Как использовать лимонен в качестве биотоплива

Гергели Форгач a b Илона Сарвари Хорват b Клас Никлассон a Мохаммад Дж. Тахерзаде b

Показать больше Перейти вниз
Плюс

Добавить в Менделей

Делиться
Процитировано

Абстрактный

Исследовано производство этанола, биогаза, пектина и лимонена из цитрусовых отходов (КО) по интегрированному процессу. Гидролиз ХВ проводили разбавленно-кислотным способом в реакторе опытно-промышленной установки, оборудованном взрывным дренажем. Переменные гидролиза, включая температуру и время пребывания, были оптимизированы путем применения центральной композитной вращающейся экспериментальной схемы (CCRD). Наилучший выход сахара (0,41 г/г от суммы сухих КС) был получен при гидролизе разбавленной кислотой при 150 °С и времени пребывания 6 мин. В этих условиях была достигнута высокая солюбилизация пектина, присутствующего в КС, и 77,6% от общего содержания пектина в КС можно было восстановить путем извлечения растворителя. Степень этерификации и зольность полученного пектина составила 63,7% и 4,23% соответственно. Кроме того, лимонен из КС эффективно удалялся путем мгновенного испарения гидролизатов в расширительный бак. Сахара, присутствующие в гидролизатах, были преобразованы в этанол с использованием пекарских дрожжей, при этом был получен выход этанола 0,43 г/г сбраживаемых сахаров. Затем барду и оставшиеся твердые вещества гидролизованных КС подвергали анаэробному сбраживанию с получением биогаза. Таким образом, из одной тонны CW с 20% сухого веса получается 39,64 л этанола, 45 м 3 метана, 8,9 л лимонена и 38,8 кг пектина.

Введение

Мировое производство цитрусовых составляет более 88 миллионов тонн в год (Marin et al., 2007). Почти половина этих фруктов выжимается до сока, а остальная часть, включая кожуру, мембраны сегментов и другие побочные продукты, считается цитрусовыми отходами (CW) (Wilkins et al., 2007a).Эти КС можно высушить и использовать в качестве сырья для экстракции пектина или гранулировать для кормления животных (Mamma et al., 2008). Тем не менее, большая часть ХО по-прежнему откладывается каждый год. Это отложение не приветствуется как по экономическим, так и по экологическим причинам, таким как высокие транспортные расходы, отсутствие мест захоронения и материалы для засыпки с высоким содержанием органических веществ (Tripodo et al., 2004).

CW содержат различные углеводные полимеры, что делает их интересными источниками для производства биогаза и этанола (Gunaseelan, 2004, Mizuki et al., 1990, Pourbafrani et al., 2007, Wilkins et al., 2007b). Основным препятствием для использования КС в качестве субстрата для производства биогаза является наличие в составе КС лимонена. Этот компонент очень токсичен для переваривающих микроорганизмов и снижает выход биогаза (Mizuki et al., 1990). Лимонен также является сильным ингибитором микроорганизмов при производстве этанола (Pourbafrani et al., 2007, Wilkins et al., 2007b). Следовательно, этот компонент должен быть отделен от КС до стадий переваривания или ферментации. Следует также отметить, что переваривающие бактерии могут гидролизовать углеводные полимеры в CW и в конечном итоге превращать их в биогаз, в то время как гидролиз ферментами или химическими веществами необходим для превращения этих полимеров в сахара, а затем ферментировать сахара, например, путем ферментации. пекарских дрожжей в этанол.

Два альтернативных способа получения этанола из КС, основанные на ферментативном гидролизе, были ранее внедрены (Stewart et al., 2005, Wilkins et al., 2007b). В первом варианте (Stewart et al., 2005) КС гидролизовали с помощью смеси ферментов (целлюлоза, пектиназа и β-глюкозидаза). Затем из гидролизата удаляли лимонен фильтрованием и из сбраживаемых сахаров получали этанол. Во втором варианте (Wilkins et al., 2007b) лимонен частично высвобождается при отгонке паром.Затем углеводные полимеры гидролизовали и ферментировали до этанола в процессе одновременного осахаривания и ферментации (SSF). В обоих вариантах несбраживаемые сахара и остатки твердых полимеров сушат для использования в качестве корма для скота (Stewart et al., 2005). Применение этих альтернатив сдерживается высокой стоимостью фермента и низкой скоростью реакции гидролиза (Grohmann et al., 1995). Кроме того, механическая предварительная обработка биомассы и высокая потребность в энергии в процессах дистилляции и сушки могут значительно увеличить стоимость процесса.

В качестве другой альтернативы можно рассматривать процесс, основанный на гидролизе КС в разбавленной кислоте (Grohmann et al., 1995, Talebnia et al., 2008). Однако данные ограничены лабораторными экспериментами, и трудно масштабировать процесс до промышленных масштабов. В обоих исследованиях (Grohmann et al., 1995, Talebnia et al., 2008) перед гидролизом использовалась механическая предварительная обработка, и эксперименты проводились при низком соотношении твердой и жидкой фаз (Grohmann et al., 1995). Кроме того, гидролиз в разбавленной кислоте показал низкий выход сахаров из углеводных полимеров.

Целью настоящей работы было внедрение нового процесса производства этанола и биогаза из ХО. КС был предварительно обработан взрывом разбавленной кислоты для гидролиза КС, а также для удаления лимонена. Полученную суспензию затем центрифугировали, жидкую часть ферментировали до этанола и перегоняли. Барда из дистилляционной колонны и оставшиеся твердые вещества смешивались и перерабатывались в биогаз. Для этого процесса была предложена промышленная конфигурация.

Фрагменты раздела

Состав цитрусовых отходов

КС, использованные в этой работе, представляли собой остатки апельсина, полученные на заводе по производству соков Brämhults (Борос, Швеция) и хранившиеся в замороженном виде при температуре -20 °C до использования. Общее сухое содержание КС определяли путем сушки при 110 °С в течение 48 ч и составило 20,00 ± 0,80 % мас./мас.Состав использованных в работе КС в процентах от сухого вещества: глюкоза 8,10 ± 0,46; фруктоза 12,00 ± 0,21; сахароза 2,80 ± 0,15; пектин 25,00 ± 1,20; белок 6,07 ± 0,10; целлюлоза 22,00 ± 1,95; гемицеллюлоза 11,09 ± 0,21; зольность 3,73 ± 0,20; лигнин 2,19 ± 0,04 и

Разбавленный кислотный гидролиз

Цитрусовые отходы от производства апельсинового сока гидролизовали серной кислотой с концентрацией 0,5 % по объему при 130–170 °C в течение 3–9 мин, и результаты суммированы в таблице 1. Максимальный выход сахара, 42,05 %, был достигнут при 150 °С и 6 мин. Однако более реалистичным значением является среднее значение результатов 9–13 опытов (табл. 1) с выходом сахара 41,33 ± 0,56 %. Повышение температуры и времени выше их оптимальных значений приводит к уменьшению общего количества выделившихся сахаров (табл. 1).

Вывод

В данной работе представлен новый процесс получения этанола, биогаза и лимонена из ХО. В зависимости от рынка и рентабельности процесса пектин может быть получен в качестве побочного продукта процесса. Простота процесса и низкая стоимость биомассы по сравнению с другими процессами получения этанола из лигноцеллюлозы делают этот процесс уникальным и выгодным. Однако для исследования прибыльности процесса необходимы дальнейшие экономические оптимизации.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Фонду Swedbank в Sjuhärad, Brämhults Juice AB и Ассоциации местных властей Sjuhärad (Швеция) за финансовую поддержку данной работы.