Techno-economical evaluation of lignocellulose hydrolysis

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-23
Department
Major/Subject
Biotekniikka ja elintarviketekniikka
Mcode
KE3002
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
88 + 18
Series
Abstract
The economic dependency on fossil fuels affects the climate and environment, which drives the fuel research on the largest known renewable carbohydrate source: fermentable sugars from lignocellulose. Several fermentable sugars exist in lignicellulosic materials, but are not accessible for efficient use without pretreatment and hydrolysis. Enzymatic hydrolysis is typically used. Enzymatic hydrolysis has a high selectivity and is performed in mild conditions, but the cost of enzymes is high. Hydrolysis can be a batch or a continuous process and is performed in one or several steps as a sequential process before fermentation or simultaneously with fermentation. The overall yield, residence time, and enzyme cost are the key parameters in the process feasibility. Means to achieve economically viable processes include: product removal, enzyme and solids recycling, enzyme engineering, and high consistency reactions. Different process options for enzymatic hydrolysis were evaluated in this thesis. The evaluated parameters included consistency, residence time, raw material and enzyme input. Three setups were selected: one-step process, two-step process and two-step process with solids recycling. The raw material was selected to be autohydrolyzed wheat straw. Two alternatives for liquid/solid separation: a pressure filter and a decanter centrifuge were compared. The feasibilities of the cases were somewhat similar. The most viable lignocellulose hydrolysis was achieved with a two-step process using a pressure filter as the first separator and a decanter centrifuge as the second separator. The revenue from the lignin-rich residual had significant effect on the overall manufacturing cost. If the price of the lignin-rich residue was lower than assumed (200 €/t dry matter, hypothetical estimation), the viability of the processes would be arguable.

Riippuvuudella fossiilisista polttoaineista on selvä vaikutus ilmastoon ja ympäristöön, mikä ajaa tutkimusta kohti maailman suurimman uusiutuvan hiilihydraattilähteen, lignoselluloosan, käyttöä. Lignoselluloosasta voidaan erottaa fermentoitavia sokereita, mutta niiden vapauttamiseksi kompleksisesta rakenteesta tarvitaan esikäsittelyä ja hydrolyysiä. Entsyymattinen hydrolyysi voidaan tehdä miedoissa olosuhteissa ja reaktion selektiivisyys on korkea. Hydrolyysi voi olla panosreaktio tai jatkuvatoiminen prosessi. Se voidaan toteuttaa yhdessä tai useammassa peräkkäisessä hydrolyysivaiheessa ennen fermentointia tai samanaikaisesti fermentoinnin kanssa. Kokonaissaanto, viipymäaika ja entsyymikustannus ovat hyvin tärkeitä tekijöitä hydrolyysin toteutettavuuden kannalta. Kannattavan prosessin saavuttamiseksi on tutkittu ainakin seuraavia tekijöitä: tuotteen poistoa kesken prosessin, entsyymien ja kiintoaineen kierrätystä, entsyymien muokkausta ja korkean kuiva-ainepitoisuuden reaktioita. Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin erilaisia prosessivaihtoehtoja hydrolyysin toteuttamiseen korkeassa kuiva-ainepitoisuudessa viipymäajan sekä raaka-ainesyötön ollessa vakio ja verrattiin niitä kannattavuuden näkökulmasta. Kolme prosessivaihtoa valittiin tutkittavaksi: yksi- ja kaksivaiheinen prosessi sekä kaksivaiheinen prosessi, jossa kierrätetään kiintoainetta. Tutkimuksen raaka-aineeksi valittiin autohydrolysoitu olki. Myös prosessilaitteiden valintaa käsiteltiin: kiintoaineen erotuksessa käytettiin joko painesuodatinta tai dekantteria. Tulokset olivat melko yhteneväisiä eri prosessivaihtoehtojen välillä. Kannattavimmaksi prosessiksi todettiin prosessi, joka käytti erotukseen painesuodatinta ja myöhemmässä erotuksessa dekantteria. Dekantteri mahdollisti matalamman investointikustannuksen samalla, kun sokerisaanto pysyi kohtuullisena. Prosessin jätevirran korkea ligniinisisältö arvioitiin arvokkaaksi (200 €/t kuiva-ainetta), jotta prosessi saatiin kannattavaksi, mikä on huomiotava prosseja analysoidessa.
Description
Supervisor
Ojamo, Heikki
Thesis advisor
Vermasvuori, Raisa
Keywords
lignocellulose, hydrolysis, high consistency, recycling of solids, sugar platform, SHF, lignoselluloosa, entsymaattinen hydrolyysi, korkea kiintoainepitoisuus, kiintoaineen kierrätys, SHF
Other note
Citation