Second generation bioethanol production from orange peel waste

Abstract

The present PhD thesis was aimed at assessing the feasibility of second generation bioethanol production from a few food-processing lignocellulosic residues. To this purpose, three residues (orange peel waste, olive pomace and grape pomace) were chemically characterized and orange peel waste (OPW) appeared to be the most promising matrix, the total fermentable sugars amounting up to about 48% of the dry matter. A novel lab-scale direct steam injection apparatus was used to perform an acid-catalyzed steam-explosion (ACSE) pretreatment of the selected matrix under four temperature-time conditions. The performance of the ACSE pretreatments was also compared with that of a conventional autoclave. ACSE pretreatments at 200 °C for 90 s and 180 °C for 150 s led to the highest pectin solubilization (about 73%) with a positive effect on the subsequent enzymatic hydrolysis step, performed with a commercial cellulase. The highest depolymerization yield (about 57%) was obtained from the solid pretreated at 180 °C for 150 s. The resulting hydrolyzate was efficiently fermented by the industrial strain S. cerevisiae F15 in the shaken-flask scale under repeated-batch conditions. To scale-up the previous results, a new ACSE trial at 180 °C for 90 s was performed by tripling the solid loading, and the entire process feasibility was assessed at the bench-reactor scale. On the basis of a mass balance including all the glucose and fructose (11.13% dm) released after pretreatment at 180 °C for 150 s at triple solid loading and the glucose freed after enzymatic hydrolysis (17.86% dm), and accounting for an overall ethanol yield of 41.5%, the overall process yield at the bench-reactor scale would amount to about 153 L bioethanol per metric ton dry OPW.

Questa tesi di dottorato ha l’obiettivo di verificare la fattibilità della produzione di bioetanolo di seconda generazione da scarti lignocellulosici di processamento degli alimenti. A tale scopo sono stati caratterizzati tre residui (pastazzo di arance, sansa di olive e vinacce) e il pastazzo è risultato essere la matrice più promettente, con un quantitativo di zuccheri fermentabili pari a circa il 48% del peso secco. Un pretrattamento di steam explosion del pastazzo è stato effettuato a diversi tempi e temperature utilizzando un prototipo ad iniezione di vapore su scala di laboratorio. La performance dei pretrattamenti di steam explosion è stata paragonata a quella di un’autoclave convenzionale. I pretrattamenti di steam explosion a 200 °C per 90 s e 180 °C per 150 s hanno portato alla massima solubilizzazione della pectina (circa il 73%) con un effetto positivo sulla successiva idrolisi enzimatica. La massima resa di depolimerizzazione (circa il 57%) è stata ottenuta con il solido pretrattato a 180 °C per 150 s. L’idrolizzato è stato fermentato efficientemente dal ceppo industriale S. cerevisiae F15 in beuta agitata in condizioni di batch ripetuto. Al fine di effettuare uno scale-up dei precedenti esperimenti, è stata effettuata una nuova prova a 180 °C per 150 s a triplo carico di solido, e la fattibilità dell’intero processo è stata valutata in reattore da banco. Sulla base di un bilancio di massa che include il glucosio e il fruttosio (11.13% del peso secco) rilasciati dopo pretrattamento a 180 °C per 150 s a triplo carico di solido, e il glucosio liberato dopo idrolisi enzimatica (17.85% del peso secco), e considerando una resa in etanolo del 41.5%, la resa complessiva del processo ammonterebbe a 153 L di etanolo per tonnellata di pastazzo secco.