CSBE-SCGAB

The effect of superheated steam pre-treatment of wheat straw on fermentation.

Authors: Mirhosseini, S., D. Barchyn, V.B. Agbor, D.B. Levin and S. Cenkowski.
Description: Biomass recalcitrance to bioconversion for microbial production of fuels and co-products is directly related to the structure and composition of lignocellulosic biomass. The effect of superheated steam (SS) pre-treatment on biomass fermentation by Clostridium thermocellum was investigated. Wheat straw was ground to < 355 µm and exposed to three methods of pre-treatment of various severities: i) soaking in 119 °C boiling water (BW) under absolute pressure of 193 kPa for 15 minutes, which corresponded to a severity factor of 1.73; ii) processing with SS at atmospheric pressure for 15 minutes; and at 180, 200 and 220° C, which corresponded to a severity factor ranging from 3.53 to 4.70 and iii) soaking in 119°C BW under absolute pressure of 193 kPa for 15 minutes, followed by processing with SS at atmospheric pressure at 180, 200, and 220 °C, with a corresponding severity factor of 5.26 to 6.44. Processing with SS was conducted at three temperatures: 180, 200, and 220 °C. The intensity of pre-treatment was expressed through a ‘treatment severity factor’. Wheat straw samples were then used as substrates in fermentation reactions with C. thermocellum. The most pronounced effects were observed at the highest severity of 6.44, corresponding to treatment in BW followed by SS at 220°C. This resulted in structural changes in the material reflected in an increased ‘contribution of amorphous cellulose’ (CAC) of 22%, an increase of hydrogen production of 94.2%, an increase of carbon dioxide production of 221.5% and a 160% increase in ethanol production. The combinatorial effect of BW and SS pre-treatment was more effective in improving substrate conversion than either BW or SS pre-treatment alone.
Keywords: Biomass structure, pre-treatment, contribution of amorphous cellulose, superheated steam, hydrogen, ethanol, cellulose fermentation, Clostridium therm
Résumé: La résistance de la biomasse à la bioconversion pour la production microbienne de carburants et de coproduits est directement liée à la structure et la composition de la biomasse lignocellulosique. L’effet d’un traitement à la vapeur surchauffée (SS) sur la fermentation de la biomasse par le Clostridium thermocellum a été étudié. De la paille de blé a été moulue en particules < 355 µm, et a été soumise à trois méthodes de prétraitement d’intensités différentes : i) trempage pendant 15 minutes dans de l’eau bouillante à 119 °C (BW) sous une pression absolue de 193 kPa, correspondant à un facteur d’intensité de 1,73; ii) traitement avec de la SS à la pression atmosphérique pour 15 minutes et à 180, 200 et 220 °C, correspondant à un facteur de sévérité variant entre 3,53 et 4,70, et iii) trempage à 119 °C BW sous une pression absolue de 193 kPa pour 15 minutes suivi par un traitement avec de la SS à la pression atmosphérique à 180, 200 et 220 °C pour des facteurs de sévérité variant entre 5,26 et 6,44. Le traitement avec de la SS a été réalisé à trois températures : 180, 200 et 220 °C. L’intensité du prétraitement était exprimée par un «facteur de sévérité du traitement». Les échantillons de paille de blé ont été ensuite utilisés comme substrat dans les réactions de fermentation avec le C. thermocellum. Les effets les plus importants ont été observés à la sévérité la plus élevée, soit 6,44, pour le traitement avec la BW suivi par la SS à 220 °C. Celui-ci produit des changements structuraux dans le matériau se traduisant en une augmentation de la «contribution de la cellulose amorphe» (CAC) de 22 %, une augmentation de la production d’hydrogène de 94,2 %, une augmentation de la production de dioxyde de carbone de 221,5 % et une augmentation de 160 % de la production d’éthanol. L’effet combiné du prétraitement de la BW et de la SS était plus efficace pour améliorer la conversion du substrat que le prétraitement de la BW fait seul ou celui de la SS.
Mots-clés: structure de la biomasse, prétraitement, contribution de la cellulose amorphe, vapeur surchauffée, hydrogène, éthanol, fermentation cellulosique, Clos
Technical field: Renewable Energy
Citation: Mirhosseini, S., D. Barchyn, V.B. Agbor, D.B. Levin and S. Cenkowski. 2016. The effect of superheated steam pre-treatment of wheat straw on fermentation. Canadian Biosystems Engineering 58: 8.9-8.17.
Volume: 58
Issue: 1
Start page number: 8.9
End page number: 8.17
Publisher: Canadian Society for Bioengineering / Société Canadienne de Génie Agroalimentaire et de Bioingénierie
Contributor: R. Sri Ranjan
Date: September 16, 2016
Publication type:
  • Journal
Type: Text.Article
Format: PDF
Identifier: C16259
Language 1: en
Language 2: fr
Rights: Canadian Society for Bioengineering / Société Canadienne de Génie Agroalimentaire et de Bioingénierie
Located in: Volume 58 (2016)

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