Metody wstępnej obróbki biomasy lignocelulozowej przeznaczonej do produkcji biogazu

• Autorzy: Kuprys-Caruk M.

Warianty tytułu

EN

Methods of lignocellulose biomass pre-treatment intended for biogas production

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Coraz większą rolę w produkcji biogazu, a także innych biopaliw II generacji będzie miała biomasa lignocelulozowa, która nie stanowi produktów żywnościowych, czy paszowych. Jednakże wysoka zawartość trudno degradowalnych polisacharydów strukturalnych (kompleks lignocelulozowy) obniża potencjał produkcji biogazu z tego typu roślin w porównaniu do innych roślin uprawnych np. kukurydzy. Odpowiednia obróbka wstępna kompleksu lignocelulozowego może przyczynić się do zwiększenia stopnia biodegradacji tych struktur, a tym samym do wzrostu wydajności produkcji biogazu i skrócenia czasu fermentacji. W pracy przedstawiono przegląd różnorodnych fizycznych, chemicznych oraz biologicznych metod obróbki wstępnej substratu. Poruszono również aspekty związane z technologią kiszenia biomasy przeznaczonej do produkcji biogazu.

EN

Lignocellulosic biomass has an increasingly important role in biogas production and other second generation biofuels obtained from not food or feed products. However, the high content of hardly degradable structural polysaccharides (lignocellulosic complex) reduces the potential of biogas production from this type of plants compared to other crops such as maize. Proper pre-treatment of the lignocellulosic complex may contribute to an increase in the biodegradability of these structures, and thus to an increase in biogas production efficiency and shorter fermentation time. The paper presents an overview of various physical, chemical and biological methods of the biomass pre-treatment. The issues related to ensilage of biomass intended for biogas production were also discussed.

Słowa kluczowe

PL

biomasa; biopaliwa; biogaz; biomasa lignocelulozowa; biodegradacja; substraty; obrobka wstepna; metody fizyczne; metody chemiczne; metody biologiczne; kiszenie; fermentacja metanowa

• Wydawca: -
• Czasopismo: Postępy Nauki i Technologii Przemysłu Rolno-Spożywczego
• Rocznik: 2018
• Tom: 73
• Numer: 1
• Opis fizyczny: s.59-73,bibliogr.

Twórcy

autor

Kuprys-Caruk M.

• Zakład Technologii Fermentacji, Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im.prof.Wacława Dąbrowskiego, ul.Rakowiecka 36, 02-532 Warszawa

Bibliografia

• 1. Adesogan A., Salawu M., Ross A., Davies D., Brooks A. (2003). Effect of Lactobacillus buchneri, Lactobacillus fermentum, Leuconostoc mesenteroides inoculants or chemical additive on the fermentation, aerobic stability and nutritive value of crimped wheat grains. J. Dairy Sci. 86 (5), 1789-1796.
• 2. Agbor V., Cicek N., Sparling R., Berlin A., Levin D. (2011). Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnol. Advances 29, 675–685.
• 3. Asam Z., Poulsen T., Nizami A., Rafique R., Kiely G., Murphy J. (2011). How can we improve biomethane production per unit of feedstock in biogas plants? Appl. Energy 88, 2013–2018.
• 4. Borowski S., Dorszewski P., Kaszkowiak J., Dulcet E., Mikołajczak J. (2013). Application of the additives which increase the biogas production in the context of improvement of the biogas production process. J. Res. Appl. Agricult. Eng. 58 (2), 21-24.
• 5. Cesaro A., Belgiorno V. (2014). Pretreatment methods to improve anaerobic biodegradability of organic municipal solid waste fractions. Chem. Eng. J. 240, 24–37.
• 6. Cesaro A., Velten S., Belgiorno V., Kuchta K. (2014). Enhanced anaerobic digestion by ultrasonic pretreatment of organic residues for energy production. J. Cleaner Prod. 74, 119-124.
• 7. Danner H., Holzer M., Mayrhuber E., Braun R. (2003). Acetic acid increases stability of silage under aerobic conditions. Appl. Environ. Microbiol. 69(1), 562–567.
• 8. Demirci G., Demirer G. (2004). Effect of initial COD concentration, nutrient addition, temperaturę and microbial acclimation on anaerobic treatability of broiler and cattle manure. Bioresource Technol. 93, 109-117.
• 9. Filya I. (2003a). The effect of Lactobacillus buchneri and Lactobacillus plantarum on the fermentation, aerobic stability and ruminal degradability of low dry matter corn and sorghum silages. J Dairy Sci. 86(11), 3575-3581.
• 10. Filya I. (2003b). The effect of Lactobacillus buchneri with or without homofermentative lactic acid bacteria on the fermentation, aerobic stability and ruminal degradability of wheat, sorgum and maize silages. J Appl Microbiol. 95(5), 1080-1086.
• 11. Filya I., Ashbell G., Hen Y., Weinberg G. (2000). The effect of bacterial inoculants on the fermentation and aerobic stability of whole crop wheat silage. Anim. Feed Sci. Tech. 88(1), 39-46.
• 12. Forster-Carneiro T., Perez M., Romero L. (2008). Influence of total solid and inoculum contents on performance of anaerobic reactors treating food waste. Bioresource Technol. 99, 6994–7002.
• 13. Frigon J-C., Mehta P., Guiot S. (2012). Impact of mechanical, chemical and enzymatic pre-treatments on the methane yield from the anaerobic digestion of switchgrass. Biomass and Bioenergy 36, 1-11.
• 14. Gelegenis J., Georgakakis D., Angelidaki I., Mavris Y. (2007). Optimization of biogas production by co-digesting whey with diluted poultry manure. Renewable Energy 32 (13), 2147-2160.
• 15. Gołaszewski J. (2011). Wykorzystanie substratów pochodzenia rolniczego w biogazowniach w Polsce. Post. Nauk Rol. 2, 69-94.
• 16. Gunaseelan V. (1995). Effect of Inoculum/substrate ratio and pretreatments on methane yield from Parthenium. Biomass and Bioenergy, 8, 39-44.
• 17. Hatakka A. (1994). Lignin-modifying enzymes from selected white-rot fungi: production and role from in lignin degradation. FEMS Microbiol Rev.13, 125–35.
• 18. Hendriks A., Zeeman G. (2009). Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technol., 100, 10-18.
• 19. Herrmann C., Heiermann M., Idler C. (2011). Effects of ensiling, silage additives and storage period on methane formation of biogas crops. Bioresource Technol., 102, 5153-5161.
• 20. Jackowiak D., Frigon J., Ribeiro T., Pauss A., Guiot S. (2011). Enhancing solubilisation and methane production kinetic of switchgrass by microwave pretreatment. Bioresource Technol., 102, 3535–3540.
• 21. Jędrczak A. (2003). Biologiczne przetwarzanie odpadów. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
• 22. Kalač P. (2011). The required characteristics of ensiled crops used as a feedstock for biogas production: a review., J. Agrobiol., 28, 85-96.
• 23. Kaparaju P., Ellegaard L., Angelidaki I. (2009). Optimisation of biogas production from manure through serial digestion – Lab-scale and pilot-scale studies. Bioresource Technology, 100, 701-709.
• 24. Karim K., Hoffmann R., Klassonb K., Al-Dahhan M. (2005). Anaerobic digestion of animal waste. Effect of mode mixing. Water Res., 9(3), 175-188.
• 25. Klimiuk E., Pokój T., Budzyński W., Dubis B. (2010). Theoretical and observed biogas production from plant biomass of different fibre contents. Bioresource Technol., 101, 9527–9535.
• 26. Kumar P., Barret D., Delwiche M., Stroeve P. (2009). Methods for pretreatment of lignocellulosis biomass for efficient hydrolysis and biofuel production., Ind. Eng. Chem. Res., 48, 3713-3729.
• 27. Kupryś-Caruk M., Zielińśka K. (2013). Wpływ preparatu Lactosil na jakość kiszonek z wieloletnich traw energetycznych przeznaczonych do produkcji biogazu. Post. Nauki Technol. Przem. Ro.-Spoż., 68(3), 59-68.
• 28. Kupryś-Caruk M. (2017a). The effect of microbial silage additives on biogas production from perennial energy grasses. J. Res. Appl. Agricult. Eng., 62(2), 68-71.
• 29. Kupryś-Caruk M. (2017b). Wpływ preparatu enzymatycznego na kinetykę produkcji biogazu z miskanta olbrzymiego (Miscanthus x giganteus J.M. Greef & M. Deuter)., Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 56(2), 41-42.
• 30. Lewandowski W., Ryms M. (2013). Biopaliwa. Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: WNT.
• 31. Lopes W., Leite V., Prasad S. (2004). Influence of inoculum on performance of anaerobic reactors for treating municipal solid waste. Bioresource Technol. 94, 261-266.
• 32. Melts I., Normak A., Nurk L., Heinsoo K. (2014). Chemical characteristics of biomass from nature conservation management for methane production. Bioresource Technol. 167, 226-231.
• 33. Michalska K., Ledakowicz S. (2012). Degradacja struktur lignocelulozowych oraz produktów ich hydrolizy. Inżynieria i Aparatura Chemiczna 51 (4), 157-159.
• 34. Miecznikowski A., Zielińska K., Suterska A. (2000). Poprawa jakości kiszonek z traw i roślin motylkowatych poprzez zastosowanie biopreparatu Lactacel-L. W: Nowoczesne metody produkcji pasz na użytkach zielonych i ocena ich wartości pokarmowej. Praca zbiorowa pod red. H. Jankowska-Huflejt, J. Zastawny. Falenty: Wydawnictwo IMUZ, 182-188.
• 35. Mikołajczak J., Grabowicz M. (1998). Aktualne zagadnienia stosowania dodatków do zakiszania pasz. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 462, 285-296.
• 36. Møller H., Nielsen A., Nakakubo R., Olsen H. (2008). Process performance of biogas digesters incorporating pre-separated manure. Livestock Sci., 112, 217-223.
• 37. Mosier N., Wyman Ch., dale B., Elander R., Lee Y., Holtzapple M., Ladisch M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technol., 96, 673-686.
• 38. Ndegwa P., Hamilton D., Lalman J., Cumba H. (2008). Effects of cycle-frequency and temperature on the performance of anaerobic sequencing batch reactors (ASBRs) treating swine waste. Bioresource Technol., 99, 1972-1980.
• 39. Nielsen H., Angelidaki I. (2008). Strategies for optimizing recovery of the biogas process following ammonia inhibition. Bioresource Technol., 99(17), 7995-8001.
• 40. Nsereko V., Smiley B., Rutherford W., Spielbauer A., Forrester K.., Hettinger G., Harman E., Harman B. (2008). Influence of inoculating forage with lactic acid bacterial strains that produce ferulate esterase on ensilage and ruminal degradation of fiber. Anim. Feed Sci. Technol., 145, 12-13.
• 41. Oude Elferink S., Krooneman J., Gottschal J., Spoelstra S., Faber F., Driehuis F. (2001). Anaerobic conversion of lactic acid to acetic acid and 1,2-propanediol by Lactobacillus buchneri. Appl. Environ. Microbiol., 67(1), 125–132.
• 42. Pakarinen O, Lehtomäki A, Rissanen S, Rintala J. (2008). Storing energy crops for methane production: effects of solids content and biological additive. Bioresource Technol., 99(15), 7074–82.
• 43. Palmowski L, Muller J. (1999). Influence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion. International Symposium on anaerobic digestion of solid waste. Barcelona, 15–17 czerwiec, 137–44.
• 44. Podkówka W. (red) (2012). Biogaz rolniczy odnawialne źródło energii. Teoria i praktyczne zastosowanie. Praca zbiorowa. Warszawa: Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne.
• 45. Podkówka Z., Podkówka W. (2010). Substraty dla biogazowni rolniczych. Warszawa: Redakcja Agro Serwis.
• 46. Prochnov A., Heiermann M., Plochl M. (2012). Permanent grassland for Bioenergy: factors management and conversion efficiency. Proceedings of the 17th Symphosium of the European Grassland federation, Akureyri, Iceland, 23-26 czerwiec, 515-519.
• 47. Prochnov A., Heiermann M., Plochl M., Linke B., Idler C., Amon T., Hobbs P. (2009). Bioenergy from permanent grassland – A review: 1. Biogas. Bioresource Technol., 100, 4931-4944.
• 48. Pyś J. (2002). Wpływ dodatku inokulantu bakteryjnego, kwasu mlekowego oraz glukozy na jakość i skład chemiczny kiszonek z koniczyny czerwonej. Acta Agr. Silv., Zoot. XXXIX-XL, 17-27.
• 49. Raposo F., Banks C., Siegert I., Heaven S., Borja R. (2006). Influence of inoculum to substrate ratio on the biochemical methane potential of maize in batch tests. Process Biochem., 41, 1444–1450.
• 50. Ruser B., Pahlow G., Kräft A., Rutherford W. (2009). Improved biogas production from silage treated with an esterase producing inokulant. Proc. of XVth Int. Silage Conf., Madison, Wisconsin, USA, 455-456.
• 51. Schattauer A., Weiland P. (2005). Podstawy w zakresie wiedzy o fermentacji beztlenowej. W: Biogaz-Produkcja i Wykorzystanie, Lipsko: Institut für Energetik und Umwelt gGmbH.
• 52. Selwet M. (2011). The effect of bacterial silage inoculant on the fermentation, cell wall contents and aerobic stability of maize silage. Acta Sci. Zootech., 10(3), 83-92.
• 53. Stecka K. (2008). Modelowanie aktywności metabolicznej bakterii fermentacji mlekowej poprzez zmiany warunków środowiskowych. Warszawa: Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego.
• 54. Sucu E., Filya I. (2006a). Effects of homofermentative lactic acid bacterial inoculants on the fermentation and aerobic stability characteristics of low dry matter corn silage. Turk. J. Vet. Anim. Sci., 30(1), 83-88.
• 55. Sucu E., Filya I. (2006b). The effect of bacterial inoculants on the fermentation, aerobic stability and rumen degradability characteristics of wheat silages. Turk. J. Vet. Anim. Sci., 30(2), 187-193.
• 56. Szyszkowska A., Krzewiecki S., Sobczyk I. (2010). Czynniki wpływające na intensywność wtórnej fermentacji w kiszonkach oraz wpływ skarmiania niestabilnych tlenowo kiszonek na ryzyko wstąpienia jednostek chorobowych u krów mlecznych. Zesz. Nauk. UP Wroc., Biol. Hod. Zwierz., LX 577, 205-216.
• 57. Taherzadeh M., Karimi K. (2008). Pre-treatment of lignocelllulosic wastes to improve ethanol and biogas production. A review. Int. J. Mol. Sci., 9, 1621-1651.
• Weinberg Z., Ashbell G., Hen Y., Azrieli A., Szakacs G., Filya I. (2002). Ensiling whole-crop wheat and corn in large containers with Lactobacillus plantarum and Lactobacillus buchneri. J. Ind Microbiol. Biotechnol., 28 (1), 7-11.
• 58. Weiss S., Tauber M., Somitsch W., Meincke R., Muller H., Berg G., Guebitz G. (2010). Enhancement of biogas production by addition of hemicellulolytic bacteria immobilized on activated zeolite. Water Res., 44, 1970-1980.
• 59. Wróbel B. (2012). Evaluation of biological additives effectiveness in ensilage process of meadow sward. J. Res.Appl. Agricult. Eng., 57(4), 193-198.
• 60. Yadvika , Santosh, Sreekrishnan T., Kohli S., Rana V. (2004). Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques – a review. Bioresource Technol., 95, 1-10.
• 61. Zhang B., Shahbazi A. (2011). Recent developments in pretreatment technologies for production of lignocellulosic biofuels. J. Pet. Environ. Biotechnol., 2(2), 1.
• 62. Zhong W., Zhang Z., Ciao W., Fu P., Liu M. (2011). Comparison of chemical and biological pretreatment of corn straw for biogas production by anaerobic digestion. Renewable Energy, 36, 1875-1879.
• 63. Zielińska K., Stecka K., Suterska A., Miecznikowski A. (2006). Ekologiczna metoda kiszenia pasz objętościowych. J. Res. Appl. Eng., 57(4), 199-204.
• 64. Ziemiński K., Romanowska I., Kowalska M. (2012). Enzymatic pretreatment of lignocellulosic wastes to improve biogas production. Waste Management, 32, 1131–1137.