The Utilization of the Corn Stover in Production of the Second Generation Biofuel

Słoma kukurydziana to potencjalny surowiec do produkcji biopaliw, który w Polsce występuje w znacznych ilościach (Styszko, Majewski, 2010). Dotychczas do produkcji bioetanolu wykorzystuje się surowce żywnościowe takie jak: ziarna zbóż, buraki cukrowe czy ziemniaki (Kupczyk, Wojdalski, 2010). Znane są również metody produkcji tego paliwa z surowców ligninocelulozowych z zastosowaniem kwasów lub zasad, ale ich stosowanie zagraża środowisku, a ponadto metody te są mało wydajne. Korzystniejszym rozwiązaniem byłoby stosowanie do obróbki wstępnej biomasy takich metod, które nie wpłynęłyby na generowanie toksycznych odpadów po procesie lub które można byłoby poddać recyklingowi. Do takiej grupy metod należy stosowanie obróbki wstępnej biomasy przy użyciu cieczy jonowych, należących do grupy: „zielonych rozpuszczalników”. Z tych powodów celem badań była ocena przydatności obróbki wstępnej octanem 1-etylo-3-metyloimidazolu i chlorkiem 1-etylo-3 metyloimidazolu w procesie otrzymywania bioetanolu ze słomy kukurydzianej. Zakres pracy obejmował badanie właściwości słomy kukurydzianej (sucha masa, zawartość celulozy i ligniny), obróbkę wstępną słomy kukurydzianej z zastosowaniem różnych cieczy jonowych, hydrolizę enzymatyczną słomy kukurydzianej oraz fermentację alkoholowa. Ciecze jonowe korzystnie wpływają na strukturę krystaliczną celulozy, powodując jej rozluźnienie oraz zwiększenie miejsc dostępnych dla enzymów celulolitycznych. Octan 1-etylo-3-metyloimidazoliowy oddziela wstępnie ligninę od pozostałych składników słomy kukurydzianej i nie stanowi bariery dla działania enzymów celulolitycznych oraz drożdży wykorzystywanych w badaniach. Badanie wydajności hydrolizy enzymatycznej słomy żytniej po obróbce wstępnej cieczami jonowymi pozwoliło na porównanie tych dwóch metod obróbki wstępnej. Korzystniejszym sposobem oczyszczania materiałów ligninocelulozowych było stosowanie octanu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego niż chlorku 1-etylo-3-metyloimidazoliowego, ze względu na większą zawartość cukrów redukujących po hydrolizie enzymatycznej. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono również, że użycie cieczy jonowej – octanu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego poprawiło uzysk bioetanolu ze słomy kukurydzianej.Corn stover, which occurs in Poland in large amounts, is a potential raw material for production of biofuels (Styszko, Majewski, 2010). Until now, staple food (food ingredients), cereals, potatoes or sugar beets have been used for biofuel production (Kupczyk, Wojdalski, 2010). However, more often, other methods employing lignocellulosic material and acids or bases are applied for ethanol production; however, these methods are not so efficient and their application carries a potential environmental risk. An application of methods that are safe (i.e. methods with minimized production of toxic waste after processing) and could be recycled sound like a better solution in this situation. As an example of such methods, we can propose techniques based on ionic fluids belonging to a group of “green solvents”. Therefore, in this study we evaluated an applicability of preprocessing phase using 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate and 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride in the process of biofuel production from corn stover. The study included determination of properties of corn stover (dry mass, cellulose and lignin content), preprocessing of corn stover using various ionic liquids, enzymatic hydrolysis of corn stover and alcohol fermentation. Ionic liquids beneficially affect the crystal structure of cellulose, leading to crystal structure loosening and increase in areas available for cellulosic enzymes. We noticed that 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate initially separated lignin from other content of corn stover and had no negative effect on the action of cellulosic enzymes and yeasts. The study of efficiency of enzymatic hydrolysis of rye stover after preprocessing with ionic liquids allowed to make comparison between abovementioned preprocessing methods. More beneficial cleaning process of lignocellulosic material was observed for 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. This beneficial effect resulted from higher amount of reducing sugars after enzymatic hydrolysis. It was also found that the use of ionic liquid – 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate – improved the yield of biofuel production from corn stover

The importance of biofuel production in Poland on the example of bioethanol

W niniejszym artykule przedstawiono definicje i rodzaje biopaliw, uregulowania prawne i znaczenie biopaliw w Polsce oraz w krajach Unii Europejskiej. Z danych literaturowych wynika, że rozwój bioetanolu dotyczy głównie produkcji alkoholu etylowego II generacji (z surowców ligninocelulozowych). Jednym z kryterium opłacalności produkcji bioetanolu jest dodatni wskaźnik energetyczny dla tego paliwa, czyli ilość energii, którą można uzyskać podczas spalania bioetanolu do ilości energii, którą trzeba włożyć do jego wytworzenia. Globalna produkcja biopaliw jest silnie uzależniona od decyzji politycznych. Planuje się do 2030 roku wprowadzenie w transporcie biopaliw drugiej generacji oraz wodorowych ogniw paliwowych. Z tych powodów powstało również wiele instrumentów wspierających i finansujących liczne programy promocyjno-edukacyjne lub wdrożeniowe.This paper presents a definitions and types of biofuels, regulation and the importance of biofuels in Poland and in the European Union. Based on literature data, the development of bioethanol focuses on production of second generation (2G) ethanol ( from lignin-cellulose materials). One of the criterion for bioethanol production profitability is positive energy ratio of fuel, that is quantity of energy that can be obtained during the combustion of bioethanol to the amount of energy you need to add to make it. Global production of biofuels is very strongly dependent on political decisions. It is planned to 2030 introduce to transport the second generation biofuels and hydrogen fuel cells. For these reasons are created many instruments to support and finance a lot of educational and promotional or implementation programs

The possibility to use lignocellulosic materials for production bioethanol II generation

Uzależnienie światowej gospodarki od ropy i jej pochodnych jest tak ogromne, że spekulacje na temat kończących się zasobów tego surowca (obawa o stabilność dostaw) są w stanie spowodować kryzys na światowym rynku. Koniecznością stało się poszukiwanie takiego nośnika energii, który pozwoliłby zmniejszyć zużycie ropy naftowej. W Polsce głównym surowcem do produkcji etanolu jest przede wszystkim żyto, ale również inne ziarna zbóż, kukurydza, buraki cukrowe i ziemniaki. Perspektywicznymi surowcami do produkcji bioetanolu są odpadowe surowce celulozowe. Wykorzystanie rolniczych odpadów celulozowych w produkcji bioetanolu promuje rolnictwo, dla którego do głównych zadań oprócz produkcji żywności będzie także należała produkcja surowców na potrzeby energetyczne, jak i związane z tym szeroko zakrojone działania na rzecz rozwoju obszarów wiejskich i ochrony środowiska.Dependence of the global economy on petroleum and its derivatives is so huge, that speculation about the ending of this raw material resources (a concern about the stability of supply) can cause a crisis in the global market. It became the necessity to search for such an energy carrier, which would reduce oil consumption. In Poland, the main raw material for ethanol production is rye, but also other cereals, maize, sugar beet and potatoes. The prospective materials for bioethanol production are waste cellulose materials. The use of agricultural waste in the production of cellulosic ethanol promotes agriculture, for which the main tasks, in addition to food production, will also be production of raw materials for energetics and the associated extensive measures for rural development and environmental protection

Effect of the type wine yeast burgundy and currant change of ethanol and wine extract juice from concentrate of black currant

W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu ras drożdży winiarskich S. cerevisiae typu "Burgund" i "Porzeczka" na zawartość alkoholu etylowego oraz ekstraktu ogólnego w winach owocowych z koncentratu czarnej porzeczki. Fermentacja nastawu winiarskiego, sporządzonego zgodnie z zasadami technologii produkcji win owocowych, trwała 21 dni. Po zakończeniu procesu, wino przechowywano przez 125 dni. Podczas tego okresu zbadano trzykrotnie zawartość alkoholu etylowego oraz ekstraktu ogólnego. W oparciu o wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych, stwierdzono większy ubytek ekstraktu ogólnego po 125 dniach przechowywania, w winie typu Porzeczka niż w winie typu Burgund. Natomiast oba badane wina owocowe cechowały się zbliżoną zawartością alkoholu etylowego.The aim of this study was to investigate the effect of breeds of wine yeast S. cerevisiae type "Currant" and "Burgundy" and the ethanol content, and overall the wine extract juice from the concentrate from the black currant. The fermentation of the setting wine made in accordance with the principles of the production technology of fruit wines lasted 21 days, while the wine was stored for 125 days. During this period, three times the content of ethanol and extract general were examined . Based on the results of experimental studies were more general loss of the extract, after 125 days of storage, the type of currant wine. While, fruit wines, both studied were characterized by similar content of ethanol

A method of estimation of the caloric value of the biomass. Part II - energy balance of biomass production

When establishing a plantation of energy crops, a number of decisions regarding planned technology and plant selection should be made. Using the complex calculation algorithms, it is possible to determine the amount of energy needed to establish, run and liquidate the plantation. An analysis of the technological process and the specifics of the examined plants allows to determine the set of the most important features determining the yield size, and ultimately the energy efficiency of the planned production. When conducting field production, the influence of climatic conditions should also be taken into account, for example using a hydrothermal coefficient. The most difficult element of the planned project is to determine the size of the expected yield. Using the above relationships, a mathematical model can be used which, while maintaining the range of the system variables, allows to determine the amount of the expected energy value of the crop

Use of Machine Learning Methods for Predicting Amount of Bioethanol Obtained from Lignocellulosic Biomass with the Use of Ionic Liquids for Pretreatment

The study objective was to model and predict the bioethanol production process from lignocellulosic biomass based on an example of empirical study results. Two types of algorithms were used in machine learning: artificial neural network (ANN) and random forest algorithm (RF). Data for the model included results of studying bioethanol production with the use of ionic liquids (ILs) and different enzymatic preparations from the following biomass types: buckwheat straw and biomass from four wastelands, including a mixture of various plants: stems of giant miscanthus, common nettle, goldenrod, common broom, fireweed, and hay (a mix of grasses). The input variables consisted of different ionic liquids (imidazolium and ammonium), enzymatic preparations, enzyme doses, time and temperature of pretreatment, and type of yeast for alcoholic fermentation. The output value was the bioethanol concentration. The multilayer perceptron (MLP) was used in the artificial neural networks. Two model types were created; the training dataset comprised 120 vectors (14 elements for Model 1 and 11 elements for Model 2). Assessment of the optimum random forest was carried out using the same division of experimental points (two random datasets, containing 2/3 for training and 1/3 for testing) and the same criteria used for the artificial neural network models. Data for mugwort and hemp were used for validation. In both models, the coefficient of determination for neural networks was <0.9, while for RF it oscillated around 0.95. Considering the fairly large spread of the determination coefficient, two hybrid models were generated. The use of the hybrid approach in creating models describing the present bioethanol production process resulted in an increase in the fit of the model to R2 = 0.961. The hybrid model can be used for the initial classification of plants without the necessity to perform lengthy and expensive research related to IL-based pretreatment and further hydrolysis; only their lignocellulosic composition results are needed

The Use of Giant Miscanthus (Miscanthus × Giganteus) in 2G Bioethanol Production

The study aimed to obtain bioethanol from biomass using chemical treatment and enzymatic hydrolysis. Different concentrations of sodium hydroxide (5 and 10%) were used for the delignification process, and enzymatic hydrolysis was carried out using three commercial cellulolytic preparations (Cellic® CTec2, cellulase from Trichoderma reesei and cellulase from Aspergillus species). The final step involved an alcoholic fermentation process using Saccharomyces cerevisiae TYPE II yeast. After enzymatic hydrolysis, the content of reducing sugars was determined in the samples, and the fermentation yield was controlled by determining the ethanol content by pycnometry. Using chemical pretreatment increased the yield of the whole process by at least 50%. The content of reducing sugars after hydrolysis depended on the type of enzyme preparation used for hydrolysis and the use of NaOH in pretreatment. The highest reducing sugars content (45.8 g/dm3) was achieved in a sample of material purified with 5% NaOH, and enzymatic hydrolysis was carried out using Cellic® CTec2. It means the efficiency of the enzymatic hydrolysis process equals 94.69%. The concentration of bioethanol after alcoholic fermentation in this sample was 0.509 g/l

The Influence of Apple, Carrot and Red Beet Pomace Content on the Properties of Pellet from Barley Straw

Influence of wastes generated during juice production: apple, carrot and red beet, added to barley straw, on density of pellet mass, pellet hardness, ash content and calorific value was assessed. Dry mass content of additives in the substrate to pellet production was: 0, 10, 20 and 30% of the mixture weight. The relative humidity of the raw material was: 17.0, 19.5 and 22%. Higher percentages of additives and higher moisture content in the raw materials increased the hardness and density of the pellet. The contents of natural polymers such as lignin, hemicellulose and cellulose were determined in primary materials used to prepare substrate and in pellet. Changes in the determination of these substances was observed as a result of the granulation process