Obróbka wstępna biomasy bogatej w lignocelulozę w celu zwiększenia wydajności fermentacji metanowej (artykuł przeglądowy)

• Autorzy: Lalak J. , Kasprzycka A. , Murat A. , Paprota E. M. , Tys J.

Warianty tytułu

EN

Pretreatment methods of lignocelulosic biomass to improve methane fermentation process (a review)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy jest przegląd metod obróbki wstępnej, które są innowacyjnymi technologiami w procesie optymalizacji produkcji biogazu. Obecnie zapotrzebowanie na energie odnawialne i paliwa kopalniane wciąż wzrasta. Biogaz posiada wiele zalet w przeciwieństwie do innych biopaliw. Odpadowa biomasa lignocelulozowa jest atrakcyjnym substratem do produkcji biogazu z uwagi na jej niską cenę, ilość i całoroczną stałą dostępność. Produkcja energii bazująca na odpadach roślinnych, których głównym komponentem jest celuloza i lignina, posiada zerową emisję gazów cieplarnianych. Ten typ biomasy nie jest w pełni biodegradowalny w procesie fermentacji metanowej w skali przemysłowej z uwagi na jej strukturę fizyko-chemiczną, co skutkuje niższym uzyskiem energii. Biodegradowalność odpadów lignocelulozowych można skutecznie polepszyć poprzez stosowanie obróbki wstępnej biomasy. Ostatnie wyniki badań pokazały, że obróbka taka może poprawić efektywność produkcji biogazu do ponad 90% surowców takich jak drewno, trawy i kukurydza.

EN

The aim of this paper is to review promising pre-treatment technologies which have greatly improved the production of biogas. The global need for alternative energy source is rapidly growing today. Biogas has many advantages compared to other biofuels. It can be produced from lignocellulosic materials. The lignocellulosic biomass is attractive as feedstock for biogas production because of its low cost, great abundance and sustainable supply. Especially, utilisation cycles and energy production based on raw biomass have near-zero greenhouse gas emissions on a life-cycle basis. Lignocelluloses are composed of cellulose, hemicellulose, lignin and several inorganic materials. This type of biomass is not fully biodegraded in methane fermentation process on industrial scale due to their complex physical and chemical structure, which results in lower energy recovery in terms of methane yield. The biodegradability of lignocellulosic waste can be increased by a pre-treatment. Recent findings have shown that pre-treatment can improve biogas yields to higher than 90% of the theoretical yield for biomass such as wood, grasses, and corn.

Słowa kluczowe

PL

biomasa; lignoceluloza; fermentacja metanowa; biogaz; obrobka wstepna; nowe technologie; innowacje

EN

biomass; lignocellulose; methane fermentation; biogas; pretreatment; new technology; innovation

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Agrophysica
• Rocznik: 2014
• Tom: 21
• Numer: 1
• Opis fizyczny: s.51-62,rys.,tab.,bibliogr.

Twórcy

autor

Lalak J.

• Instytut Agrofizyki im.Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, ul.Doświadczalna 4, 20-149 Lublin

autor

Kasprzycka A.

• Instytut Agrofizyki im.Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, ul.Doświadczalna 4, 20-149 Lublin

autor

Murat A.

• Instytut Agrofizyki im.Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, ul.Doświadczalna 4, 20-149 Lublin

autor

Paprota E. M.

• Instytut Agrofizyki im.Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, ul.Doświadczalna 4, 20-149 Lublin

autor

Tys J.

• Instytut Agrofizyki im.Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, ul.Doświadczalna 4, 20-149 Lublin

Bibliografia

• Amon T., Amon B., Kryvoruchko V., Zollitsch W., Mayer K., Gruber L., 2007. Biogas production from maize and dairy cattle manure – influence of biomass composition on the methane yield. Agr. Ecosyst. Environ., 118, 173-182.
• Aziz A.A., Das K., Husin M., Mokhtar A., 2002. Effect of physical and chemical pretreatment on xylose and glucose production from oil palm press fibre. J. Oil Palm Res., 14, 10-17.
• Balat M., 2011. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review. Energ. Conver. Manage, 52, 858-875.
• Balat M., Balat H., Oz C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34, 551-573.
• Bussemaker M.J., Zhang D., 2013. Effect of Ultrasound on Lignocellulosic Biomass as a Pretreatment for Biorefinery and Biofuel Applications. Ind. Eng. Chem. Res., 52(10), 3563-3580.
• Da Costa Sousa L., Chundawat S.P.S., Bala V., Dale B.E., 2009. ‘Cradle-to-grave’ assessment of existing lignocellulose pretreatment technologies. Curr. Opin. Biotechnol., 20, 339-347.
• Dale B.E., Leong C.K., Pham T.K., Esquivel V.M., Rios I., Latimer V.M., 1996. Hydrolysis of lignocellulosics at low enzyme levels. Application of the AFEX process. Bioresour. Technol., 56, 111-116.
• EIA, Energy Information Administration, USA, 2009.
• Eklund R., Zacchi G., 1995. Simultaneous saccharification and fermentation of steam-pretreatment willow. Enzyme Microb. Technol., 17, 255-259.
• Eleazer W.E., Odle W.S., Wang Y.-S., Barlaz M.A., 1997. Biodegrability of municipal solid waste components in laboratory-scale landfills. Environ. Sci. Technol., 31, 911-917.
• Frąc M., Ziemiński K., 2012, Methane fermentation process for utilisation of organic waste (2012), International Agrophysics, 26, 3, 317-330.
• Fricke K., Santen H., Wallmann R., Huttner A., Dichtl N., 2007. Operating problems in anaerobic digestion plants resulting from nitrogen in MSW. Wate Manage., 27, 30-43.
• Harada, H., Ohashi A., Imachi H., 2004. Realization of super high-rate methane fermentation bioreactor and rRNA-based molecular analysis of sludge consortium (in Japanese). Journal of Environmental Biotechnology, 4, 19–27.
• Hendriks A.T.W.M., Zeeman G., 2009. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresour. Technol., 100, 10-18.
• Himmel M.E., Ding S-Y., Johnson D.K., Adney W.S., Nimlos M.R., Brady J.W., Foust T.D., 2007. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science, 315, 804-807.
• Jawed M., Tare V., 1999. Microbial composition assessment of anaerobic biomass through methanogenic activity tests. Water SA, 25 , 345–350.
• Karki B., Maurer D, Jung S., 2011. Efficiency of pretreatments for optimal enzymatic saccharification of soybean fiber. Bioresour Technol, 102, 6522−6528.
• Komilis D.P., Ham R.K., 2003. The effect of lignin and sugars to the anaerobic decomposition of solid waste. Waste Manage., 23, 419-423.
• Kowalczyk-Juśko A., 2009. Efektywność produkcji biogazu z odpadów rolniczych i przetwórstwa rolno- spożywczego, Rzeszów.
• Krajewski A., Witomski P., 2003. Ochrona drewna. Pod red. E. Ramus, Wyd SGGW w Warszawie.
• Kristensen J.B., 2009. Enzymatic hydrolysis of lignocelluloses. Substrate interactions and high solids loadings. Forest & Landscape Research, 42, 7.
• Kristensen J.B., Borjesson J., Bruun M.H., Tjerneld F., Jørgensen H., 2007. Use of surface active additives in enzymatic hydrolysis of wheat straw lignocellulose Enzyme and Microbial Technology, 40, 888-895.
• Kumar P., Barrett D.M., Delwiche M.J., Stroeve P., 2009. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Ind. Eng. Chem. Res. 48, 3713-3729.
• Leja K., Lewandowicz G., Grajek W., 2009. Produkcja bioetanolu z surowców celulozowych. Biotechnologia, 4(87), 88-101.
• Malherbe S., Cloete T.E., 2002. Lignocellulose biodegradation: Fundamentals and applications. Re/Views in Environmental Science & Bio/Technology, 1, 105-114.
• Martin C., Klinke H.B., Thomsen A.B., 2007. Wet oxidation as a pretreatment method for enhancing the enzymatic convertibility of sugarcane bagasse. Enzyme Microb. Technol., 40, 426-432,
• Matsui T., Koik Y., 2010. Methane fermentation of a mixture of seaweed and milk at a pilot-scale plant. Journal of Bioscience and Bioengineering, 110(5), 558-563.
• McKendry P., 2002. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresour. Technol., 83, 37-46,
• Moiser N., Wyman C., Dale B., Elander R., Lee Y.Y., Holtzapple M., Ladisch M., 2005. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour Technol, 96, 673-686.
• Monroy O., Famà G., Meraz M., Montoya L., Macarie H., 2000. Anaerobic digestion for wastewater treatment in Mexico: state of the technology. Wat. Res., 34(6), 1803-1816.
• Mora-Pale M., Meli L., Doherty T.V., Linhardt R.J., Dordick J.S., 2011. Room temperature ionic liquids as emerging solvents for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Biotechnol Bioeng, 108, 1229-1245.
• Mudhoo A., 2012. Book of: Biogas production. Pretretment Methods in Anaerobic Digestion. Wiley.
• Muthangya M., Mshandete A.M., Kivaisi A.K., 2009. Two-stage fungal pre-treatment for improved biogas production from sisal leaf decortication residues. Int. J. Mol. Sci., 10, 4805-4815.
• Ryan L., Ferreira S. Convery F., 2009. Impact of fiscal measures on CO2 emissions from the automobile sector: Evidence from Europe. Energy Economics, 31(3), 365-374.
• San Martin R., Perez C., Briones R., 1995. Simultaneous production of ethanol and kraft pulp from pine (Pinus radiata) using steam explosion. Bioresour. Technol., 53, 217s-223.
• Sidiras D., Koukios E., 2004. Simulation of acid-catalysed organosolv fractionation of wheat straw. Bioresour. Technol. 94, 91-98.
• Stciklen M., 2006. Plant genetic engineering to improve biomass characteristics for biofuel. Science, 17, 315-319.
• Sun Y., Cheng J., 2002. Hydrolysis of lignocellulosic material for ethanol production: a review. Bioresour. Technol., 83, 1-11.
• Sun Y., Cheng J., 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, 83, 1-11.
• Tan K.T., Lee K.T., Mohamed A.R., 2008. Role of energy policy in renewable energy accomplishment: the case of second-generation bioethanol. Energy Policy, 36(9), 3360-3365. van Wyk J.P.H., 2001. Biotechnology and the utilization of biowaste as a resource for bioproduct development. Trends Biotechnol., 19, 172-177.
• Wulf S., Jager P., Do H., 2006. Balancing of greenhouse gas emissions and economic efficiency for biogas-production through anaerobic co-fermentation of slurry with organic waste. Agriculture, Ecosystems and Environment, 112, 178-185.
• Zaldivar J., Nielsen J., Olsson L., 2001. Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration Applying Microbiological Biotechnology, 56, 17-34.
• Zhang B., Shahbazi A., 2011. Recent Developments in Pretreatment Technologies for Production of Lignocellulosic Biofuels. J. Pet. Environ. Biotechnol., 2(2), 1-8.
• Ziemiński K., Frąc M., 2012. Methane fermentation process as anaerobic digestion of biomass: Transformations, stages and microorganisms. African Journal of Biotechnology, 11(18), 4127-4139.
• Ziemiński K., Romanowska I., Kowalska M., 2012. Enzymatic pretreatment of lignocellulosic wastes to improve biogas production. Waste Management, 32, 1131-1137.