Ethanol yield from potato stalks oscillated in the range to dm 3 per 1 ton of dry matter of raw material. Key words: lignocellulose, wheat straw, potato stalks, ethanol, yeast Zaakceptowano do druku Accepted for print: Do cytowania For citation: Kawa-Rygielska J., Wcisło G., Chmielewska J., Fermentacja etanolowa surowców ligninocelulozowych. Acta Sci. Pol. Biotechnol., 13 (1), Biotechnologia 13 (1) 2014

8