ASSESSMENT OF PRE-TREATMENT AND FERMENTATION TECHNIQUES FOR THE ENHANCEMENT OF BIOETHANOL YIELD FROM CORN (Zea mays L.)

Abstract

Corn residue as an alternative feedstock has a potential for bioethanol production. Corn is one of the major crops of Thailand and it produces about 5.68 × 106 dry tones of residue per year. Unfortunately, some of this biomass were not utilized but rather burned on the field due to a lack of post-harvest control. This leads to serious problems like haze pollution, especially experienced in the Northern area. In order to alleviate the pollution problem brought by combustion of corn residues it was determined to give farmers some options for agricultural by-product disposal, as well as offering an alternative feedstock for bioethanol production. This study evaluated two corn varieties for their potential as a viable option for bioethanol production, Hi-brix 53 and Sugarstar × Hi-Brix 53 corn. Corn stalk juice, stalk bagasse and leaves were studied. Yeast (Saccharomyces cerevisiae) microorganisms were used for fermentation. Two method of fermentation were used using corn stalk juice. Lignocellulosic part: stalk bagasse and stalk leaves did undergo pretreatment, hydrolysis and fermentation. Three pretreatments were tested in order to know the suitable pretreatment on these materials: physical, control and alkaline. SHF and SSF fermentation process were also applied in order to determine the most effective mode of fermentation in these materials. Hi-brix 53 and Sugarstar × Hi-brix 53 stalk juice contains readily fermentable sugar. Both varieties produce bioethanol with a highest yield of 62.12 g/L (7.87%) in batch fermentation. Another experiment was done in order to improve the ethanol yield. 6-month old stalk juice underwent continuous fermentation that lasted up to 5 cycles. Bioethanol content was from 27.62-29.98 g/L (3.5-3.9% v/v). After distillation ethanol content was found to be 126.24 (16% v/v). As for the lignocellulosic part of corn, alkaline pretreatment using sodium hydroxide was found to be the most suited pretreatment compared to autoclave and physical. Using RSM, the optimal condition for alkaline pretreatment was predicted. For the mode of fermentation, SHF and SSF fermentation using stalk bagasse and leaves does not show any significant difference in terms of bioethanol production. Stalk bagasse of Sugarstar × Hi-brix-53 found to yield higher bioethanol compared to other material and variety. For the scale up production using SHF, mix stalk and leaves were used as feedstock generated about 27.77 g/L (2.9% v/v) of bioethanol. Comparing all used materials, stalk juice shows the most promising feedstock for bioethanol production. Further study on the juice is highly recommended. As for the lignocellulosic part, application on other hydrolysis and fermentation method was suggested. Techno-economic analysis on a small pilot scale biorefinery found that the corn residue (corn stalk and leaves) were a feasible feedstock for biochemical ethanol production. Still further study about these materials was recommended.

วัสดุเหลือทิ้งจากต้นข้าวโพดมีศักยภาพในการเป็นวัตถุดิบทางเลือกสำหรับการผลิตไบโอเอทานอล ข้าวโพดนับว่าเป็นพืชเศรษฐกิจที่สำคัญของประเทศไทยและผลิตได้ 5.68 × 106 ตันต่อปี แต่ชีวมวลเหล่านี้ไม่ได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ แต่กลับถูกเผาทำลายหลังการเก็บเกี่ยว ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาร้ายแรง เช่น มลพิษจากหมอกควัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ภาคเหนือ เพื่อที่จะแก้ไขปัญหามลพิษที่เกิดจากการเผาวัสดุเหลือทิ้งของข้าวโพด รวมทั้งให้ทางเลือกแก่เกษตรกรในการกำจัดผลผลิตทางการเกษตร รวมทั้งเสนอวัตถุดิบทางเลือกสำหรับการผลิตไบโอเอทานอล ในการศึกษานี้ได้ทำการประเมินศักยภาพของข้าวโพดสองสายพันธุ์สำหรับการผลิตไบโอเอทานอล ได้แก่ ข้าวโพดสายพันธุ์ Hi-brix 53 และสายพันธุ์ Sugarstar × Hi-Brix 53 ทำการศึกษาน้ำจากต้นข้าวโพด ชานต้นข้าวโพด และใบ โดยใช้ ยีสต์ (Saccharomyces cerevisiae) ในการหมัก น้ำที่สกัดจากต้นข้าวโพดใช้วิธีการหมักสองวิธี ในส่วนของวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลส ได้แก่ ชานต้นข้าวโพดและใบ จะถูกนำไปผ่านการปรับสภาพ การย่อยสลาย และการหมัก ได้มีการทดสอบการปรับสภาพ 3 วิธี ที่แตกต่างกัน เพื่อให้ทราบการปรับสภาพที่เหมาะสมสำหรับวัสดุเหล่านี้ ได้แก่ การปรับสภาพทางกายภาพ ไม่ผ่านการปรับสภาพ และการปรับสภาพด้วยด่าง กระบวนการหมักแบบ SHF และ SSF ได้ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดวิธีการหมักที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับวัสดุเหล่านี้ ผลการศึกษาพบว่า น้ำที่สกัดจากต้นข้าวโพดสายพันธุ์ Hi-brix 53 และสายพันธุ์ Sugarstar × Hi-brix 53 มีน้ำตาลที่หมักได้ง่าย ในการหมักแบบแบทช์พบว่าทั้งสองสายพันธุ์สามารถผลิตไบโอเอทานอลสูงสุด 62.12 กรัมต่อลิตร (7.87 เปอร์เซ็นต์) จากนั้นทำการทดลองอีกครั้งเพื่อเพิ่มผลผลิตไบโอเอทานอล โดยนำน้ำที่สกัดจากต้นข้าวโพดซึ่งเก็บไว้เป็นระยะเวลา 6 เดือน มาผ่านการหมักอย่างต่อเนื่องที่ยาวนานถึง 5 รอบ ได้ปริมาณไบโอเอทานอล 27.62-29.98 กรัมต่อลิตร (3.5-3.9 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร) หลังจากการกลั่นพบว่ามีปริมาณไบโอเอทานอลเท่ากับ 126.24 (16 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร) สำหรับส่วนของลิกโนเซลลูโลสในข้าวโพดพบว่าการปรับสภาพด้วยด่างโดยใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นวิธีการปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับการปรับสภาพโดยใช้หม้อนึ่งฆ่าเชื้อและการปรับสภาพทางกายภาพ ใช้ RSM ในการประเมินสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการปรับสภาพด้วยด่าง สำหรับการใช้ชานต้นข้าวโพดและใบในวิธีการหมักแบบ SHF และ SSF พบว่าไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของการผลิตไบโอเอทานอล ชานต้นข้าวโพดสายพันธุ์ Sugarstar × Hi-brix-53 พบว่าสามารถผลิตไบโอเอทานอลได้สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสิ้นส่วนอื่น ๆ ของต้นข้าวโพด สำหรับการเพิ่มขนาดการผลิตไบโอเอทานอลจากต้นและใบของข้าวโพดโดยใช้การหมักแบบ SHF พบว่าสามารถผลิตไบโอเอทานอลประมาณ 27.77 กรัมต่อลิตร (2.9 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุทั้งหมดแสดงให้เห็นว่าน้ำสกัดจากต้นข้าวโพดนับว่าเป็นวัตถุดิบที่เหมาะสมสำหรับการผลิตเอทานอลและควรศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับน้ำสกัดจากต้นข้าวโพด สำหรับส่วนของลิกโนเซลลูโลสควรใช้วิธีการย่อยสลายและวิธีการหมักแบบอื่น ๆ การวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจและเทคโนโลยีของโรงงานอุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพขนาดเล็กพบว่า วัสดุเหลือทิ้งจากต้นข้าวโพด (ก้านและใบข้าวโพด) เป็นวัตถุดิบที่เป็นไปได้สำหรับการผลิตเอทานอลทางชีวเคมี ยังแนะนำให้ศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้