Factors affecting biochemical composition of lignocellulosic biomass and its effect on selection of pretreatment method and on bioethanol production potential

Abstract

European Union has set a target of reaching 20% share of renewable energy in the overall energy production for the year 2020. This also includes that 10% of fuel used in transportation sector has to be produced from renewable resources. From different liquid biofuels, production of lignocellulosic bioethanol is emerging as a preferred option for transportation sector. In order to avoid the conflict between food versus fuel for lignocellulosic bioethanol production from available raw materials in Estonia, attention has to be turned towards utilization of agricultural residues, currently out of use agricultural land and to the utilization of biomass from semi-natural grasslands. This doctoral thesis focused on the investigation of the most suitable herbaceous biomass types and pretreatment methods for the utilization of lignocellulosic material for second generation bioethanol production in order to help to reach the target of 10% share of biofuels in transportation sector by 2020. By taking into account the ethanol yield, biomass yield and biomass availability, we can consider that the most suitable crops for bioethanol production in Estonia are Amur silver grass, hemp, wheat straw and floodplain meadow hay. In order to reach higher bioethanol production efficiencies at temperatures under 190°C, a new pretreatment method: “Nitrogen explosion pretreatment method for disruption of cellular structure of biomass” was developed in this work. N2 explosion pretreatment should be used in situations where moderate pretreatment conditions (130–190°C) are needed due to material or technological restrictions. If available biomass of wheat straw and floodplain meadow hay together with biomass of Amur silver grass and industrial hemp produced from unused agricultural lands would be used to produce bioethanol, it would make an annual bioethanol production of 149 100 tons (105 800 toe), which could replace 39.7% of gasoline consumption or up to 11.3% of overall liquid fuel consumption in Estonian transportation sector.

Euroopa Liit on seadnud eesmärgiks saavutada aastaks 2020 energiatootmises vähemalt 20%-ne taastuvenergia osakaal. Sealhulgas peab vähemalt 10% transpordisektoris kasutatud kütustest olema toodetud taastuvatest ressurssidest. Hoidmaks ära konflikti toidu- ja kütusetootmise vahel, tuleks kütusena kasutatava bioetanooli tootmiseks kasutada ainult põllumajanduses tekkivaid kõrvalsaadusi ja jäätmeid, poollooduslikelt rohumaadelt kogutud biomassi ning energiakultuure, mille kasvatamiseks võetakse kasutusse hetkel kasutusest väljas olevaid põllumaid. Töös uuriti Eesti klimaatilistes oludes kasvavate energiakultuuride ja poollooduslike rohumaade taimekoosluste potentsiaali bioetanooli tootmiseks, et kaasa aidata Eesti taastuvenergia eesmärkide täitmisele. Tulemustest selgus, et analüüsitud energiakultuuridest on suurima bioetanooli tootlikkusega nisupõhk, kiukanep, Amuuri siidpööris ja poollooduslikelt rohumaadelt kogutud biomass. Suurema bioetanooli tootlikkuse saavutamiseks eeltöötlemise temperatuuridel alla 190°C arendati doktoritöö käigus välja uudne biomassi eeltöötlusmeetod: „Lämmastiklõhkamismeetod biomassi rakustruktuuri lõhkumiseks“ (patenditaotlus P201400050), mis sobib kasutamiseks olukordades, kus materjali või tehnoloogiliste piirangute tõttu ei saa biomassi töötlemiseks kasutada kõrgeid temperatuure. Kui saadaolev nisupõhk ja poollooduslike rohumaade biomass rakendada bioetanooli tootmiseks ning lisaks võtta kasutusse osa aktiivsest kasutusest väljasolevatest põllumajandusmaadest Amuuri siidpöörise ja tööstusliku kanepi kasvatamiseks, siis vastavalt katsetulemustele oleks Eestis võimalik toota aastas ligikaudu 149 100 tonni bioetanooli (105 800 toe), mis võiks asendada 39.7% bensiini tarbimisest või kuni 11.3% üleüldisest vedelkütuste tarbimisest Eesti transpordisektoris.