The Production Of Third-Generation Bioethanol From Eucheuma Cottonii Using Dowex (TM) DR-G8
Eucheuma cottonii (EC) adalah sejenis makroalga merah yang dianggap sebagai biomass generasi ketiga, dan mengandungi karbohidrat dalam jumlah yang besar and boleh difermentasi secara mudah menjadi bioethanol. Sehingga kini, penggunaan asid pemangkin cecair telah dilaporkan untuk menukar karbohidr...
Saved in:
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis |
| Language: | English |
| Published: |
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://eprints.usm.my/41010/1/The_Production_Of_Third-Generation_Bioethanol_From_Eucheuma_Cottonii_Using_Dowex_%28TM%29_DR-G8.pdf http://eprints.usm.my/41010/ |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Summary: | Eucheuma cottonii (EC) adalah sejenis makroalga merah yang dianggap
sebagai biomass generasi ketiga, dan mengandungi karbohidrat dalam jumlah yang
besar and boleh difermentasi secara mudah menjadi bioethanol. Sehingga kini,
penggunaan asid pemangkin cecair telah dilaporkan untuk menukar karbohidrat
daripada pelbagai biomass kepada gula fermentasi melalui proses hidrolisis. Walau
bagaimanapun, asid pemangkin pepejal yang boleh diasingkan secara mudah dan
boleh diguna semula adalah dianggap penting dalam proses hidrolisis. Dalam kajian
ini, Dowex (TM) Dr-G8 telah diterokai sebagai pemangkin berpotensi buat kali
pertama bagi menghidrolisis karbohidrat daripada EC atau makroalga ekstrak (ME)
kepada gula sebelum proses fermentasi. Sebanyak 43.2% and 49.4 % hasil gula
optimum telah dicapai apabila dirawat dalam keadaan proses optimum iaitu bagi EC
(6 % w/v Dowex (TM) Dr-G8, 120 oC, 1 Jam) dan ME (8 % w/v Dowex (TM) Dr-G8,
120 ºC, 1 Jam) (49.4 %). Keputusan ini adalah lebih rendah apabila berbanding dengan
ME diguna sebagai bahan mentah. Kebolehgunaan Dowex (TM) Dr-G8 turut disiasat
dalam kajian ini, hasil galactose yang dikekalkan iaitu kira-kira 46.7% sehingga larian
kelima. Ini menunjukkan bahawa Dowex (TM) Dr-G8 tidak ketara dinyahaktifkan
walaupun selepas berulang kali digunakan. Selain itu, Dowex (TM) Dr-G8 digunakan
di proses prarawatan dijalankan untuk meningkat proses enzim bagi menukar MCR
menjadi gula. Dalam keadaan yang optimum (10 % (w/v) Dowex (TM)-Dr G8, 120
oC, and 30 min), hasil gula optimum sebanyak 99.8 % telah dicapai apabila MCR yang
dirawat (P-MCR) telah digunakan sebagai substrat untuk proses hidrolisis enzim
selepas 30 jam. Di samping itu, satu konsep yang baru untuk mensintesis matriks
polimer hibrid yang stabil telah dijalankan dalam kajian ini. Kajian ini telah
mengimobilisasi enzim di κ-carrageenan dengan meggunakan kaedah kovalen melalui
polyethyleneimine and glutaraldehid. Imobilisasi enzim itu telah digunakan untuk
menghidrolisis P-MCR untuk menghasilkan gula yang sebanyak 73.4 %. Apabila asid
hidrolisat yang mengandungi 35 g/L galaktosa telah difermentasi dengan jumlah yis
yang sebanyak 16.0 g/L, nilai optimum boleh mencapai sebanyak11.63 g/L (64.6 %
daripada nilai teori) selepas 72 jam. Bioetanol hasil daripada proses PSSF
(prahidrolisis dan saccharification serentak dan penapaian) diperhatikan lebih
berkesan daripada proses SHF (hidrolisis berasingan dan penapaian) yang menghasil
bioetanol sebanyak 5.80 mg/mL (hasil teori sebanyak 91 %). Peningkatan jumlah
proses SHF yang menggunakan acid hydrolysate telah dijalankan di 5 L fermenter
telah menghasilkan sebanyak 61.6 % bioetanol, di mana dalam kajian proses PSSF
telah dijalankan di 5 L fermenter dengan syarat-syarat yang optima menghasilkan
sebanyak 87.1 % bioetanol adalah hampir sama seperti proses yang menggunakan
kelalang kon. Keputusan ini menunjukkan bahawa proses penapaian menggunakan
makroalga biomass boleh dipertingkatkan kepada jumlah besar dalam fermenter tanpa
menjejaskan prestasinya. Anggaran kos bagi penghasilan bioetanol dengan makroalga
adalah sebanyak 0.77 USD $/L. Berbanding dengan biomass yang lain, kos
penghasilan bioetanol daripada makroalga dapat bersaing dari segi ekonomi. Penilaian
kitar hayat (LCA) dan analisis exergy berasaskan makroalga-bioetanol telah
dijalankan. Keputusan menunjukkan bahawa permurnian bioetanol (S6) didapati
mempunyai kesan yang tertinggi dalam semua kategori kesan yang dipertimbangkan.
Teknologi yang dicadangkan dalam kajian ini menggunakan asid pemangkin pepejal
didapati sesuai untuk menghasilakan bioetanol dari EC.
________________________________________________________________________________________________________________________
The red macroalgae, Eucheuma cottonii (EC) is a third-generation biomass,
and it contains large amount of carbohydrate that can be readily fermented into
bioethanol. Up to now, the use of the liquid acid-catalyst have been reported for the
hydrolysis of carbohydrates from various biomass to fermentable sugar. However, the
need of easily separable and reusable solid acid catalyst is considered essential in the
hydrolysis process. In this study, for the first time, Dowex (TM) Dr-G8 was explored
as a potential solid catalyst to hydrolyze carbohydrates from dried raw EC or
macroalgae extract (ME) and pretreatment of macroalgae cellulosic residue (MCR), to
simple reducing sugar prior to the fermentation process. The reaction condition for
hydrolysis of EC (6 % w/v Dowex (TM) Dr-G8, 120 ºC, 1 h) and ME (8 % w/v Dowex
(TM) Dr-G8, 120 ºC, 1 h) resulted to a galactose yield of 43.2 % and 49.4 %,
respectively. This result was slightly lower compared with the feedstock by using ME.
However as for MCR, the solid acid catalyst (Dowex (TM) Dr-G8) was used in the
pretreatment process to enhance enzymatic conversion of MCR to reducing sugar.
Reusability of Dowex (TM) Dr-G8 was also investigated in this study, the galactose
yield maintained at around 46.7 % till the fifth run. This shows that Dowex (TM) Dr-
G8 was not significantly deactivated even after repeated used. The pretreatment
condition for MCR is 10 % (w/v) Dowex (TM)-Dr G8, 120 oC, and 30 min. An
optimum sugar yield of 99.8 % was attained when pretreated MCR (P-MCR) was used
as substrate for enzymatic hydrolysis after 30 h. Catalyst recyclability study were
performed and a sixth-times reuse was accomplished without any loss of catalytic
activity. In addition, a novel concept for the synthesis of stable polymer hybrid matrix
was developed. In this study, glutaraldehyde crosslinked κ-carrageenan was used for
the immobilization of β-glucosidase using the covalent method via polyethyleneimine
and glutaraldehyde. The immobilized β-glucosidase was then used to hydrolyze PMCR
for the production of reducing sugar and a hydrolysis yield of 73.4% was
obtained. When a solid acid hydrolysate containing 35 g/L of galactose were fermented
with an inoculums amount of 16.0 g/L, an optimum bioethanol production of 11.63
g/L was achieved (64.6 % of the theoretical value) after 72 h. Bioethanol production
by PSSF (prehydrolysis and simultaneous saccharification and fermentation) process
was observed to be more effective than the SHF (separate hydrolysis and fermentation)
process, producing 5.80 mg/mL of bioethanol, with a theoretical yield of 91 %. Scale
up of SHF of solid acid hydrolysate was carried out in a 5 L fermenter resulting to
61.6 % of bioethanol yield, while scale up study of PSSF process was carried out in a
5 L fermenter conducted with optimized conditions resulting to 87.1 % of bioethanol
yield, which is almost the same as in shaking flasks. This result indicated that the
fermentation process using macroalgae biomass could be easily scaled-up to large
fermenter without compromising its performance. On the other hand, the estimated
bioethanol production cost using macroalgae was 0.77 USD $/L. Compared to other
feedstocks, bioethanol production cost from macroalgae are competitive and
economically viable. A consequential life cycle assessment (LCA) and exergy analysis
of macroalgae-based bioethanol were performed. Results suggested that the
purification of bioethanol (S6) is found to have the highest impact in all the impact
categories considered. The proposed technology in this study using solid acid catalyst
was found feasible for the production of bioethanol from EC.
|
|---|