Joanna Chmielewska, Ewelina Dziuba, Barbara Foszczyńska

Acta Sci. Pol., Biotechnologia 14 (4) 2015, 5-12
ISSN 1644–065X (print) ISSN 2083–8654 (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 (H2SO4 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 cm3 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,
51-630 Wrocław, tel. 71-320 77 63, e-mail: [email protected]
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% H2SO4 oraz 1, 2 i 4% HCl) lub zasadowej
(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 [cm3·kg-1surowca].
Oznaczenia wykonano w co najmniej trzech powtórzeniach, a wyniki poddano analizie statystycznej ANOVA/MANOVA (α = 0,05) dla układów czynnikowych w programie
STATISTICA 10.0. 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 cm3 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.
7
Dobór metody przygotowania biomasy sorga...
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.
g
g
g
f
de
a
c
f
e
b
d
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
h
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
Rys. 1. Porównanie wpływu interakcji stężenia H2SO4 (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 H2SO4 concentrations (1, 2 and 4%) and the prehydrolysis temperature (120, 134, 150 and 170°C) for the ethanol yield from sweet sorghum
Stężenie – Concentration
H2SO4
Temperatura – Temperature
Rys. 2. Średnie wydajności etanolu z biomasy sorga cukrowego dla stężenia H2SO4 (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
8
J. Chmielewska i in.
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
Kwas solny okazał się mniej efektywnie oddziaływać na rośliny sorga. Do osiągnięcia wyższej wydajności – 56,7 cm3 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).
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
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.
9
Dobór metody przygotowania biomasy sorga...
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
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 cm3 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 cm3
kg-1), 6% (47,9 cm3 kg-1) oraz 15% (45,2 cm3 kg-1). Nie wykazano natomiast istotnych
statystycznie różnic w wydajności etanolu na skutek podnoszenia temperatury procesu
prehydrolizy (rys. 6).
Wydajność etanolu [cm3 kg-1]
Yield of ethanol
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
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)
Biotechnologia 14 (4) 2015
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% [GyalaiKorpos, 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: H2SO4, HCl lub H3PO4, 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 H2SO4, kolejno HCl i w dużo mniejszym stopniu H3PO4 [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 cm3 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 cm3 etanolu kg-1.
PIŚMIENNICTWO
Agbor V.E., Cicek N., Sparling R., Berlin A., Levin D.B., 2011. Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnology Advances, 29, 675–685.
Almodares A., Hadi M.R., 2009. Production of bioethanol from sweet sorghum: A review. African
Journal of Agricultural Research, 4 (9), 772–780.
Acta Sci. Pol.
Dobór metody przygotowania biomasy sorga...
11
Alvira P., Tomás-Pejó E., Ballesteros M., Negro M.J., 2010. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis. Bioresource Technology,
101, 4851–4861.
Balat M., Balat H., Öz C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34, 551–573.
Galbe M., Zacchi G., 2012. Pretreatment: the key to efficient utilization of lignocellulosic materials.
Biomass Bioenergy, 46, 70–78.
García A., González Alriols M., Labidi J., 2014. Evaluation of different lignocellulosic raw materials as potential alternative feedstocks in biorefinery processes. Industrial Crops and Products,
53, 102–110.
Gyalai-Korpos M., Feczak J., Reczey K., 2008. Sweet sorghum juice and bagasse as a possible feedstock for bioethanol production. Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 36, 1–2, 43–48.
Kerckhoffs H., Renquist R., 2013. Biofuel from plant biomass. Agronomy for Sustainable Development, 33,1–19.
Kim S., Dale B.E., 2004. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and Bioenergy, 26, 361–375.
Limayem A., Ricke S.C., 2012. Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspectives, potential issues and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science,
38, 449–467.
Menon V., Rao M., 2012. Trends in bioconversion of lignocellulose: biofuels, platform chemicals
and biorafinery concept. Progress in Energy and Combustion Science, 38, 522–550.
Nigam P.S., Singh A., 2011. Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in
Energy and Combustion Science, 37, 52–68.
Pérez J., Mùnoz- Dorado J., de la Rubia T., Martínez J., 2002. Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview. International Microbiology, 5,
53–63.
Pedersen, M., Meyer, A.S., 2010, Lignocellulose pretreatment severity – relating pH to biomatrix
opening. New Biotechnology, 27, 6, 739–750.
Pienkos T.P., Zhang M., 2009. Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose,16, 743–762.
Ratnavathi C. V., Kalyana Chakravarthy S., Komala V.V.,Chavan U.D., Patil J.V., 2011. Sweet
sorghum as Feedstock for Biofuel Production. Sugar Tech: 13 (4), 399–407.
Sathesh-Prabu C., Murugesan A.G., 2011. Potential utilization of sorghum field waste for fuel ethanol production employing Pachysolen tannophilus and Saccharomyces cerevisiae. Bioresource
Technology, 102, 3, 2788–2792.
Sun Y., Cheng J., 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review.
Bioresource Technology, 83, 1–11.
Taherzadeh M.J., Karimi K., 2008. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and
biogas production: A Review. International Journal of Molecular Science, 9, 1621–1651.
Whitfield M.B., Chinn M.S., Veal M.W., 2012. Processing of materials derived from sweet sorghum
for biobased products. Industrial Crops and Products, 37, 362–375.
Biotechnologia 14 (4) 2015
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 (H2SO4 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 cm3 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: 15.12.2015
Do cytowania – For citation: Chmielewska J., Dziuba E., Foszczyńska B., Kawa-Rygielska J., Pietrzak W., Sowiński J., 2015. Dobór metody przygotowania biomasy
sorga cukrowego do produkcji etanolu. Acta Sci. Pol. Biotechnol., 14 (4), 5–12.
Acta Sci. Pol.