BIOETHANOL PRODUCTION FROM AGRICULTURAL WASTES BY SEPARATE HYDROLYSIS AND FERMENTATION METHOD

Abstract

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant renewable resources for biofuel production. Bioethanol is a renewable energy with major environmental advantages. It represents biofuel which is mostly used in combination with gasoline. It can be produced from different types of renewable feedstocks. One of the most abundant renewable resources for bioethanol production is lignocellulosic biomass. The production of bioethanol from lignocellulosic biomass has attracted worldwide interest. In the present study the slurry, obtained after different pretreatment methods were applied on agricultural waste biomass using silage, chemical and biological pretreatments. The study results revealed that chemical pretreatment is suitable for sunflower stalk, sorghum stalk, sugarcane leaf and corn stalk bioethanol production. Accordingly, the chemical pretreatment was verified for the feasibility of the sugar production process from sunflower stalk, sorghum stalk, sugarcane leaf and corn stalk. Furthermore, the Response Surface Methodology (RSM) was used based on Central Composite Design (CCD) to evaluate and optimize the effect of temperature (30, 35 and 40 ºC), NaOH concentration (1, 1.5 and 2%) and time (1, 2 and 3 days) as an independent variable on the total sugar and reducing sugar concentrations were used the response function. The interaction effects and optimal parameters were obtained using Design-Expert 11 software. The significance of the independent variables and their interactions were tested by p-value less than 0.05. The results showed that using 4 plants pretreated at 40 ºC, 2% NaOH for 3 days released the highest total sugar and reducing sugar. Hence, 3D graphs expressed a significant association between time and NaOH concentrations, it shows that both functions were affected sugar extraction from lignocellulosic materials. The present work is apportioned with production of ethanol from agricultural wastes biomass by Saccharomyces cerevisiae TISTR 5020. The powdered biomass was treated with sodium hydroxide (NaOH), water, silage and Trichoderma spp. to enzymatic hydrolysis by a cellulase enzyme. All of pretreatments were performed at room temperature for 3 days. The pretreatments resulted in enhancing the following enzymatic hydrolysis to 2% of the theoretical yield overnight. The best hydrolysis performance was obtained after pretreatment by 2% NaOH. The yeast showed promising results in fermentation in 3 to 5 days. The best results occurred with the hydrolysate using 2% NaOH as pretreatment. Consequently, the pretreatment with 2% NaOH was applied in a large scale. Results showed that hydrolysis with 2% cellulase enzyme containing fermentable sugar and carried out by DNS method is 218.286 g/L. After fermentation with 10% S. cerevisiae TISTR 5020 for 3 days bioethanol production reached 7.3 %, and after distillation bioethanol increased to 12.5%. High Heating Value (HHV) was 1.838 MJ/kg. In this research, bioethanol production process from lignocellulosic materials can be economically feasible and production can be applied large scale.

ชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเป็นแหล่งพลังงานทดแทนที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดอย่างหนึ่งสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และไบโอเอทานอลเป็นหนึ่งในพลังงานทดแทนที่มีข้อได้เปรียบทางด้านสิ่งแวดล้อม และในปัจจุบันมีการสนับสนุนให้ใช้ร่วมกับแก๊สโซลีน ซึ่งไบโอเอทานอลนี้สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบหลายชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งแหล่งวัตถุดิบทดแทนที่มีปริมาณมากอย่างลิกโนเซลลูโลส การผลิตไบโอเอทานอลจากลิกโนเซลลูโลสจึงได้รับความสนใจกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก ในการศึกษาครั้งนี้ได้ใช้วิธีการปรับสภาพวัตถุดิบที่แตกต่างกัน การปรับสภาพชีวมวลของเสียทางการเกษตรมีแบ่งออกเป็นวิธีการทำหญ้าหมัก (silage) วิธีทางเคมี และวิธีทางชีวภาพ จากผลการศึกษาพบว่าการปรับสภาพด้วยวิธีทางเคมีเหมาะสำหรับวัตถุดิบทั้ง 4 ประเภท ได้แก่ ต้นทานตะวัน ต้นข้าวฟ่าง ใบอ้อย และต้นข้าวโพด เพื่อผลิตเอทานอลในขั้นตอนต่อไป ดังนั้นจึงเลือกวิธีทางเคมีในการปรับสภาพวัตถุดิบต้นทานตะวัน ต้นข้าวฟ่าง ใบอ้อย และต้นข้าวโพดซึ่งเป็นวิธีที่เหมาะสมต่อการย่อยสลายน้ำตาลในขั้นตอนต่อไป นอกจากนี้ ในการทดลองยังได้ใช้สถิติพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology, RSM) แบบเซ็นทรัลคอมโพสิท (Central Composite Design, CCD) เพื่อประเมินและศึกษาสภาวะที่เหมาะสมของอุณหภูมิ (30, 35 และ 40 องศาเซลเซียส) ความเข้มข้นของโซเดียมไฮดรอกไซด์ (1, 1.5 และ 2 เปอร์เซ็นต์) และระยะเวลาการปรับสภาพ 1, 2 และ 3 วัน ซึ่งเป็นตัวแปรอิสระต่อผลผลิตน้ำตาลทั้งหมดและน้ำตาลรีดิวซ์ที่ได้ตามการตอบสนองของฟังก์ชัน และทำการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของผลกระทบและตัวแปร โดยใช้ซอฟต์แวร์ Design-Expert 11 กำหนดการทดสอบด้วยค่า p น้อยกว่า 0.05 ผลการทดลอง พบว่า สภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพและการย่อยน้ำตาลที่เหมาะสมของพืชทั้ง 4 ชนิด ได้แก่ การปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มข้น 2 เปอร์เซ็นต์ ที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 3 วัน มีผลทำให้ได้ปริมาณน้ำตาลทั้งหมด และน้ำตาลรีดิวซ์มากที่สุด ดังนั้นกราฟ 3 มิติที่ได้จึงแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาและความเข้มข้นของโซเดียมไฮดรอกไซด์อย่างชัดเจน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าทั้งสองปัจจัยมีผลกระทบอย่างมากต่อการย่อยสลายน้ำตาลจากวัสดุลิกโนเซลลูโลส ในการผลิตเอทานอลจากเศษวัสดุเหลือทางการเกษตรครั้งนี้ได้ใช้ยีสต์ Saccharomyces cerevisiae TISTR 5020 โดยทำการปรับสภาพวัตถุดิบด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ น้ำ และ Trichoderma spp. ที่อุณหภูมิห้อง เป็นเวลา 3 วัน จากนั้นทำการย่อยน้ำตาลด้วยเอนไซม์เซลลูเลส 2 เปอร์เซ็นต์ เป็นระยะเวลา 24 ชั่วโมง ประสิทธิภาพในการย่อยสลายน้ำตาลดีที่สุดเมื่อวัตถุดิบได้รับการปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซน์ 2 เปอร์เซ็นต์ ทำการหมักเอทานอลด้วยยีสต์เป็นเวลา 5 วัน พบว่าผลผลิตเอทานอลสูงที่สุดในวันที่ 3 จากการหมักสารละลายที่ได้จากการปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ 2 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นการปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ 2 เปอร์เซ็นต์จึงถูกนำมาใช้ในการหมักเอทานอลในระดับที่ใหญ่ขึ้น ผลการทดลองพบว่าวัตถุดิบที่ย่อยสลายด้วยเอนไซม์เซลลูเลส 2 เปอร์เซ็นต์ มีค่าน้ำตาลสำหรับการหมักโดยวัดด้วยวิธี DNS เท่ากับ 218.286 กรัมต่อลิตร จากการหมักด้วยยีสต์ S. cerevisiae TISTR 5020 ที่ความเข้มข้น 10 เปอร์เซ็นต์เป็นระยะเวลา 3 วัน สามารผลิตไบโอเอทานอลได้สูงถึง 7.3 เปอร์เซ็นต์ และหลังจากการกลั่นทำให้ความเข้มข้นของเอทานอลเพิ่มสูงขึ้นถึง 12.5 เปอร์เซ็นต์ จากการวัดค่าความร้อนได้ค่าความร้อนสูงสุด เท่ากับ 1.838 เมกกะจูลต่อกิโลกรัม จากผลงานวิจัยนี้ กระบวนการการผลิตไบโอเอทานอลจากวัตถุดิบลิกโนเซลลูโลสมีความเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐศาสตร์ และสามารถประยุกต์ใช้กับกระบวนการผลิตขนาดใหญ่ได้