Advancing Lignocellulosic Biorefineries through Co-Production of Hemicellulosic Biopolymers and Bioenergy
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: This research project was conceived in the context of advancing a lignocellulosic
biorefinery for co-production of xylan biopolymers, bioethanol and electricity from two
agro-industrial materials, namely sugarcane residues (SCT) and aspen wood (AW). The
research was primarily designed to include two full-fledged experimental studies and one
techno-economic case study. Accordingly, two biomass pretreatment approaches,
namely: microwave-assisted pressurised hot water (MWA-PHW) and alkalinised steam
explosion pretreatment (ASEPT) methods were experimentally investigated for their
effect on the extraction of xylan from SCT and AW. Extraction experiments (via MWAPHW
and ASEPT) were conducted by varying temperatures between 165 – 205 ℃ and
retention times 3 - 22 min at test points identified using Central Composite Design (CCD)
as response surface methodology (RSM). Pretreatment conditions were intended for a
dual purpose: maximizing xylan extraction yield while simultaneously enhancing
cellulose digestibility.
Experimental results on xylan yield and cellulose digestibility were analysed using
ANOVA method to establish optimal conditions for significantly enhanced values.
Accordingly, under the MWA-PHW method, maximum xylan yields of 66 and 50%, and
highest cellulose digestibility of 78 and 74%, were respectively attained for AW at (195℃,
20 min) and SCT at (195 ℃, 15 min). Whereas maximum xylan yields of 51 and 24%, and
highest cellulose digestibility of 92 and 81%, were attained for SCT and AW respectively,
following their pretreatment under ASEPT at (204 ℃, 10 min). Under both methods, the
xylan extracts were predominantly non-monomeric with insignificant formation of
degradation products. This strongly suggested both MWA-PHW and ASEPT were viable
approaches for xylan extraction purposes. ANOVA results also revealed that temperature
was the dominant factor influencing the xylan yield and cellulose digestibility. The techno-economic case study was aimed at evaluating the economic viability of
the biorefinery for co-production of xylan biopolymers, bioethanol and electricity (i.e.
main-case scenario, MCS) against two benchmark processes, i.e. Base-case (BCS) and
Intermediate-case (ICS) scenarios, where only bioethanol and electricity are produced
from sugarcane residues (Basis: daily capacity of 1000 tons of dry biomass subjected to
ASEPT condition of 204 ℃ and 10 min). The study results showed that co-production of
xylan biopolymers substantially improved the economic performance of the main
biorefinery case (i.e. MCS) by lowering the selling price of ethanol against higher values
under the benchmark processes. A minimum hemicellulose selling price (MHSP) of 809
USD/ton of xylan co-product was determined by fixing ethanol selling price at 0.70 USD/L
(market price of ethanol in 2019); higher MHSP values certainly lead to further lower
prices. Minimum ethanol selling prices (MESP) under the MCS, BCS and ICS were
respectively estimated at 0.61, 0.95 and 0.81 USD/L, where the xylan price was assumed
at 1000 USD/ton (=> MCS). Even though the economic viability of the main biorefinery
case was significantly enhanced with co-production of xylan than without, this multiproduct
biorefinery complex was rendered rather energy-intensive as a result of such coproduction
scheme where the recovery of xylan biopolymers necessitated substantial
thermal and electrical energy demands. From environmental point of view, the coproduction
of xylan biopolymers along with bioethanol and electricity was shown to have
a positive contribution towards mitigating GHG emissions from fossil sources. The GHG
emissions savings under the MCS, BCS and ICS were estimated around 69, 64 and 65%
against gasoline as fossil baseline of 90 gCO2eq/MJ (RSB-Global), but there was only
marginal difference between the savings under the main biorefinery case and that under
the benchmark processes.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hierdie navorsingsprojek is ontwikkel in die konteks van die bevordering van ’n lignosellulosiese bioraffinadery vir ko-produksie van xilaanbiopolimere, bio-etanol en elektrisiteit uit twee agri-industriële materiale, naamlik suikerrietresidu’s (SCT) en espenhout (AW). Die navorsing is ontwerp rondom twee volledige eksperimentele studies en een tegno-ekonomiese gevallestudie. Dienooreenkomstig, is twee biomassa voorbehandelingbenaderings, naamlik mikrogolf-geassisteerde warm water onder druk (MWA-PHW) en gealkaliseerde stoomontploffing voorbehandeling (ASEPT) metodes eksperimenteel ondersoek vir hul effek op die ekstrahering van xilaan uit SCT en AW. Ekstraksie-ekperimente (via MWA-PHW en ASEPT) is uitgevoer deur temperature te varieer tussen 165 – 205 °C en retensietye tussen 3 – 22 min by toetspunte geïdentifiseer deur Sentrale Samestelling Ontwerp (CCD) as responsoppervlakmetodologie (RSM) te gebruik. Voorbehandelingskondisies is bedoel vir ’n tweeledige doel: maksimering van xilaanekstraksie-opbrengs terwyl sellulose verteerbaarheid gelyktydig verbeter word. Eksperimentele resultate op xilaanopbrengs en selluloseverteerbaarheid is geanaliseer deur ANOVA-metode te gebruik om optimale kondisie/s vir beduidende verbeteringswaardes te bepaal. Dienooreenkomstig, onder die MWA-PHW-metode, is maksimum xilaanopbrengs van 66 en 50%, en hoogste selluloseverteerbaarheid van 78 en 74%, onderskeidelik, verkry vir AW by (195 °C, 20 min) en SCT by (195 °C, 15 min). Maksimum xilaanopbrengste van 51 en 24%, en hoogste selluloseverteerbaarheid van 92 en 81%, is verkry vir SCT en AW onderskeidelik, na hul voorbehandeling onder ASEPT by (204 °C, 10 min). Onder beide metodes, was die xilaanekstraksies oorwegend niemonomeries met onbeduidende formasie van degradasie produkte daarvan. Hierdie stel sterk voor dat beide MWA-PHW en ASEPT lewensvatbare benaderings vir xilaanekstraksie doeleindes is. ANOVA-resultate het ook gewys dat temperatuur die hooffaktor is wat xilaanopbrengs en selluloseverteerbaarheid beïnvloed. Die tegno-ekonomiese gevallestudie het beoog om die ekonomiese lewensvatbaarheid van die bioraffinadery vir ko-produksie van xilaanbiopolimere, bioetanol en elektrisiteit (i.e. hoofgeval scenario, MCS) te evalueer teenoor twee standaardprosesse, i.e. Basis-geval (BCS) en Intermediêre-geval (ICS) scenario’s, waar slegs bio-etanol en elektrisiteit geproduseer word uit suikerrietresidu’s (Basis: daaglikse kapasiteit van 1000 ton droë biomassa onderwerp aan ASEPT-kondisie van 204 °C en 10 min). Die studie se resultate het getoon dat ko-produksie van xilaanbiopolimere die ekonomiese prestasie van die hoof-bioraffinaderygeval (i.e. MCS) substansieel verbeter, deur die verkoopsprys van etanol (teenoor hoër waardes onder die standaardprosesse) te verlaag. ’n Minimum hemisellulose-verkoopsprys (MHSP) van 809 USD/ton xilaan koproduk is vasgestel deur etanol se verkoopsprys teen 0.70 USD/L (markprys van etanol in 2019) vas te maak; hoër MHSP-waardes het verseker tot verdere laer pryse gelei. Minimum etanol verkoopspryse (MESP) onder die MCS, BCS en ICS is onderskeidelik beraam teen 0.61, 0.95 en 0.81 USD/L, waar die xilaanprys aangeneem is teen 1000 USD/ton (=> MCS). Selfs al is die ekonomiese lewensvatbaarheid van die hoofbioraffinadery beduidend verbeter met ko-produksie van xilaan as daarsonder, is hierdie multi-produk bioraffinaderykompleks bewys om energie-intensief te wees as ’n resultaat van so ’n ko-produksieskema waar die herwinning van xilaanbiopolimere substansiële termiese en elektriese energievereistes genoodsaak het. Uit omgewingsoogpunt, het die ko-produksie van xilaanbiopolimere saam met bio-etanol en elektrisiteit ’n positiewe bydrae gelewer tot die versagting van GHG-emissies uit fossielhulpbronne. Die GHG-emissiebesparing onder die MCS, BCS en ICS is beraam rondom 69, 64 en 65% teenoor petrol as fossielbasislyn van 90 gCO2eq/MJ (RSB-Global), maar daar was slegs ’n marginale verskil tussen die besparing onder die hoofbioraffinaderygeval en die onder die standaard prosesse.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hierdie navorsingsprojek is ontwikkel in die konteks van die bevordering van ’n lignosellulosiese bioraffinadery vir ko-produksie van xilaanbiopolimere, bio-etanol en elektrisiteit uit twee agri-industriële materiale, naamlik suikerrietresidu’s (SCT) en espenhout (AW). Die navorsing is ontwerp rondom twee volledige eksperimentele studies en een tegno-ekonomiese gevallestudie. Dienooreenkomstig, is twee biomassa voorbehandelingbenaderings, naamlik mikrogolf-geassisteerde warm water onder druk (MWA-PHW) en gealkaliseerde stoomontploffing voorbehandeling (ASEPT) metodes eksperimenteel ondersoek vir hul effek op die ekstrahering van xilaan uit SCT en AW. Ekstraksie-ekperimente (via MWA-PHW en ASEPT) is uitgevoer deur temperature te varieer tussen 165 – 205 °C en retensietye tussen 3 – 22 min by toetspunte geïdentifiseer deur Sentrale Samestelling Ontwerp (CCD) as responsoppervlakmetodologie (RSM) te gebruik. Voorbehandelingskondisies is bedoel vir ’n tweeledige doel: maksimering van xilaanekstraksie-opbrengs terwyl sellulose verteerbaarheid gelyktydig verbeter word. Eksperimentele resultate op xilaanopbrengs en selluloseverteerbaarheid is geanaliseer deur ANOVA-metode te gebruik om optimale kondisie/s vir beduidende verbeteringswaardes te bepaal. Dienooreenkomstig, onder die MWA-PHW-metode, is maksimum xilaanopbrengs van 66 en 50%, en hoogste selluloseverteerbaarheid van 78 en 74%, onderskeidelik, verkry vir AW by (195 °C, 20 min) en SCT by (195 °C, 15 min). Maksimum xilaanopbrengste van 51 en 24%, en hoogste selluloseverteerbaarheid van 92 en 81%, is verkry vir SCT en AW onderskeidelik, na hul voorbehandeling onder ASEPT by (204 °C, 10 min). Onder beide metodes, was die xilaanekstraksies oorwegend niemonomeries met onbeduidende formasie van degradasie produkte daarvan. Hierdie stel sterk voor dat beide MWA-PHW en ASEPT lewensvatbare benaderings vir xilaanekstraksie doeleindes is. ANOVA-resultate het ook gewys dat temperatuur die hooffaktor is wat xilaanopbrengs en selluloseverteerbaarheid beïnvloed. Die tegno-ekonomiese gevallestudie het beoog om die ekonomiese lewensvatbaarheid van die bioraffinadery vir ko-produksie van xilaanbiopolimere, bioetanol en elektrisiteit (i.e. hoofgeval scenario, MCS) te evalueer teenoor twee standaardprosesse, i.e. Basis-geval (BCS) en Intermediêre-geval (ICS) scenario’s, waar slegs bio-etanol en elektrisiteit geproduseer word uit suikerrietresidu’s (Basis: daaglikse kapasiteit van 1000 ton droë biomassa onderwerp aan ASEPT-kondisie van 204 °C en 10 min). Die studie se resultate het getoon dat ko-produksie van xilaanbiopolimere die ekonomiese prestasie van die hoof-bioraffinaderygeval (i.e. MCS) substansieel verbeter, deur die verkoopsprys van etanol (teenoor hoër waardes onder die standaardprosesse) te verlaag. ’n Minimum hemisellulose-verkoopsprys (MHSP) van 809 USD/ton xilaan koproduk is vasgestel deur etanol se verkoopsprys teen 0.70 USD/L (markprys van etanol in 2019) vas te maak; hoër MHSP-waardes het verseker tot verdere laer pryse gelei. Minimum etanol verkoopspryse (MESP) onder die MCS, BCS en ICS is onderskeidelik beraam teen 0.61, 0.95 en 0.81 USD/L, waar die xilaanprys aangeneem is teen 1000 USD/ton (=> MCS). Selfs al is die ekonomiese lewensvatbaarheid van die hoofbioraffinadery beduidend verbeter met ko-produksie van xilaan as daarsonder, is hierdie multi-produk bioraffinaderykompleks bewys om energie-intensief te wees as ’n resultaat van so ’n ko-produksieskema waar die herwinning van xilaanbiopolimere substansiële termiese en elektriese energievereistes genoodsaak het. Uit omgewingsoogpunt, het die ko-produksie van xilaanbiopolimere saam met bio-etanol en elektrisiteit ’n positiewe bydrae gelewer tot die versagting van GHG-emissies uit fossielhulpbronne. Die GHG-emissiebesparing onder die MCS, BCS en ICS is beraam rondom 69, 64 en 65% teenoor petrol as fossielbasislyn van 90 gCO2eq/MJ (RSB-Global), maar daar was slegs ’n marginale verskil tussen die besparing onder die hoofbioraffinaderygeval en die onder die standaard prosesse.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Lignocellulosic biorefineries, Lignocellulose, Biopolymers, Hemicellulosic biopolymers, Xylans, Biomass energy