Unconventional biomasses as feedstocks for production of biofuels and succinic acid in a biorefinery concept

摘要

Et bioraffinaderi har potentiale til at fortrænge fossile brændstoffer og olie-baserede produkter. I et bioraffinaderi kan en række forskellige produkter fremstilles af biomasse, herunder fødevarer, foder, biokemikalier og biobrændstoffer. Hvilke produkter der produceres, er i høj grad afhængig af den kemiske sammensætning af den specifikke biomasse, samt hvilken forbehandling, saccharificeringsprocesser, gæring og udvindingsteknikker der anvendes. Desuden vil biologiske processer der integrerer effektivt forbrug af CO2, med produktion af biokemikalier blive stadig vigtigere. En sådan procesintegration kan i væsentlig grad forbedre bæredygtigheden af de overordnede processer i et bioraffinaderi.I denne undersøgelse blev ukonventionelle lignocellulære og akvatiske biomasser undersøgt som bioraffinaderi-biomasser. De undersøgte biomasser var jordsskokke, industrihamp og makroalgearten Fingertang. Den kemiske sammensætning af biomasserne blev bestemt for at demonstrere deres potentiale i et bioraffinaderi. Bioethanol, biogas og ravsyre var de undersøgte bioprodukter, mens potentiel produktion af andre forbindelser også blev undersøgt.Forskelle og ændringer i biomassen sammensætning og produktivitet af elleve forskellige jordskokke-kloner blev undersøgt ved tre høsttidspunkter. Udbytte på op til 35 t ha-1 tør lignocellulose blev opnået, men mængden af cellulose var i mange tilfælde mindre end 50% af, hvad der blev observeret i fx hamp. Planternes rødder indeholdte høje mængder kulhydrater (≤88% af tørvægt) og gav op til 6 t ha-1 tørstof af yderligere kulhydrater. Kulhydratindholdet i L. digitata viste sig at være usædvanlig høj (77.6% af tørvægt).Forskellige metoder til forbehandling og saccharificering af biomasse blev anvendt afhængig af typen af biomassen. L. digitata krævede ingen anden forbehandling end formaling og tørring før enzymatisk hydrolyse. Forbehandlinger med H2SO4, NaOH og H2O2 ved forskellige betingelser blev anvendt til at forbehandle hamp før enzymatisk hydrolyse, mens jordskokke-knolde blev behandlet med 0.2% H2SO4 i kombination med varmebehandling som en direkte hydrolysemetode.Bioethanol blev produceret af industrihamp-hydrolysater. Ethanoludbytte i området 74-92% af det teoretiske udbytte blev opnået, mens ethanol koncentrationer var op til 10.0 g L-1. Produktion af ravsyre fra denne type af hydrolysat resulterede i meget højere koncentrationer og substratudnyttelse i forhold til ethanolfermentering, delvist fordi A. succinogenes er i stand til at fermentere både glucose og xylose til ravsyre.Jordskokke-knolde, industrihamp og L. digitata viste alle stort potentiale som råvare til ravsyreproduktion. Den maksimale ravsyreproduktion varierede mellem 21.9 og 47.4 g L-1. Den højeste ravsyrekoncentration blev opnået med gæring af jordskokke hydrolysat, mens det maksimale ravsyre udbytte (86.5%) blev opnået ved gæring af L. digitata hydrolysat. Med rodknolde-biomasse blev vist, at knolde let kunne hydrolyseres uden enzymer og fermenteres uden tilsætning af næringsstoffer, hvilket påviser, at anvendelsen af dette råmateriale potentielt kunne reducere omkostningerne for ravsyreproduktion.Det biokemiske metanpotentiale for L. digitata, PHSR (e. post hydrolysis solid residue) og fermenteringsvæsken efter ravsyregæring blev også bestemt. I et bioraffinaderi er biogasproduktion vigtig for energiudvinding samt for at minimere spild og skabe et ekstra produkt i form af gødning. Energiudnyttelse af PHSR og fermenteringsvæske gennem anaerob nedbrydning svarede til 298 og 285 NmL CH4 g-1 VSadded, hhv.Ved yderligere integration af de forskellige processer i bioraffinaderikonceptet blev en ny biogas-opgraderingsteknologi udviklet. Fremgangsmåde var baseret på CO2-fiksering af A. succinogenes samtidig med produktion af ravsyre og CH4 af høj renhed. Systemet var i stand til at opnå 95.4% CH4, hvilket svarer til renhedsgraden som kommercielle biogas- opgraderingteknologier leverer.Resultater opnået i denne undersøgelse er den første rapport for udnyttelse af makroalger, hamp og jordskokke-knolde som biomasse til fermentativ ravsyreproduktion. Det blev vist, at de tre biomasser er attraktive biomasseråstoffer til ravsyreproduktion, hovedsagelig på grund af deres høje indhold af kulhydrat. Et casestudie af et bioraffinaderikoncept med makroalger beskriver potentialet af PHSR til fremstilling af en lang række yderligere produkter, såsom ω-3 og ω-6 fedtsyrer, biodiesel, protein, foder, biogas og gødning, og kan dermed diversificere bioraffinaderiets produktportefølje.