FERMENTACJA ETANOLOWA SUROWCÓW

Acta Sci. Pol., Biotechnologia 13 (1) 2014, 5-12
ISSN 1644–065X (print) ISSN 2083–8654 (on-line)
FERMENTACJA ETANOLOWA SUROWCÓW
LIGNINOCELULOZOWYCH1
Joanna Kawa-Rygielska1, Grzegorz Wcisło2,
Joanna Chmielewska1
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 dm3
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 NN313273438.
© 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,
51-630 Wrocław, e-mail: [email protected]
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 CO2 w atmosferze, przy czym współczynnik redukcji
CO2 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 ACCELLERASE®1500 (0,5 cm3 · g-1 biomasy) oraz ACCELLERASE®XY(0,2 cm3 · g-1 biomasy),
ACCELLERASE®BG (0,2 cm3 · g-1 biomasy) i ACCELLERASE®XC (0,2 cm3 · 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 130oC przez 120 min. Frakcje włókna,
Acta Sci. Pol.
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 CO2 (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 dm3
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 dm3 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 dm3 100% etanolu · t-1 s.m.
Najwięcej etanolu oznaczano w próbach hydrolizowanych ACCELLERASE®1500 równocześnie z ACCELLERASE®BG (18,20 dm3 100% etanolu · t-1 s.m.), a także ACCELLERASE®1500 łącznie z ACCELLERASE®XC (15,63 dm3 100% etanolu · t-1 s.m.).
Zaprezentowane rezultaty skłoniły autorów do zastosowania skojarzonego oddziaływania preparatów ACCELLERASE®1500 i ACCELLERASE®BG oraz ACCELLERASE®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 dm3 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 dm3 100% etanolu · t-1 s.m.
Biotechnologia 13 (1) 2014
8
Wydajność etanolu [dm3 100% · t s.m.-1]
Ethanol yield [dm3 100% · t d.m.-1]
J. Kawa-Rygielska i in.
Wydajność etanolu [dm3 100% · t s.m.-1]
Ethanol yield [dm3 100% · t d.m.-1]
Rys. 1. Porównanie wydajności etanolu ze słomy pszennej w zależności od wariantu hydrolizy
enzymatycznej (ACCELLERASE®1500, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XY,
ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG i ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XC) (NIR = 0,67)
Fig. 1. Comparison of ethanol yield from wheat straw depending on the enzymatic hydrolysis
variant (ACCELLERASE®1500, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XY, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG and ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XC) (LSD = 0.67)
Rys. 2. Porównanie wydajności etanolu z łętów ziemniaczanych w zależności od wariantu
hydrolizy enzymatycznej (ACCELLERASE®1500, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XY, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG i ACCELLERASE®1500
+ ACCELLERASE®XC) (NIR = 0,67)
Fig. 2. Comparison of ethanol yield from potato stalks depending on the enzymatic hydrolysis variant (ACCELLERASE®1500, ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XY,
ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG and ACCELLERASE®1500 +
ACCELLERASE®XC) (LSD = 0.67)
Acta Sci. Pol.
9
Wydajność etanolu [dm3 100% · t s.m.-1]
Ethanol yield [dm3 100% · t d.m.-1]
Fermentacja etanolowa surowców...
Wydajność etanolu [dm3 100% · t s.m.-1]
Ethanol yield [dm3 100% · t d.m.-1]
Rys. 3. Porównanie wydajności etanolu z osadu po prehydrolizie słomy pszennej w zależności
od wariantu hydrolizy (ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG i ACCELLERASE®1500 + 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®1500 + ACCELLERASE®BG and
ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XC) and yeast strain (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red and Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (LSD = 0.67)
Rys. 4. Porównanie wydajności etanolu z osadu po prehydrolizie łętów ziemniaczanych w zależności od wariantu hydrolizy enzymatycznej (ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®BG
i ACCELLERASE®1500 + 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®1500 + ACCELLERASE®BG and
ACCELLERASE®1500 + ACCELLERASE®XC) and yeast strain (Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red and Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6) (LSD = 0.67)
Biotechnologia 13 (1) 2014
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. 160–200oC, uzyskując przy tym
wydajność nawet do 140 dm3 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 ACCELLERASE®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 dm3 w przeliczeniu na s.m. surowca.
PIŚMENNICTWO
Agbor V.E., Cicek N., Sparling R., Berlin A., Levin D.B., 2011. Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnology Advances, 29, 675–685.
Balat M., Balat H., Öz C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34, 551–573.
Ballesteros I., Negro M.J., Oliva J.M., Cabanas A., Manzanares P., Ballesteros M., 2006. Ethanol
production from steam explosion pretreated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnolgy, 129–133, 496–508.
Ballesteros M., Oliva J.M., Negro M.J., Manzanares P., Ballesteros I., 2004. Ethanol from lignocellulosic materials by a simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) with
Kluyveromyces marxianus CECT 10875. Process Biochemistry, 39, 1843–1848.
Chen H., Han Y., Xu J., 2008. Simultaneous saccharification and fermentation of steam exploded
wheat straw pretreated with alkaline peroxide, Process Biochemistry, 43, 1462–1466.
Field C.B., Campbell J.E., Lobell D.B., 2008. Biomass energy: the scale of the potential resource.
Trends in Ecology and Evolution, 23, 65–72.
Acta Sci. Pol.
Fermentacja etanolowa surowców...
11
Hasunuma T., Kondo A., 2012. Consolidated bioprocessing and simultaneous saccharification and
fermentation of lignocellulose to ethanol with thermotolerant yeast strains. Process Biochemistry, 47, 1287–1294.
Hill J., 2007. Environmental costs and benefits of transportation biofuel production from foodand lignocellulose-based energy crops. A Review. Agronomy for Sustainable Development,
27, 1–12.
Jørgensen H., Kristensen J.B., Felby C., 2007. Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentable sugars: challenges and opportunities. Biofuels, Bioproducts & Biorefining, 1, 119–134.
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.
Kupczyk A., Borowski P., Powała M., Ruciński D., 2011. Biopaliwa transportowe w Polsce. Stan
aktualny i perspektywy. Wyd. WEMA, Warszawa.
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.
Lin Y., Tanaka S., 2006. Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects.
Applied Microbiology and Microbial Biotechnology, 69, 627–642.
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.
Pienkos T.P., Zhang M., 2009. Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose,16, 743–762.
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.
Van Soest P.J., Robertson J.B., Lewis B.A., 1991. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber,
and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition, Journal of Dairy Science, 74,
3583–3597.
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 63.33 to 73.87 dm3 per 1 ton of dry matter of raw
material.
Key words: lignocellulose, wheat straw, potato stalks, ethanol, yeast
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 30.03.2014
Do cytowania – For citation: Kawa-Rygielska J., Wcisło G., Chmielewska J., 2014.
Fermentacja etanolowa surowców ligninocelulozowych. Acta Sci. Pol. Biotechnol., 13
(1), 5–12.
Biotechnologia 13 (1) 2014