Joanna Chmielewska, Ewelina Dziuba, Barbara Foszczyńska, Joanna Kawa-Rygielska, Witold Pietrzak, Józef Sowiński

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Biotechnologia 14 (4) 2015, 5-12 ISSN X (print) ISSN (on-line) DOBÓR METODY PRZYGOTOWANIA BIOMASY SORGA CUKROWEGO DO PRODUKCJI ETANOLU 1 Joanna Chmielewska, Ewelina Dziuba, Barbara Foszczyńska, Joanna Kawa-Rygielska, Witold Pietrzak, Józef Sowiński Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Streszczenie. W pracy oceniono wpływ różnych metod wysokotemperaturowej prehydrolizy chemicznej: kwasowej (H 2 i HCl) i zasadowej (NaOH) roślin sorga cukrowego na wydajność procesu fermentacji etanolowej. Po prehydrolizie próby hydrolizowano enzymatycznie (ACCELLERASE 1500 oraz ACCELLERASE XC) i poddawano fermentacji etanolowej przy użyciu drożdży Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6. Największą wydajność etanolu (77,8 cm 3 kg -1 ) z biomasy sorga cukrowego otrzymano po zastosowaniu obróbki wstępnej 2% kwasem siarkowym (IV) w temp. 150 C. Natomiast w przypadku stosowania niższych temperatur prehydrolizy (121, 134 C) korzystne wydaje się być zastosowanie wodorotlenku sodu w stężeniu 6 lub 10%. Słowa kluczowe: ligninoceluloza, hydroliza, fermentacja, drożdże WSTĘP Sorgo cukrowe, uprawiane w ostatnich latach również w Polsce, jest uznawane na świecie za jedną z najbardziej popularnych roślin energetycznych [Kim, Dale 2004, Almodares, Hadi 2009, Nigam, Singh 2011, Ratnavathi i in. 2011, Limayem, Ricke 2012, Kerckhoffs, Renquist 2013]. Wykorzystanie biomasy sorga, podobnie jak innych surowców II generacji, do produkcji biokomponentów, w tym bioetanolu, wymaga zastosowania złożonej obróbki wstępnej [Pérez 2002, Balat i in. 2008, Alvira i in. 2010, Agbor i in. 2011, Menon, Rao 2012, García i in. 2014]. Wiele z metod testowanych laboratoryjnie jest Badania finansowane przez NCBiR w ramach projektu PBS1/A8/11/2013: Agrotechniczne, środowiskowe i technologiczne aspekty nawożenia sorga cukrowego Astea Copyright by Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Adres do korespondencji Corresponding author: Joanna Chmielewska, Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Chełmońskiego 37/41, Wrocław, tel , joanna.chmielewska@up.wroc.pl

2 6 J. Chmielewska i in. trudnych do zrealizowania w warunkach przemysłowych [Sun, Cheng 2002]. Najczęściej stosowanymi metodami są procesy hydrotermalne, które cechują się traktowaniem biomasy rozpuszczalnikami chemicznymi (kwasy, zasady) w połączeniu z działaniem wysokiej temperatury [Pienkos, Zhang 2009, Galbe, Zacchi 2012]. Dobór optymalnych warunków tego etapu ma kluczowe znaczenie, gdyż pozwala z jednej strony wykorzystać całą pulę węglowodanów z surowca, z drugiej zaś ogranicza powstawanie substancji niekorzystnie oddziałujących na dalsze etapy produkcji bioetanolu [Alvira i in. 2010, Pedersen, Meyer 2010]. W prezentowanej pracy podjęto próbę optymalizacji procesu wstępnej obróbki materiałów ligninocelulozowych prehydrolizy. Ze względu na możliwość powstawania podczas tego procesu związków wpływających hamująco zarówno na hydrolizę enzymatyczną, jak i sam proces fermentacji jako kryterium oceny przydatności prehydrolizy przyjęto wydajność etanolu otrzymanego po fermentacji hydrolizatów. Dlatego celem pracy była ocena wpływu zastosowanych metod prehydrolizy chemicznej sorga cukrowego na efekty końcowe fermentacji etanolowej. MATERIAŁ I METODY Materiał doświadczalny stanowiło sorgo cukrowe Sucrosorgo 304 uprawiane na polach doświadczalnych Katedry Szczegółowej Uprawy Roślin w Pawłowicach. Biomasę roślinną (10% wag.) po rozdrobnieniu na kutrze poddawano wysokotemperaturowej prehydrolizie kwasowej (1, 2 i 4% H SO oraz 1, 2 i 4% HCl) lub zasadowej 2 4 (1, 2, 6, 10 i 15% NaOH) w różnych temperaturach (121, 134, 150 i 170 C) w czasie 1 godziny. Po korekcie ph wszystkie próby hydrolizowano enzymatyczne (50 C, 48 godz.) z wykorzystaniem przemysłowych preparatów enzymatycznych ACCELLERASE 1500 oraz ACCELLERASE XC firmy DuPont. Po korekcie ph (5,0) przeprowadzono okresową fermentację otrzymanych hydrolizatów z użyciem przemysłowych drożdży gorzelniczych Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6 (BEGEROW) (2 g dm -3 ) w temperaturze 30ºC. Po zakończeniu procesu fermentacji próby destylowano. Zawartość etanolu w destylatach [% obj.] oznaczono przy użyciu gęstościomierza oscylacyjnego DMA 4500 M firmy Anton Peer. Obliczono wydajność etanolu [cm 3 kg-1 surowca]. Oznaczenia wykonano w co najmniej trzech powtórzeniach, a wyniki poddano analizie statystycznej ANOVA/MANOVA (α = 0,05) dla układów czynnikowych w programie STATISTICA Na rysunkach 1 6 nad wykresami małymi literami alfabetu zaznaczono grupy statystycznie jednorodne. WYNIKI Jedną z najczęściej wykorzystywanych metod prehydrolizy materiałów ligninocelulozowych jest prehydroliza kwasowa, z zastosowaniem rozcieńczonego kwasu w wysokiej temperaturze lub stężonego kwasu w temperaturze niższej. W niniejszej pracy używane były rozcieńczone roztwory kwasów i zasady w wysokich temperaturach. Największą wydajność etanolu (77,8 cm 3 kg -1 ) z biomasy sorga cukrowego otrzymano po zastosowaniu we wstępnym etapie obróbki kwasu siarkowego (IV) w stężeniu 2% w temp. 150 C (rys. 1). Dwukrotne zwiększenie stężenia kwasu w tej temperaturze Acta Sci. Pol.

3 Dobór metody przygotowania biomasy sorga... 7 spowodowało obniżenie wydajności etanolu o około 23%. Analizując średnie wydajności etanolu z biomasy sorga cukrowego traktowanego kwasem siarkowym (IV), stwierdzono, iż istotne wyższe wydajności etanolu osiągano po hydrolizie 2 i 4% roztworem niż dla stężenia 1% (rys.2). Spośród badanych temperatur najlepsze efekty końcowe fermentacji wykazywały hydrolizaty przygotowane w temperaturze 150 C. h g g g f de a c f e b d Rys. 1. Porównanie wpływu interakcji stężenia H 2 (1, 2 i 4%) oraz temperatury prehydrolizy (120, 134, 150 i 170 C) na wydajność etanolu z sorga cukrowego Fig. 1. Comparison of interaction effect of H 2 concentrations (1, 2 and 4%) and the prehydrolysis temperature (120, 134, 150 and 170 C) for the ethanol yield from sweet sorghum Stężenie Concentration H 2 Temperatura Temperature Rys. 2. Średnie wydajności etanolu z biomasy sorga cukrowego dla stężenia H 2 (1, 2, i 4%) i temperatury prehydrolizy (121, 134, 150 i 170 C) Fig. 2. Average ethanol yield from sweet sorghum biomass for H2SO4 concentrations (1, 2 i 4%) and the prehydrolysis temperature (121, 134, 150 i 170 C) Biotechnologia 14 (4) 2015

4 8 J. Chmielewska i in. Kwas solny okazał się mniej efektywnie oddziaływać na rośliny sorga. Do osiągnięcia wyższej wydajności 56,7 cm 3 100% etanolu z kg surowca niezbędne było zastosowanie 4% roztworu kwasu i najwyższej spośród badanych temperatur, tj. 170 C (rys. 3). Kwas solny w stężeniu 1% wywoływał najmniejsze zmiany w budowie biomasy, natomiast podwyższanie temperatury reakcji nie miało istotnego wpływu na wydajność procesu fermentacji (rys. 4). Rys. 3. Porównanie wpływu interakcji stężenia HCl (1, 2 i 4%) oraz temperatury prehydrolizy (120, 134, 150 i 170 C) na wydajność etanolu z sorga cukrowego Fig. 3. Comparison of interaction effect of HCl concentrations (1, 2 and 4%) and the prehydrolysis temperature (120, 134, 150 and 170 C) for the ethanol yield from sweet sorghum Stężenie Concentration HCL Temperatura Temperature Rys. 4. Średnie wydajności etanolu z biomasy sorga cukrowego dla stężenia HCl (1, 2, i 4%) i temperatury prehydrolizy (121, 134, 150 i 170 C) Fig. 4. Average ethanol yield from sweet sorghum biomass for HCl concentrations (1, 2 i 4%) and the prehydrolysis temperature (121, 134, 150 i 170 C) Acta Sci. Pol.

5 Dobór metody przygotowania biomasy sorga... 9 Oceniając oddziaływanie wodorotlenku sodu na biomasę sorga, wykazano istotnie lepszy rozkład struktury roślinnej po zastosowaniu wyższych jego stężeń (powyżej 6%) (rys. 5). Najwięcej, bo 62,2 cm 3 etanolu z kg surowca otrzymywano po zastosowaniu 10% roztworu NaOH w temperaturze 121 C. Średnie wydajności etanolu osiągały najwyższe wartości po potraktowaniu biomasy roztworami NaOH o stężeniu 10% (52,7 cm 3 kg -1 ), 6% (47,9 cm 3 kg -1 ) oraz 15% (45,2 cm 3 kg -1 ). Nie wykazano natomiast istotnych statystycznie różnic w wydajności etanolu na skutek podnoszenia temperatury procesu prehydrolizy (rys. 6). Rys. 5. Porównanie wpływu interakcji stężenia NaOH (1, 2, 6, 10 i 15%) oraz temperatury prehydrolizy (120, 134, 150 i 170 C) na wydajność etanolu z sorga cukrowego Fig. 5. Comparison of interaction effect of NaOH concentrations (1, 2, 6, 10 and 15%) and the prehydrolysis temperature (120, 134, 150 and 170 C) for the ethanol yield from sweet sorghum Biotechnologia 14 (4) 2015 Stężenie Concentration NaOH Temperatura Temperature Rys. 6. Średnie wydajności etanolu z biomasy sorga cukrowego dla stężenia NaOH (1, 2, 6, 10 i 15%) i temperatury prehydrolizy (121, 134, 150 i 170 C) Fig. 6. Average ethanol yield from sweet sorghum biomass for NaOH concentrations (1, 2, 6, 10 i 15%) and the prehydrolysis temperature (121, 134, 150 i 170 C)

6 10 J. Chmielewska i in. DYSKUSJA Prehydroliza chemiczna zarówno kwasowa, jak i zasadowa jest stosunkowo niedrogą i prostą do zastosowania w skali przemysłowej metodą wstępnej degradacji biomasy ligninocelulozowej. Przeprowadzanie reakcji w środowisku alkaicznym nie wymaga ekstremalnie wysokich temperatur, gdyż zwykle wystarczającą temperaturą jest 140 C. Sathesh-Parabu i Murugesan (2011) uważają alkaiczną obróbkę wstępną za wiodący i najlepszy sposób prehydrolizy, przeznaczony dla odpadów rolniczych i roślin trawiastych. Podczas tego procesu dochodzi do zerwania wiązań pomiędzy ligniną a celulozą i hemicelulozą, z pominięciem rozrywania hemicelulozy, co ogranicza straty cukrów. Dzięki zastosowaniu obróbki wstępnej przy użyciu 2% NaOH w temperaturze 121 C osiągano wydajność procesu konwersji celulozy do cukrów prostych na poziomie 94% [Gyalai- Korpos, Feczak 2008]. Z kolei Sun i Cheng [2002], Taherzadeh i Karimi [2007] oraz Whitfield [2012] zgodnie przedstawiają korzyści wynikające z zastosowania hydrolizy chemicznej za pomocą rozcieńczonego kwasu siarkowego. Użycie stężonych lub rozcieńczonych kwasów, takich jak: H 2, HCl lub H 3 PO 4, pozwala na zwiększenie stopnia hydrolizy hemicelulozy, rozpuszczalności ligniny oraz umożliwia łatwiejszy dostęp enzymów do struktury celulozy w przypadku zastosowania w kolejnym etapie procesu hydrolizy enzymatycznej. Większość badań nad przemysłowym wykorzystaniem biomasy roślinnej, w tym wytłoków i słomy sorgo, skupia się głównie nad wykorzystaniem do hydrolizy H 2, kolejno HCl i w dużo mniejszym stopniu H 3 PO 4 [Whitfield 2012]. Wyniki prezentowane w niniejszej pracy wskazują na potencjalne możliwości stosowania we wstępnym etapie degradacji materiałów ligninocelulozowych zarówno rozcieńczonych kwasów, jak i zasad. PODSUMOWANIE Stwierdzono, iż spośród badanych wariantów prehydrolizy chemicznej, tj kwasowej, z wykorzystaniem kwasów siarkowego (IV) i solnego, oraz zasadowej (z wodorotlenkiem sodu) najlepszy rozkład biomasy sorga cukrowego, a w konsekwencji najwyższą wydajność etanolu po fermentacji hydrolizatów (77,8 cm 3 kg -1 ) uzyskano pod wpływem oddziaływania 2% roztworu kwasu siarkowego w temperaturze 150 C. Ani zwiększenie stężenia tego kwasu do 4%, ani podwyższenie temperatury procesu (do 170 C) nie wpływały korzystnie na badane efekty końcowe fermentacji. Natomiast w przypadku stosowania niższych temperatur prehydrolizy (121, 134 C) korzystne wydaje się być zastosowanie wodorotlenku sodu w stężeniu 6 lub 10%. Hydrolizaty otrzymane w takich warunkach fermentowały z wydajnością odpowiednio do 52,6 i 62,2 cm 3 etanolu kg -1. PIŚMIENNICTWO Agbor V.E., Cicek N., Sparling R., Berlin A., Levin D.B., Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnology Advances, 29, Almodares A., Hadi M.R., Production of bioethanol from sweet sorghum: A review. African Journal of Agricultural Research, 4 (9), Acta Sci. Pol.

7 Dobór metody przygotowania biomasy sorga Alvira P., Tomás-Pejó E., Ballesteros M., Negro M.J., Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis. Bioresource Technology, 101, Balat M., Balat H., Öz C., Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34, Galbe M., Zacchi G., Pretreatment: the key to efficient utilization of lignocellulosic materials. Biomass Bioenergy, 46, García A., González Alriols M., Labidi J., Evaluation of different lignocellulosic raw materials as potential alternative feedstocks in biorefinery processes. Industrial Crops and Products, 53, Gyalai-Korpos M., Feczak J., Reczey K., Sweet sorghum juice and bagasse as a possible feedstock for bioethanol production. Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 36, 1 2, 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, Limayem A., Ricke S.C., Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspectives, potential issues and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science, 38, 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, Pedersen, M., Meyer, A.S., 2010, Lignocellulose pretreatment severity relating ph to biomatrix opening. New Biotechnology, 27, 6, Pienkos T.P., Zhang M., Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose,16, Ratnavathi C. V., Kalyana Chakravarthy S., Komala V.V.,Chavan U.D., Patil J.V., Sweet sorghum as Feedstock for Biofuel Production. Sugar Tech: 13 (4), Sathesh-Prabu C., Murugesan A.G., Potential utilization of sorghum field waste for fuel ethanol production employing Pachysolen tannophilus and Saccharomyces cerevisiae. Bioresource Technology, 102, 3, 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, Whitfield M.B., Chinn M.S., Veal M.W., Processing of materials derived from sweet sorghum for biobased products. Industrial Crops and Products, 37, Biotechnologia 14 (4) 2015

8 12 J. Chmielewska i in. SELECTION OF THE METHODS OF SWEET SORGHUM BIOMASS PREPARATION FOR ETHANOL PRODUCTION Abstract. The study examined the impact of high temperature chemical prehydrolysis methods: acid (H 2 and HCl) and alkali (NaOH) on ethanol yield of sweet sorghum plant. After prehydrolysis samples ware hydrolyzed enzymatically (ACCELLERASE 1500 and ACCELLERASE XC) and subjected to ethanol fermentation with yeast Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6. The highest ethanol yield (77.8 cm 3 kg -1 ) of sweet sorghum biomass was obtained, applicable for the pretreatment 2% sulfuric acid (IV) at 150 C. However, in the case of lower prehydrolysis temperatures (121, 134 C) preferred seems to be sodium hydroxide at 6 or 10% use. Key words: lignocellulose, hydrolysis, fermentation, yeast Accepted for print Zaakceptowano do druku: Do cytowania For citation: Chmielewska J., Dziuba E., Foszczyńska B., Kawa- -Rygielska J., Pietrzak W., Sowiński J., Dobór metody przygotowania biomasy sorga cukrowego do produkcji etanolu. Acta Sci. Pol. Biotechnol., 14 (4), Acta Sci. Pol.