ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΤΗΣ Υ ΡΟΘΕΡΜΙΚΗΣ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Χ. Νίτσος, Κ. Τριανταφυλλίδης,* και Κ. Μάτης Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας, Τµήµα Χηµείας, ΑΠΘ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η βιοαιθανόλη δεύτερης γενιάς παράγεται από λιγνοκυτταρινούχο βιοµάζα µέσω µιας διεργασίας τεσάρρων σταδίων της προκατεργασίας, της υδρόλυσης της βιοµάζας σε σάκχαρα, της ζύµωσης των σακχάρων που προκύπτουν προς αιθανόλη, και τέλος της απόσταξης και παραλαβής της αιθανόλης από το υγρό της ζύµωσης. Το στάδιο της προκατεργασίας της βιοµάζας, που εφαρµόζεται πριν την ενζυµική υδρόλυση, µε φυσικές, χηµικές, βιολογικές ή συνδυασµένες µεθόδους είναι πολύ σηµαντικό και στοχεύει αφενός στην κλασµάτωση της βιοµάζας µε αποµάκρυνση της ηµικυτταρίνης ή/και της λιγνίνης, και αφετέρου στην αύξηση της προσβασιµότητας των ενζύµων στην βιοµάζα, και εποµένως στην αύξηση της ενζυµικής µετατροπής της κυτταρίνης προς γλυκόζη. Η υδροθερµική προκατεργασία είναι ιδιαίτερα ελκυστική καθώς χρησιµοποιεί το Η 2 Ο ως το µόνο αντιδραστήριο, είναι απλή, και οικονοµική και πραγµατοποιείται σε σχετικά ήπιες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Στην παρούσα εργασία µελετήθηκε η επίδραση της υδροθερµικής κατεργασίας στα πορώδη χαρακτηριστικά, την κρυσταλλικότητα, την µορφολογία σωµατιδίων και την σύσταση (αποµάκρυνση ηµικυτταρίνης, λιγνίνης, κυτταρίνης) λιγνοκυτταρινούχας βιοµάζας από ξύλο οξιάς. STUDY OF THE EFFECT OF HYDROTHERMAL PRETREATMENT ON THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS C. Nitsos, K. Triantafyllidis * and K. Matis Laboratory of General & Inorganic Chemical Technology, Department of Chemistry, AUTH ABSTRACT Second generation bioethanol is produced from lignocellulosic biomass through a four step process pretreatment of biomass, hydrolysis of biomass to sugars, fermentation of the produced sugars to ethanol, and finally distillation and separation of the ethanol from the fermentation liquid. The step of biomass pretreatment, which is applied before the enzymatic hydrolysis using, physical, chemical, and biological methods and their combinations, is crucial and aims on the one hand at fractionating the biomass by removal of hemicelluloses and/or lignin and on the other hand to increase the accessibility of enzymes on the biomass, and therefore to increase the enzymatic conversion of cellulose to glucose. The hydrothermal pretreatment in particular is attractive as it utilizes Η 2 Ο as the sole reagent, it is simple, cost effective, and is carried out at relatively mild temperatures and pressures. In the present work we studied the effect of hydrothermal pretreatment on the porosity, crystallinity, particle morphology, and chemical composition (removal of hemicelluloses, lignin, and cellulose) of lignocellulosic biomass from beech wood.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχας βιοµάζας για την παραγωγή βιοαιθανόλης 2 ης γενιάς περιλαµβάνει τα στάδια της προκατεργασίας της βιοµάζας, της υδρόλυσης της βιοµάζας µε ένζυµα για το σχηµατισµό σακχάρων, της ζύµωσης των σακχάρων για την παραγωγή αιθανόλης και, τέλος, της απόσταξης και αφυδάτωσης για την παραλαβή της καθαρής αιθανόλης[1]. Το στάδιο της προκατεργασίας έχει ως στόχο την µερική αποικοδόµηση της δοµής της λιγνοκυτταρίνης, όπου η κυτταρίνη «προστατεύεται» εξωτερικά από τα άλλα δύο βασικά συστατικά της βιοµάζας, την ηµικυτταρίνη και την λιγνίνη[2]. Τα δύο αυτά πολυµερή περιορίζουν την δράση των υδρολυτικών ενζύµων στην κυτταρίνη και για µια οικονοµικά βιώσιµη διεργασία παραγωγής βιοαιθανόλης θα πρέπει να αποµακρυνθούν µε κάποια µέθοδο προκατεργασίας. Οι διάφορες µέθοδοι προκατεργασίας της λιγνοκυτταριχούχου βιοµάζας που έχουν µελετηθεί µπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε φυσικές, χηµικές, φυσικές/χηµικές και βιολογικές[3]. Από τις µεθόδους προκατεργασίας που έχουν µελετηθεί στη βιβλιογραφία η υδροθερµική προκατεργασία εµφανίζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα. Σε αυτά περιλαµβάνεται ότι είναι περιβαλλοντικά φιλική αφού χρησιµοποιείται ως διαλύτης µόνο νερό και όχι άλλα χηµικά αντιδραστήρια, δεν παρατηρείται διάβρωση του εξοπλισµού λόγω του ήπιου ph της αντίδρασης, είναι απλοποιηµένη διεργασία αφού αποφεύγονται τα επιπλέον στάδια ανακύκλωσης οξέων των µεθόδων όξινης προκατεργασίας, ενώ τέλος, λόγω της απουσίας πολλών σταδίων και αντιδραστηρίων είναι οικονοµικά συµφέρουσα[4]. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά συνάδουν µε την φιλοσοφία και τις αρχές της «πράσινης χηµείας και χηµικής τεχνολογίας», οι οποίες θα πρέπει ούτως ή άλλως να λαµβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασµό διεργασιών παραγωγής βιοκαυσίµων. Στην παρούσα εργασία µελετήθηκε η επίδραση διαφόρων λειτουργικών παραµέτρων της υδροθερµικής προκατεργασίας όπως είναι η θερµοκρασία και ο χρόνος, στην σύσταση και τα µορφολογικά χαρακτηριστικά δειγµάτων λιγνοκυτταρινούχας βιοµάζας. 1. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τα πειράµατα υδροθερµικής προκατεργασίας της λιγνοκυτταρινούχου βιοµάζας από ξύλο οξυάς πραγµατοποιήθηκαν σε αυτόκλειστο αντιδραστήρα Parr Model 4563 όγκου 6 ml. Στον αντιδραστήρα προστέθηκαν 15g απιονισµένο Η 2 Ο και 1g ξύλο οξυάς µε µέγεθος σωµατιδίων 15-5µm. Η σύσταση της βιοµάζας φαίνεται στο Σχήµα 1. Το µίγµα της αντίδρασης θερµάνθηκε σε διάφορες θερµοκρασίες για 15 min, ενώ ακολούθησε γρήγορη ψύξη και διαχωρισµός των στερεών και υγρών προϊόντων µε διήθηση υπό κενό. Οι συνθήκες για τα πειράµατα προκατεργασίας φαίνονται στον Πίνακα 1. Σχήµα 1. Σύσταση ξύλου οξυάς Εκχυλίσιμα 5% Τέφρα 1% Λιγνίνη αδιάλυτη σε οξύ 23% Άλλα 8% Ξυλάνη 2% Κυτταρίνη 43% Τα στερεά προϊόντα της προκατεργασίας χαρακτηρίστηκαν µε περίθλαση ακτίνων-χ σκόνης (powder XRD), φασµατοσκοπία FTIR, ποροσιµετρία αζώτου (προσδιορισµός της ειδικής επιφάνειας µε τη µέθοδο BET), ενώ η συνολική µεταβολή βάρους της βιοµάζας υπολογίστηκε σταθµικά λαµβάνοντας υπόψιν την υγρασία των δειγµάτων βιοµάζας πριν
και µετά την επεξεργασία. Στα υγρά προϊόντα της προκατεργασίας έγιναν αναλύσεις σακχάρων (γλυκόζη της κυτταρίνης και ξυλόζη της ηµικυτταρίνης) σε σύστηµα Υγρής Χρωµατογραφίας Υψηλής Πίεσης (HPLC) µε ανιχνευτή δείκτη διάθλασης, και αναλύσεις οξικού οξέος, φουρφουράλης, υδροξυµεθυλοφουρφουράλης και άλλων παρεµποδιστών (του σταδίου της ζύµωσης των σακχάρων) σε αέριο χρωµατογράφο µε ανιχνευτή ιονισµού φλόγας (FID), καθώς και προσδιορισµός του ph των υγρών. Πίνακας 1. Συνθήκες πειραµάτων υδροθερµικής προκατεργασίας Είδος Κατεργασιας Λόγος Υγρών προς Στερεά (LSR) Θερµοκρασία ( o C) Χρόνος Κατεργασίας (min) Severity Factor (logro) Soxhlet 15 5 42 1.2 Επαναρροή 15 1 8 1.9 HT1* 15 13 15 2.17 HT2 15 15 15 2.76 HT3 15 17 15 3.33 HT4 15 19 15 3.81 HT5 15 22 15 4.69 2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ και ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η συνδυασµένη επίδραση χρόνου (t) και θερµοκρασίας (T) της κατεργασίας στη βιοµάζα εκφράζεται µε τον παράγοντα log Ro, όπου ο παράγοντας δριµύτητας Ro (severity factor) δίνεται από τον τύπο: T 1 R = t exp 14.75 Στο Σχήµα 1α, φαίνονται το ποσοστό διαλυτοποίησης της βιοµάζας και το ph των υγρών της προκατεργασίας για διάφορες τιµές του παράγοντα log Ro. Σε τιµές log Ro 2.76-4.69 η διαλυτοποίηση γίνεται σηµαντική και φτάνει το 2-4% κ.β της αρχικής βιοµάζας, αντίστοιχα. Παρατηρώντας τα φάσµατα FTIR των στερεών δειγµάτων (Σχήµα 2α ) βλέπουµε την εξαφάνιση δύο κορυφών στα 1745 και 1235 cm -1. Οι κορυφές αυτές αποδίδονται στον εστερικό δεσµό µεταξύ ηµικυτταρίνης και λιγνίνης και η εξαφάνιση τους δείχνει ότι η ηµικυτταρίνη είναι το κύριο συστατικό της βιοµάζας που διαλυτοποιείται στις τιµές log Ro 2.76-4.69. Στα διαγράµµατα περίθλασης ακτίνων-χ (Σχήµα 2β) παρατηρούνται δύο κορυφές σε τιµές 2θ 15 ο και 22 ο που οφείλονται στην άµορφη και κρυσταλλική περιοχή της κυτταρίνης, αντίστοιχα. Η αύξηση των εντάσεων των δύο κορυφών σε τιµές log Ro 2.76-4.69 αποδίδεται στην αύξηση της συγκέντρωσης της κυτταρίνης στη βιοµάζα λόγω της αποµάκρυνσης της ηµικυτταρίνης όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η τιµή του ph των υγρών της προκατεργασίας (Σχήµα 1α) µειώνεται σταθερά µε την αύξηση της θερµοκρασίας και φτάνει το ~2.5 στους 22 ο C. Η µείωση αυτή του ph οφείλεται στην αντίστοιχη αύξηση της συγκέντρωσης οξικού οξέος (Σχήµα 1γ) που φτάνει τα 4.39 mg/ml στους 22 ο C. Η ξυλόζη είναι το σάκχαρο που προσδιορίζεται σε συγκεντρώσεις 6 και 9 mg/ml για τιµές log Ro 2.76 και 3.33 αντίστοιχα ενώ σε log Ro 4.69 η συγκέντρωση της µειώνεται στα.31 mg/ml. Αυτό επιβεβαιώνει ότι η ηµικυτταρίνη είναι το κύριο
συστατικό της βιοµάζας που διαλυτοποιείται αλλά σε πολύ υψηλές τιµές log Ro δεν µπορεί να ανακτηθεί από το υγρό της προκατεργασίας ως ξυλόζη. Ο λόγος είναι ότι παρουσία υψηλής συγκέντρωσης οξικού οξέος (4.39 mg/ml) και σε υψηλή θερµοκρασία (22 o C) µεγά λο µέρος της µετετρέπεται σε φουρφουράλη όπως φαίνεται στο Σχήµα 1γ. Η συγκέντρωσης της γλυκόζης αλλά και της υδροξυµεθυλφουρφουράλης- που είναι το προϊόν αφυδάτωσης της- παραµένει χαµηλή σε όλο το εύρος συνθηκών της διεργασίας γεγονός που δείχνει ότι η αποµάκρυνση της ηµικυτταρίνης για τη βιοµάζα γίνεται εκλεκτικά. % κ.β.μεταβολή 45 4 35 3 25 2 15 1 5 (α) % κ.β. ph 1 2 3 log Ro 4 5 6 5 4 3 2 1 ph C (mg/ml) 5 4 3 2 1 (β) Οξικό οξύ Φουρφουράλη Υδροξυµεθυλοφουρφουράλη 1 2 3 4 5 log Ro C (mg/ml) 2,5 2 1,5 1 (γ) Κελλοβιόζη Γλυκόζη Ξυλόζη,5 1 2 3 4 5 log Ro Σχήµα 1. Επίδραση της τιµής του logro: (α) Στην % κ.β. διαλυτοποίηση της βιοµάζας, και την τιµή του ph των υγρών της διεργασίας, (β) Στη συγκέντρωση σακχάρων (κελλοβιόζης, γλυκόζης, ξυλόζης) στα υγρά της διεργασίας, (γ) Στη συγκέντρωση παρεµποδιστών (οξικού οξέος, φουρφουράλης, υδροξυµεθυλφουρφουράλης) στα υγρά της διεργασίας.
(α) Lignocel Soxlet reflux %Σχετική ιαπερατότητα 13 15 17 19 21 42 4 38 36 34 32 3 28 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 25 Κυµµατάριθµος (cm -1 ) (β) 2 Ένταση 15 1 22 oc 19 oc 17 oc 15 oc 13 oc 5 Reflux Soxhlet Lignocel 5 15 25 35 45 θ 2 Θ ( o ) Σχήµα 2. (α) Φάσµατα FTIR των υδροθερµικά προκατεργασµένων στερεών, (β) ιαγράµµατα περίθλασης ακτίνων Χ σκόνης (powder XRD) των υδροθερµικά προκατεργασµένων στερεών. Όσο αφορά στα πορώδη χαρακτηριστικά της βιοµάζας παρατηρούµε (Πίνακας 3) ότι η προκατεργασία επιφέρει µια µικρή αύξηση της ειδικής επιφάνειας και του όγκου των πόρων. Η επίδραση αυτής της µεταβολής στην βελτίωση της ενζυµικής υδρόλυσης της βιοµάζας θα πρέπει να αξιολογηθεί.
Πίνακας 3. εδοµένα ποροσιµετρίας αζώτου. είγµα logro Ειδική επιφάνεια (m 2 g -1 ) Συνολικός όγκος πόρων (cm 3 g -1 ) Lignocell HBS -.5.49 Εκχύλιση Soxhlet 1,2.51 - Reflux 1.9.5.61 HT3 3.33.9.82 HT4 3.81 1.18 - HT5 4.69 1.35-3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συνοψίζοντας τα παραπάνω µπορούµε επιγραµµατικά να πούµε ότι: Η υδροθερµική µέθοδος προκατεργασίας επιτρέπει την σχεδόν ποσοτική και εκλεκτική αποµάκρυνση της ηµικυτταρίνης από δείγµατα λιγνικυτταρινούχας βιοµάζας. Η υδρολυµένη ηµικυτταρίνη, µε τη µορφή ξυλόζης, µπορεί να ανακτηθεί από τα υγρά της διεργασίας παρουσία διαφόρων άλλων ενώσεων όπως οξικό οξύ, φουρφουράλη και υδροξυµεθυλοφουρφουράλη. Οι παραπάνω ενώσεις δρουν ως παρεµποδιστές της αλκοολικής ζύµωσης και θα πρέπει να αποµακρυνθούν ή να µειωθεί η συγκέντρωση τους ώστε τα υγρά της υδροθερµικής προκατεργασίας να χρησιµοποιηθούν για την παρασκευή βιοαιθανόλης. Η στερεή βιοµάζα που προκύπτει από τη διεργασία αποτελείται κυρίως από κυτταρίνη και λιγνίνη, εµφανίζει αυξηµένη ειδική επιφάνεια και όγκο πόρων, προσφέροντας στα ένζυµα την δυνατότητα να δράσουν σε µεγαλύτερη επιφάνεια αλλά και σε µεγαλύτερο βάθος εντός του σωµατιδίου της βιοµάζας. 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Cardona, C.A. and O.J. Sanchez, Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities. Bioresource Technology, 27. 98(12): p. 2415-2457. 2. Hendriks A.T.W.M. and Zeeman G., Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 28. 1(1): p. 1-18. 3. Sanchez O.J. and Cardona C.A., Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Bioresource Technology, 28. 99(13): p. 527-5295. 4. Garrote G., Dominguez H., and Parajo J.C., Hydrothermal processing of lignocellulosic materials. Holz als Roh- und Werkstoff, 1999. 57: p. 191-22. β γ