Giải phóng Polysaccharide trong Quá Trình Tiền Xử Lý Thủy Nhiệt Quy Mô Phòng Thí Nghiệm của Rơm Lúa Mỳ Dưới Điều Kiện Isothermal Nghiêm Ngặt
Tóm tắt
Quá trình tiền xử lý thủy nhiệt (HP) là một phương pháp thân thiện với môi trường để phân hủy sinh học lignocellulose (LCB), đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính khả thi kinh tế của việc sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc sản phẩm sinh học trong một nhà máy sinh học. Ở quy mô phòng thí nghiệm, HP thường được thực hiện dưới các chế độ không đồng nhất với kiểm soát nhiệt độ kém. Ngược lại, HP thường được thực hiện dưới điều kiện đồng nhất ở quy mô thương mại. Do đó, có sự khác biệt đáng kể trong các giá trị giải phóng polysaccharide được tìm thấy trong tài liệu. Vì vậy, dữ liệu HP quy mô phòng thí nghiệm không đáng tin cậy nếu cần mở rộng quy mô hoặc điều chỉnh HP ở quy mô lớn hơn. Bài viết này trình bày kết quả của quá trình HP lô quy mô phòng thí nghiệm đối với rơm lúa mì theo các chỉ số giải phóng xylan và glucan, được thu được với việc kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt dưới các điều kiện đồng nhất trong giai đoạn phản ứng. Các giai đoạn gia nhiệt và làm nguội được thực hiện với tốc độ nhanh (43 và -40 °C/phút, tương ứng), giảm thiểu thời gian phản ứng không đồng nhất. Do đó, kết quả giải phóng polysaccharide có thể được liên kết hoàn toàn với giai đoạn phản ứng đồng nhất và có thể được coi là một nguồn thông tin đáng tin cậy cho HP ở quy mô thương mại. Lượng xylan giải phóng cao nhất là 4.8 g/L hoặc 43% đạt được ở 180 °C và 20 phút, trong khi lượng glucan giải phóng đạt tối đa là 1.2 g/L hoặc 5.5% ở 160 °C/180 °C và 30 phút.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Ilanidis, D., Stagge, S., Jonsson, L.J., and Martin, C. (2021). Hydrothermal pretreatment of wheat straw: Effects of temperature and acidity on byproduct formation and inhibition of enzymatic hydrolysis and ethanolic fermentation. Agronomy, 11.
Mandavgane, S.A., and Kulkarni, B.D. (2020). Wheat Straw Valorization: Material Balance and Biorefinery Approach. Biorefinery Production Technologies for Chemicals and Energy, John Wiley & Sons.
Zhang, J., Zhou, H., Liu, D., and Zhao, X. (2020). Pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient enzymatic saccharification of cellulose. Lignocellulosic Biomass to Liquid Biofuels, Elsevier.
Ruiz, 2020, Engineering aspects of hydrothermal pretreatment: From batch to continuous operation, scale-up and pilot reactor under biorefinery concept, Bioresour. Technol., 299, 122685, 10.1016/j.biortech.2019.122685
Parra, 2017, Role of Steam Explosion on Enzymatic Digestibility, Xylan Extraction, and Lignin Release of Lignocellulosic Biomass, ACS Sustain. Chem. Eng., 5, 5234, 10.1021/acssuschemeng.7b00580
Baruah, 2018, Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products, Front. Energy Res., 6, 141, 10.3389/fenrg.2018.00141
Chen, 2018, The effects of time and temperature in hydrothermal pretreatment on the enzymatic efficiency of wheat straw, BioRes., 13, 5193, 10.15376/biores.13.3.5193-5203
Steinbach, 2017, Pretreatment technologies of lignocellulosic biomass in water in view of furfural and 5- hydroxymethylfurfural production-a review, Biomass Conv. Bioref., 7, 247, 10.1007/s13399-017-0243-0
Freitas, 2019, Xylooligosaccharides production process from lignocellulosic biomass and bioactive effects, Bioact. Carbohydr. Diet. Fibre, 18, 100184, 10.1016/j.bcdf.2019.100184
Capetti, 2021, Recent advances in the enzymatic production and applications of xylooligosaccharides, World J. Microb. Biotechnol., 37, 169, 10.1007/s11274-021-03139-7
Sidiras, 2011, Simulation and optimization of batch autohydrolysis of wheat straw to monosaccharides and oligosaccharides, Bioresour. Technol., 102, 10486, 10.1016/j.biortech.2011.08.059
Ruiz, 2012, Kinetic modeling of enzymatic saccharification using wheat straw pretreated under autohydrolysis and organosolv process, Ind. Crops. Prod., 36, 100, 10.1016/j.indcrop.2011.08.014
Duarte, 2015, Biorefining strategy for maximal monosaccharide recovery from three different feedstocks: Eucalyptus residues, wheat straw and olive tree pruning, Bioresour. Technol., 183, 203, 10.1016/j.biortech.2015.01.136
Rossberg, 2014, Pulp properties resulting from different pretreatments of wheat straw and their influence on enzymatic hydrolysis rate, Bioresour. Technol., 169, 206, 10.1016/j.biortech.2014.06.100
Prunescu, 2015, Dynamic modeling and validation of a biomass hydrothermal pretreatment process-a demonstration scale study, AIChE J., 61, 4235, 10.1002/aic.14954
Rodriguez, 2019, Xylooligosaccharides production from lignocellulosic biomass using a pilot-scale pretreatment continuous tubular reactor: Modelling and experimental validation, Ind. Crops Prod., 134, 62, 10.1016/j.indcrop.2019.03.058
Makishima, 2009, Development of continuous flow type hydrothermal reactor for hemicellulose fraction recovery from corncob, Bioresour. Technol., 100, 2842, 10.1016/j.biortech.2008.12.023
Sievers, 2018, Modeling residence-time distribution in horizontal screw hydrolysis reactors, Chem. Eng. Sci., 175, 396, 10.1016/j.ces.2017.10.012
Jaramillo, 2018, Mass Flow Dynamic Modeling and Residence Time Control of a Continuous Tubular Reactor for Biomass Pretreatment, ACS Sustain. Chem. Eng., 6, 8570, 10.1021/acssuschemeng.8b00882
Yue, 2022, Hydrothermal pretreatment for the production of oligosaccharides: A review, Bioresour. Technol., 343, 126075, 10.1016/j.biortech.2021.126075
Ruiz, 2021, Severity factor kinetic model as a strategic parameter of hydrothermal processing (steam explosion and liquid hot water) for biomass fractionation under biorefinery concept, Bioresour. Technol., 342, 125961, 10.1016/j.biortech.2021.125961
Ilanidis, 2021, Effects of operational conditions on auto-catalyzed and sulfuric-acid-catalyzed hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse at different severity factor, Ind. Crops Prod., 159, 113077, 10.1016/j.indcrop.2020.113077
Yu, 2012, A real explosion: The requirement of steam explosion pretreatment, Bioresour. Technol., 121, 335, 10.1016/j.biortech.2012.06.055
Conrad, 2019, Design of an industrial autohydrolysis pretreatment plant for annual lignocellulose, Biomass Conv. Bioref., 11, 2293, 10.1007/s13399-019-00479-1
Adney, W.S., McMillan, J.D., Mielenz, J., and Klasson, K.T. (2008). Thermal Effects on Hydrothermal Biomass Liquefaction. Biotechnology for Fuels and Chemicals, Humana Press.
Yu, 2017, Cellulose, xylan and lignin interactions during pyrolysis of lignocellulosic biomass, Fuel, 191, 140, 10.1016/j.fuel.2016.11.057
Trajano, 2013, Comparison of the effectiveness of a fluidized sand bath and a steam chamber for reactor heating, Ind. Eng. Chem. Res., 52, 4932, 10.1021/ie301869a
Shi, 2011, Comparison of microwaves to fluidized sand baths for heating tubular reactors for hydrothermal and dilute acid batch pretreatment of corn stover, Bioresour. Technol., 102, 5952, 10.1016/j.biortech.2011.03.027
Carvalheiro, 2008, Wheat straw autohydrolysis: Process optimization and products characterization. Appl, Biochem. Biotechnol., 153, 84, 10.1007/s12010-008-8448-0
Papa, 2020, The effect of continuous tubular reactor technologies on the pretreatment of lignocellulosic biomass at pilot-scale for bioethanol production, RSC Adv., 10, 8147
Gonzalez-Rios, J.A., Valle-Pérez, A.U., and Amaya-Delgado, L. (2021). A quick fed-batch saccharification strategy of wheat straw at high solid loadings improving lignocellulosic ethanol productivity. Biomass Conv. Bioref., 1–13.
Rodriguez, 2021, Co-production of ethanol-hydrogen by genetically engineered Escherichia coli in sustainable biorefineries for lignocellulosic ethanol production, Chem. Eng. J., 406, 126829, 10.1016/j.cej.2020.126829
Papa, 2019, Pilot-scale hydrothermal pretreatment and optimized saccharification enables bisabolene production from multiple feedstocks, Green Chem., 21, 3152, 10.1039/C9GC00323A
Sluiter, A., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., and Templeton, D. (2008). Determination of extractives in biomass. Technical Report, NREL.
Sanchez, 2014, The impact of particle size and initial solid loading on thermochemical pretreatment of wheat straw for improving sugar recovery, Bioprocess. Biosyst. Eng., 37, 1427, 10.1007/s00449-013-1115-z