Investigation of plant-biomass-based biorefinery processes  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
108389
Type PD
Principal investigator Barta, Zsolt
Title in Hungarian Növényi biomasszát feldolgozó biofinomító folyamatok vizsgálata
Title in English Investigation of plant-biomass-based biorefinery processes
Keywords in Hungarian lignocellulózok, biofinomító, frakcionálás, xilit fermentáció, enzimes hidrolízis, folyamatmodellezés, energiahatékonyság
Keywords in English lignocelluloses, biorefinery, fractionation, xylitol fermentation, enzymatic hydrolysis, process modeling, energy efficiency
Discipline
Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Environmental chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2014-02-01
Closing date 2017-01-31
Funding (in million HUF) 11.889
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Biofinomító alatt olyan több lépést integráló, összetett eljárást értünk, mellyel egyidejűleg alakíthatjuk a biomasszát energiává, üzemanyaggá és értéknövelt termékekké, és közben nem képződik hulladék. A biofinomító koncepció lehetőséget kínál a biomassza értéknövelt és hosszútávon fenntartható hasznosítására, azonban a szakértelem és a technológiák nagy része még nem áll rendelkezésre. Jelen pályázat fő célja a lignocellulóz alapú biofinomító folyamatok technológiai lépéseinek mélyebb és pontosabb megértése, valamint hatékonyságuk növelése. A munka fókuszában az alábbi lépések állnak: biomassza frakcionálás, xilit fermentáció, enzimes hidrolízis. Mivel az energiaigény csökkentése kulcsfontosságú adott biofinomító folyamat megvalósíthatósága szempontjából, különböző folyamatkonfigurációkat tervezünk modellezni. Ezáltal információt gyűjtünk arról, hogy melyek azok a tényezők, amelyek befolyásolják a folyamat energiahatékonyságát. Laboratóriumainkban a szükséges berendezések rendelkezésre állnak a pályázatban vállalt feladatok elvégzéséhez, és emellett svéd és spanyol együttműködő partnereink (Lundi Egyetem, CIEMAT Kutatóintézet) is szakmai segítséget fognak nyújtani.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás két hipotézisre épül: 1) a biomassza komponenseknek létezik hatékony frakcionálása 2) a biomassza energiahatékony módon alakítható energiává és értéknövelt termékekké. Kutatócsoportunkban két doktori értekezés is született, melyek ezen hipotézisek előtanulmányainak is felfoghatók: 1) Kálmán G: Új lehetőségek a kukorica termesztése és feldolgozása során keletkező melléktermékek hasznosítására (2008) és 2) Barta Zs: Experimental and techno-economic approaches in improvement of the lignocellulosic-ethanol process (A lignocellulóz alapú alkoholgyártás kísérletes fejlesztése és technológiai-gazdasági modellezése, 2011).
Az öt tématerület fő kérdései:
1A. Frakcionálás ionos folyadékokkal
Mi az összefüggés az ionos folyadékokkal történő oldás-regenerálás körülményei és az enzimes hidrolízisben kapott konverzió között?
1B. Kukoricarost frakcionálása
Elérhető-e szelektív arabinóz leválasztás? Az arabinóz kihozatalt milyen faktorok befolyásolják?
2. Xilit fermentáció
Mi a kapcsolat a szénforrás összetétele és a xilithozam között? Milyen hatása van a pH-nak és koszubsztrátok (pl. glicerin) hozzáadásának a fermentáció hatékonyságára?
3. Az enzimes hidrolízis kinetikai vizsgálata
A szakirodalomban fellelhető modellek között van-e olyan, amelyik széles tartományban képes a lignocellulózok enzimes hidrolízisének leírására? Mik a lehetséges korlátok? Modellmódosítással kiterjeszthetőek-e ezek a határok?
4. Energiahatékony folyamatok tervezése
Hogyan növelhető a jövő biofinomító folyamatainak energiahatékonysága? Melyek ennek a fő tényezői?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett alapkutatás elősegíti a biofinomító folyamatok ipari megvalósítását célzó K+F tevékenységet, és így fontos környezetvédelmi és fenntarthatósági célok teljesítéséhez járul hozzá.
A zöld oldószerekként is emlegetett ionos folyadékok nem régen kerültek a figyelem középpontjába biomassza frakcionálás terén. Noha számos publikáció született ezen a tématerületen, még sok a bizonytalanság biomassza előkezelésben történő hatékony felhasználásuk tekintetében.
A kukoricarost kedvező tulajdonságainak köszönhetően kiemelten ígéretes biofinomító nyersanyag. Ha a javasolt alapkutatás eredményei alapján a kukoricarost alapú biofinomító folyamatot ipari léptékben megvalósítanák, a nyersanyagválasztásnak számos előnye lenne: mivel a kukoricarost agroipari melléktermék (a kukorica nedves őrlése során keletkezik), termesztése, betakarítása, szállítása nem igényel energiát (szemben az energianövényekkel), és homogén anyagként, adott helyen, nagy mennyiségben áll rendelkezésre. A biomassza biokémiai úton történő feldolgozásában kulcsszerepe van a hatékony enzimes hidrolízisnek és az folyamat alacsony energiaigényének is. Az enzimes hidrolízis kinetikai modellezése hozzájárul az enzimes folyamatok mélyebb megértéséhez. A fenntartható biomassza átalakításnak energiahatékonynak kell lennie, mely a folyamat hőigényének csökkentésével érhető el.
Fontos cél a kutatói utánpótlás képzése is, mind egyetemi hallgatók, mind doktoranduszok körében. Az eredményeket nemzetközi szakfolyóiratokban, valamint konferenciákon publikáljuk. Emellett várhatóan három doktori értekezésben is megjelennek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Biofinomító alatt olyan összetett eljárást értünk, mellyel egyidejűleg alakíthatjuk a biomasszát (növényi anyagok, algák, szerves hulladékok) energiává, üzemanyaggá és értéknövelt termékekké úgy, hogy közben nem képződik hulladék. A biofinomító koncepció lehetőséget kínál a biomassza értéknövelt és hosszútávon fenntartható hasznosítására, és így az Európai Unió irányelveivel is összhangban van, azonban a szükséges szakértelem és az eljárások még nem állnak rendelkezésre. Ha mezőgazdasági és agroipari melléktermékeket (pl. kukoricaszár és kukoricarost) használunk nyersanyagként, a termesztésnek és betakarításnak nincs külön energiaigénye, szemben pl. a speciálisan erre a célra termesztett energianövényekkel.
Jelen pályázat fő célja a lignocellulóz alapú biofinomító folyamatok technológiai lépéseinek mélyebb és pontosabb megértése, valamint hatékonyságuk növelése. A munka fókuszában az alábbi lépések állnak: biomassza frakcionálás, xilit fermentáció, enzimes hidrolízis. A biomassza frakcionálása a biomassza komponenseinek kémiai és biokémiai úton történő elválasztását jelenti. A xilit édesítőszerként használható, és számos előnyös tulajdonsága van. Jelen kutatásban a xilitet mikrobiológiai úton – fermentációval – tervezzük előállítani. A növényi anyagok nagy mennyiségű cukrot tartalmaznak kötött formában, amely a biofinomító folyamat elején felszabadításra kerül. Ha enzimek végzik a cukrok felszabadítását, enzimes hidrolízisről beszélünk. Mivel az energiaigény csökkentése kulcsfontosságú a biofinomító folyamat megvalósíthatósága szempontjából, számítógépes szimulációkat is tervezünk végezni, melyekkel a folyamat hőigényét kívánjuk csökkenteni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Biorefinery concept describes a highly-integrated complex incorporating individual processes that simultaneously convert biomass into fuels, power and/or heat, value-added chemicals, and other materials, with zero waste approach. This concept offers a great potential for valorisation and long-term sustainability of biomass utilisation. However, the know-how and the majority of technologies are not available yet. In the proposed research, fundamentals of the following process steps of a future lignocellulose-based biorefinery are to be investigated: biomass fractionation, xylitol fermentation, enzymatic hydrolysis. Since reducing the energy demand is a key issue with regards to viability of a given biorefinery process, various process designs are to be modeled to obtain information about the factors that affect process energy efficiency. Our laboratories are well-equipped for the tasks of the current proposal, and also Swedish and Spanish cooperations (with Lund University and Research Centre of CIEMAT, respectively) will help us to fulfil these tasks.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The planned research is based on two hypotheses: 1) exists effective fractionation of biomass components and 2) biomass can be converted into energy and chemicals in an energy-efficient way. Two doctoral theses were written in our research group, which can be considered as preliminary studies of these hypotheses: 1) Kálmán G: Új lehetőségek a kukorica termesztése és feldolgozása során keletkező melléktermékek hasznosítására (Novel approaches of utilisation of by-products of corn cultivation and processing, 2008) and 2) Barta Zs: Experimental and techno-economic approaches in improvement of the lignocellulosic-ethanol process (2011), respectively.
The main questions of the five research topics are the following:
1A. Fractionation with ionic liquids
What is the relation between the circumstances of dissolution-regeneration and polysaccharide conversion in enzymatic hydrolysis?
1B. Fractionation of corn fibre
Can selective arabinose separation be achieved? Which factors does arabinose recovery depend on?
2. Xylitol fermentation
What is the relation between the composition of carbon source and xylitol yield? What are the effects of pH and addition of co-substrates, such as glycerol, on fermentation efficiency?
3. Kinetic study of enzymatic hydrolysis
Is there a model reported in the literature, which can accurately describe enzymatic hydrolysis of lignocelluloses in wide ranges of certain parameters? What are the potential limitations? Can the boundaries identified be extended by model modifications?
4. Design of energy-efficient processes
How can be increased the energy efficiency of future lignocellulose-based biorefineries? What are the main factors?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The fundamental studies of this proposal will aid applied research and development, which aims at commercialisation of biorefinery processes. In this way the project contributes to the realization of important environmental-protection and sustainability goals.
Ionic liquids, often referred to as “green solvents”, have emerged into notice with regards to biomass fractionation recently. A large number of publications has been released in this topic, however, there are still many uncertainties about their efficient utilisation for biomass treatment. Corn fibre is a highly promising raw material for a biorefinery due to its favourable properties. If – based on the results of proposed fundamental research – a corn-fibre-based biorefinery process was developed on industrial scale, the choice of raw material would have many advantages: being an agro-industrial by-product, unlike energy crops, corn fibre does not require energy for cultivation, harvesting and transport; it is homogenously produced in a certain spot – in the corn wet milling plant. In the biochemical way of biomass processing, effective enzymatic hydrolysis and low process energy demand are also key issues. Kinetic model development of enzymatic hydrolysis provides a deeper insight into this process step. Sustainable biomass conversion has to be energy efficient, which can be achieved by decreasing the process energy demand.
The project also includes the scientific training of PhD and undergraduate students. The results are planned to be published in leading scientific journals of the field, in conferences and in three doctoral theses.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Biorefinery concept describes a complex process, in which biomass (plant materials, algae, organic residues) is simultaneously and entirely converted into into fuels, power and/or heat, value-added chemicals. This concept offers a great potential for valorisation and long-term sustainability of biomass utilisation, hence it is in accordance with the directives of European Union. If agricultural and agro-industrial by-products (e.g. corn stover and corn fibre, respectively) are used as raw materials, there is not any extra energy demand for cultivation and harvesting; unlike in case of energy crops. However, the know-how and the majority of technologies are not available yet to develop efficient biorefinery processes. In the proposed research, fundamentals of the following process steps of a future biorefinery are to be investigated: biomass fractionation, xylitol fermentation, enzymatic hydrolysis. Biomass fractionation refers to chemical and biochemical separation of biomass components. Xylitol is used as sugar replacement due to its favourable properties, and in the current project it is produced in microbial process, called fermentation. The plant materials contain significant amount of sugars, which can be converted into different kinds of products, however, the sugar molecules are bound to each other. If enzymes disconnect the sugar molecules, the process is referred to as enzymatic hydrolysis. Since reducing the energy demand is a key issue with regards to viability of biorefinery processes, computer-aided calculations will also be performed within the project to decrease the process heat demand.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Különböző növényi biomassza anyagokat (kukoricarost, kukoricaszár, búzaszalma, cukorcirok bagasz, lucfenyő, vízi jácint) vettünk figyelembe, mint biofinomító folyamatok lehetséges nyersanyagait. Kétlépcsős savas frakcionálást írtunk le, mellyel a) glükózban és arabinózban gazdag, illetve b) xilózban gazdag hidrolizátumok nyerhetőek. Olyan integrált eljárást dolgoztunk ki, amely során a glükózban és arabinózban gazdag hidrolizátumot élesztőtörzsekkel biotisztítottuk eltávolítva a glükózt az arabinóz mellől, és a képződő sejttömeget xilit fermentációban inokulumként használtuk fel. Ezzel olyan biofinomító eljárást alapoztunk meg, amely meghatározott élesztőtörzsek többrétű, arabinóz biotisztító és xilit fermentáló működésén alapul. Folyamatszimulációval igazoltuk, hogy az előkezelés/frakcionálás során alkalmazott szárazanyag koncentrációnak nagy hatása van a teljes folyamat hőigényére. Azt a lehető legnagyobb értéket célszerű beállítani, mely még nem eredményezi a felszabaduló cukrok degradációját. Az enzimes hidrolízis során alkalmazott szárazanyag koncentráció szintén fontos ahhoz, hogy a kapott cukor koncentráció nagy legyen, mely elengedhetetlen a nagy etanol koncentráció eléréséhez az enzimes hidrolízist követő fermentációban. Emellett néhány lehetséges biofinomító folyamat megvalósíthatóságát is igazoltuk.
Results in English
Different plant biomasses (corn fibre, corn stover, wheat straw, sugarcane bagasse, spruce, water hyacinth) were considered as potential feedstock of biorefinery processes. Two-step acidic fractionation of corn fibre was described to produce a) glucose- and arabinose-rich and b) xylose-rich hydrolysates. An integrated process of arabinose biopurification on the glucose- and arabinose-rich hydrolysate and xylitol fermentation on the xylose-rich hydrolysate using yeast strains was introduced, in which cell mass produced in arabinose biopurification was used as inoculum in the xylitol fermentation. Hence, a biorefinery process of hemicellulosic hydrolysates was developed based on the diverse action of some yeast strains to purify arabinose and produce xylitol. The process modelling revealed that the dry matter content applied in the pretreatment/fractionation step had a high impact on the heat duty of the whole process. It should be increased to the greatest extent possible, however, the sugar loss in the pretreatment caused by the increased dry matter content must be avoided. The dry matter content of the enzymatic hydrolysis was also important, since at higher dry matter content higher sugar concentrations might be obtained, which was inevitable to achieve high ethanol titre in the subsequent fermentation. We also proved the techno-economic viability of some potential biorefinery processes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108389
Decision
Yes





 

List of publications

  
Fehér Cs: Investigation of corn fibre utilisation in biorefinery approach, BME-OMIKK, 2015
Johanna Olofsson, Zsolt Barta, Pål Börjesson, Ola Wallberg: Integrating enzyme fermentation in lignocellulosic ethanol production – Life cycle assessment and techno-economic analysis, Biotechnology for Biofuels, accepted for publication, 2017
Fehér A, Fehér Cs, Barta Zs: Combined approaches of xylose production from corn stover by dilute acid hydrolysis, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, accepted for publication, 2017
Rajesh S Kempegowda, Zsolt Barta, Øyvind Skreiberg, Liang Wang: Value chain analysis of biocarbon utilisation in residential pellet stoves, CHEM ENG TR 50: (1) 7-12, 2016
Barta-Rajnai Eszter, Jakab Emma, Sebestyén Zoltán, May Zoltán, Barta Zsolt, Wang Liang, Skreiberg Oyvind, Gronli Morten, Bozi János, Czégény Zsuzsanna: Comprehensive compositional study of torrefied wood and herbaceous materials by chemical analysis and thermoanalytical methods, ENERG FUEL 30: (10) 8019-8030, 2016
Feni Amriani, Fatimah Agus Salim, Iriany Iskandinata, Darin Khumsupan, Zsolt Barta: Physical and Biophysical Pretreatment of Water Hyacinth Biomass for Cellulase Enzyme Production, CHEM BIOCHEM ENG Q 30: (2) 237-244, 2016
Fehér Csaba, Barta Zsolt, Réczey Istvánné: Az L-arabinóz felhasználásának lehetőségei és az arabinanolitikus enzimek tulajdonságai, MAGY KEM LAP 69: (1) 7-12, 2014
Mareczky Zoltán, Fehér Csaba, Barta Zsolt, Réczey Istvánné: Xilit fermentációs előállítása lignocellulózokból, MAGY KEM LAP LXIX: (3) 74-78, 2014
Fehér Cs; Gazsó Z; Tatijarern P; Molnár M; Barta Zs; Réczey K: Investigation of selective arabinose release from corn fibre by acid hydrolysis under mild conditions, J Chem Technol Biotechnol, "in press", 2014
Fehér Cs; Gazsó Z; Barta Zs; Réczey K: Arabinose, xylitol and ethanol production from corn fibre in a biorefinery process based on the diverse action of Candida boidinii, 10th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries Proceedings, 2014
Fehér Cs; Gál B; Fehér A; Barta Zs; Réczey K: Investigation of commercial enzyme preparations for selective release of arabinose from corn fibre, J Chem Technol Biotechnol, "in press", 2014
Németh M; Varga Á; Cselovszki L; Fehér Cs; Barta Zs: Investigation of xylitol fermentation in a pilot fermentor, MŰSZAKI KÉMIAI NAPOK’14, 2014
Fehér Cs; Gazsó Z; Tatijarern P; Molnár M; Barta Zs; Réczey K: Investigation of selective arabinose release from corn fibre by acid hydrolysis under mild conditions, J Chem Technol Biotechnol, 90: (5) pp. 896-906, 2015
Fehér Cs; Gál B; Fehér A; Barta Zs; Réczey K: Investigation of commercial enzyme preparations for selective release of arabinose from corn fibre, J Chem Technol Biotechnol, 90: (7) pp. 1329-1337, 2015
Csaba Fehér, Boglárka Gál, Zita Gazsó, Zsolt Barta: Complex utilisation of corn fibre, Cereals & Europe Spring Meeting, 2015
Cs. Fehér, B. Gál, Zs. Barta: Investigation of yeast-mediated biopurification of arabinose and xylitol fermentation on hemicellulosic hydrolysate, 11th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries Proceedings, 2015
Csaba Fehér, Zita Gazsó, Boglárka Gál, Anett Kontra, Zsolt Barta, Kati Réczey: Integrated process of arabinose biopurification and xylitol fermentation based on the diverse action of Candida boidinii, Chem. Biochem. Eng. Q., 29 (4) 587–597, 2015
Mareczky Z., Fehér A., Fehér Cs., Barta Zs., Réczey K.: Effects of pH and Aeration Conditions on Xylitol Production by Candida and Hansenula Yeasts, Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 60 (1), 54-59, 2016
Ádám Tűri, Boglárka Gál, Zoltán Mareczky, Csaba Fehér, Zsolt Barta: Fermentative production of xylitol in a pilot fermentor, 37th Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, 2015
Gubicza K., Nieves I.U., Sagues W.J., Barta Zs., Shanmugam K.T., Ingram L.O.: Techno-economic analysis of ethanol production from sugarcane bagasse using a Liquefaction plus Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation process, Bioresource Technology, 208 (2016) 42–48, 2016
Fehér Csaba, Barta Zsolt, Réczey Istvánné: Az L-arabinóz felhasználásának lehetőségei és az arabinanolitikus enzimek tulajdonságai, MAGY KEM LAP 69: (1) 7-12, 2014



Back »