• Energy Research
• 2. Zero hunger close

This work presents new data on the life cycle impact assessment of various lignocellulosic biomass types in Mexico. A comparative life cycle assessment model of biomass densification systems was conducted. An integrated approach that incorporated various process variables, such as technology and variations in feed properties, within the analysis was employed to evaluate the environmental impact of producing 1 MJ of energy-containing densified fuel. The results show that the densification unit and curing (fuel drying) have the highest impact on the life cycle’s operational energy and the total life cycle energy, respectively. Of all the 33 biomass types from the 17 species sources considered in this study, sweet sorghum and sandbur grass have the highest global warming potential, 0.26 and 0.24 (kg CO2-eq), and human toxicity 0.58 and 0.53 (kg 1,4-dichlorobenzene-eq), respectively, while coffee pulp and cooperi pine wood have the least impact in both categories, with values of 0.08 and 0.09 (kg CO2-eq), and 0.17 and 0.16 (kg 1,4-dichlorobenzene-eq), respectively. Chichicaxtla sawmill slabs also have a low environmental impact, and cooperi pine and Ceiba wood have the lowest ozone depletion and ecotoxicity potential. A sensitivity analysis indicated the effects of the transportation system and energy source on the life cycle’s environmental impact. Adequate feed preparation, the blending of multiple feeds in the optimum ratio, and the careful selection of densification technology could improve the environmental performance of densifying some of the low-bulk-density feed biomass types.

Le pain est la deuxième denrée alimentaire la plus gaspillée au Royaume-Uni avec un gaspillage annuel de 292 000 tonnes. Dans le présent travail, les déchets de pain (BW) ont été utilisés pour la production fermentative d'éthanol par Saccharomyces cerevisiae KL17. La saccharification acide et enzymatique du BW a été réalisée, entraînant la libération de glucose la plus élevée de 75 et 97,9 g/L, soit 73,5 et 95,9% du rendement théorique, respectivement. Les sucres obtenus ont d'abord été fermentés en éthanol dans un ballon à secousses, puis mis à l'échelle dans un bioréacteur en mode batch et fed-batch. Dans le mode de culture fed-batch, les titres maximums en éthanol de 111,3, 106,9 et 114,9 g/L avec un rendement de conversion et une productivité de 0,48, 0,47 et 0,49 g/g et 3,1, 3,0 et 3,2 g/L.h ont été atteints à partir de glucose pur, d'hydrolysats acides riches en glucose et d'hydrolysats enzymatiques, respectivement. Pour améliorer davantage l'économie du processus, les résidus solides après hydrolyse acide (ABW) et enzymatique (EBW) de BW ainsi que les résidus de fermentation respectifs (FR) obtenus après la production d'éthanol ont été regroupés et soumis à une digestion anaérobie. Le résidu solide de ABW + FR et EBW + FR a donné un potentiel de méthanation biochimique (BMP) de 345 et 379 mL CH4/g VS, respectivement. L'évaluation du cycle de vie du processus a montré que les émissions totales pour la production d'éthanol à partir de BW étaient comparables aux émissions provenant de matières premières plus établies telles que la canne à sucre et les céréales de maïs et beaucoup plus faibles par rapport au blé et à la patate douce. Les travaux actuels démontrent que BW est une matière première prometteuse pour la production durable de biocarburants à l'aide d'une stratégie de bioraffinage circulaire. À la connaissance des auteurs, c'est la première fois qu'un tel système séquentiel a été étudié avec BW pour la production d'éthanol et de biométhane. D'autres travaux viseront la production d'éthanol à l'échelle pilote et le BMP sera accessible dans un digesteur anaérobie commercial. El pan es el segundo alimento más desperdiciado en el Reino Unido con un desperdicio anual de 292.000 toneladas. En el presente trabajo, Saccharomyces cerevisiae KL17 utilizó residuos de pan (BW) para la producción fermentativa de etanol. La sacarificación ácida y enzimática de BW se llevó a cabo dando como resultado la mayor liberación de glucosa de 75 y 97.9 g/L, que es 73.5 y 95.9% del rendimiento teórico, respectivamente. Los azúcares obtenidos se fermentaron en etanol inicialmente en un matraz de agitación, seguido de un aumento de escala en el biorreactor en modo por lotes y por lotes alimentados. En el modo de cultivo por lotes alimentados, las titulaciones máximas de etanol de 111.3, 106.9 y 114.9 g/L con rendimiento de conversión y productividad de 0.48, 0.47 y 0.49 g/g, y 3.1, 3.0 y 3.2 g/L.h se lograron a partir de glucosa pura, hidrolizados ácidos y enzimáticos ricos en glucosa, respectivamente. Además, para mejorar la economía del proceso, los residuos sólidos después de la hidrólisis ácida (ABW) y enzimática (EBW) de BW junto con los respectivos residuos de fermentación (FR) obtenidos después de la producción de etanol se agruparon y se sometieron a digestión anaeróbica. El residuo sólido de ABW + FR y EBW + FR produjo un potencial de metanización bioquímica (BMP) de 345 y 379 mL CH4/g VS, respectivamente. La evaluación del ciclo de vida del proceso mostró que las emisiones totales para la producción de etanol de BW eran comparables a las emisiones de materias primas más establecidas como la caña de azúcar y el grano de maíz y mucho menores en comparación con el trigo y la batata. El trabajo actual demuestra que el BW es una materia prima prometedora para la producción sostenible de biocombustibles con la ayuda de una estrategia circular de biorrefinado. Hasta donde saben los autores, esta es la primera vez que se ha investigado un sistema secuencial de este tipo con BW para la producción de etanol y biometano. Se trabajará más en la producción de etanol a escala piloto y se accederá a BMP en un digestor anaeróbico comercial. Bread is the second most wasted food in the UK with annual wastage of 292,000 tons. In the present work, bread waste (BW) was utilized for fermentative production of ethanol by Saccharomyces cerevisiae KL17. Acidic and enzymatic saccharification of BW was carried out resulting in the highest glucose release of 75 and 97.9 g/L which is 73.5 and 95.9% of theoretical yield, respectively. The obtained sugars were fermented into ethanol initially in shake flask followed by scale up in bioreactor in batch and fed-batch mode. In the fed-batch mode of cultivation, the maximum ethanol titers of 111.3, 106.9, and 114.9 g/L with conversion yield and productivity of 0.48, 0.47, and 0.49 g/g, and 3.1, 3.0, and 3.2 g/L.h was achieved from pure glucose, glucose-rich acidic and enzymatic hydrolysates, respectively. Further to improve the process economics, the solid residues after acidic (ABW) and enzymatic (EBW) hydrolysis of BW along with respective fermentation residues (FR) obtained after the ethanol production were pooled and subjected to anaerobic digestion. The solid residue from ABW + FR, and EBW + FR yielded a biochemical methanation potential (BMP) of 345 and 379 mL CH4/g VS, respectively. Life cycle assessment of the process showed that the total emissions for ethanol production from BW were comparable to the emissions from more established feedstocks such as sugarcane and maize grain and much lower when compared to wheat and sweet potato. The current work demonstrates BW as promising feedstock for sustainable biofuel production with the aid of circular biorefining strategy. To the authors knowledge, this is the first time, such a sequential system has been investigated with BW for ethanol and biomethane production. Further work will be aimed at ethanol production at pilot scale and BMP will be accessed in a commercial anaerobic digester. الخبز هو ثاني أكثر المواد الغذائية المهدرة في المملكة المتحدة مع هدر سنوي يبلغ 292000 طن. في العمل الحالي، تم استخدام نفايات الخبز (BW) للإنتاج التخميري للإيثانول بواسطة Sacaromyces cerevisiae KL17. تم إجراء التسكير الحمضي والإنزيمي للأسلحة البيولوجية مما أدى إلى أعلى إطلاق للجلوكوز يبلغ 75 و 97.9 جم/لتر وهو 73.5 و 95.9 ٪ من العائد النظري، على التوالي. تم تخمير السكريات التي تم الحصول عليها في الإيثانول في البداية في قارورة مخفوقة تليها زيادة في المفاعل الحيوي في وضع الدفعة والدفعة المغذية. في وضع الدفعات الغذائية للزراعة، تم تحقيق الحد الأقصى من تيترات الإيثانول 111.3 و 106.9 و 114.9 جم/لتر مع عائد تحويل وإنتاجية 0.48 و 0.47 و 0.49 جم/جم و 3.1 و 3.0 و 3.2 جم/لتر من الجلوكوز النقي والحمض الغني بالجلوكوز والحموض الأنزيمية، على التوالي. ولتحسين اقتصاديات العملية، تم تجميع المخلفات الصلبة بعد التحلل المائي الحمضي والإنزيمي للأسلحة البيولوجية جنبًا إلى جنب مع مخلفات التخمير ذات الصلة التي تم الحصول عليها بعد إنتاج الإيثانول وإخضاعها للهضم اللاهوائي. أسفرت المخلفات الصلبة من القنابل المضادة للدبابات + القنابل المقاومة للحريق، والقنابل المضادة للدبابات + القنابل المقاومة للحريق عن جهد ميثان كيميائي حيوي (BMP) قدره 345 و 379 مل من الميثان/جم مقابل، على التوالي. أظهر تقييم دورة حياة العملية أن إجمالي الانبعاثات لإنتاج الإيثانول من الأسلحة البيولوجية كانت قابلة للمقارنة مع الانبعاثات من المواد الأولية الأكثر رسوخًا مثل قصب السكر وحبوب الذرة وأقل بكثير بالمقارنة مع القمح والبطاطا الحلوة. يوضح العمل الحالي أن الأسلحة البيولوجية هي مادة وسيطة واعدة لإنتاج الوقود الحيوي المستدام بمساعدة استراتيجية التكرير الحيوي الدائرية. على حد علم المؤلفين، هذه هي المرة الأولى، وقد تم التحقيق في مثل هذا النظام المتسلسل مع الأسلحة البيولوجية لإنتاج الإيثانول والميثان الحيوي. سيهدف المزيد من العمل إلى إنتاج الإيثانول على نطاق تجريبي وسيتم الوصول إلى BMP في جهاز هضم لاهوائي تجاري.

According to the US Department of Energy, succinic acid (SA) is a top platform chemical that can be produced from biomass. Bread waste, which has high starch content, is the second most wasted food in the UK and can serve as a potential low cost feedstock for the production of SA. This work evaluates the environmental performance of a proposed biorefinery concept for SA production by fermentation of waste bread using a cradle-to-factory gate life cycle assessment approach. The performance was assessed in terms of greenhouse gas (GHG) emissions and non-renewable energy use (NREU). Waste bread fermentation demonstrated a better environmental profile compared to the fossil-based system, however, GHG emissions were about 50% higher as compared to processes using other biomass feedstocks such as corn wet mill or sorghum grains. NREU for fermentative SA production using waste bread was significantly lower (~ 46%) than fossil-based system and about the same as that of established biomass-based processes, thus proving the great potential of waste bread as a valuable feedstock for bioproduction of useful chemicals. The results show that steam and heating oil used in the process were the biggest contributors to the NREU and GHG emissions. Sensitivity analyses highlighted the importance of the solid biomass waste generated in the process which can potentially be used as fish feed. The LCA analysis can be used for targeted optimization of SA production from bread waste, thereby enabling the utilization of an otherwise waste stream and leading to the establishment of a circular economy.

El bagazo de caña de azúcar (SCB) es un residuo agrícola significativo generado por los ingenios azucareros a base de cultivo de caña de azúcar. La valorización del SCB rico en carbohidratos brinda la oportunidad de mejorar la rentabilidad de los ingenios azucareros con la producción simultánea de productos químicos de valor agregado, como el 2,3-butanodiol (BDO). BDO es una plataforma química prospectiva con multitud de aplicaciones y un enorme potencial de derivados. Este trabajo presenta el análisis tecnoeconómico y de rentabilidad para la producción fermentativa de BDO utilizando 96 TM de SCB por día. El estudio considera la operación de la planta en cinco escenarios que representan la biorrefinería anexa a un ingenio azucarero, unidades centralizadas y descentralizadas, y la conversión de solo xilosa o carbohidratos totales de SCB. Con base en el análisis, el coste neto unitario de producción de BDO en los diferentes escenarios osciló entre 1,13 y 2,28 US$/kg, mientras que el precio mínimo de venta varió entre 1,86 y 3,99 US$/kg. Se demostró que el uso de la fracción de hemicelulosa sola daba como resultado una planta económicamente viable; sin embargo, esto dependía de la condición de que la planta se anexara a un molino de azúcar que pudiera suministrar servicios públicos y la materia prima sin costo. Se predijo que una instalación independiente donde se adquirieron la materia prima y los servicios públicos sería económicamente factible con un valor actual neto de aproximadamente 72 millones de dólares estadounidenses, cuando se utilizaron fracciones de hemicelulosa y celulosa de SCB para la producción de BDO. También se realizó un análisis de sensibilidad para resaltar algunos parámetros clave que afectan la economía de la planta. La bagasse de canne à sucre (BSC) est un résidu agricole important généré par les sucreries à base de canne à sucre. La valorisation des SCB riches en glucides offre la possibilité d'améliorer la rentabilité des sucreries avec la production simultanée de produits chimiques à valeur ajoutée, tels que le 2,3-butanediol (BDO). BDO est une plate-forme chimique potentielle avec une multitude d'applications et un énorme potentiel de dérivés. Ce travail présente l'analyse technico-économique et de rentabilité pour la production fermentaire de BDO utilisant 96 MT de SCB par jour. L'étude considère le fonctionnement de l'usine dans cinq scénarios représentant la bioraffinerie annexée à une sucrerie, des unités centralisées et décentralisées, et la conversion uniquement du xylose ou des glucides totaux de SCB. Sur la base de l'analyse, le coût de production unitaire net de BDO dans les différents scénarios variait de 1,13 à 2,28 USD/kg, tandis que le prix de vente minimum variait de 1,86 à 3,99 USD/kg. Il a été démontré que l'utilisation de la fraction d'hémicellulose seule aboutissait à une usine économiquement viable ; cependant, cela dépendait de la condition que l'usine soit annexée à une sucrerie qui pourrait fournir gratuitement les services publics et la matière première. Une installation autonome où les matières premières et les services publics ont été achetés a été prévue pour être économiquement réalisable avec une valeur actuelle nette d'environ 72 millions de dollars américains, lorsque les fractions d'hémicellulose et de cellulose de SCB ont été utilisées pour la production de BDO. Une analyse de sensibilité a également été menée pour mettre en évidence certains paramètres clés affectant l'économie de l'usine. Sugarcane bagasse (SCB) is a significant agricultural residue generated by sugar mills based on sugarcane crop. Valorizing carbohydrate-rich SCB provides an opportunity to improve the profitability of sugar mills with simultaneous production of value-added chemicals, such as 2,3-butanediol (BDO). BDO is a prospective platform chemical with multitude of applications and huge derivative potential. This work presents the techno-economic and profitability analysis for fermentative production of BDO utilizing 96 MT of SCB per day. The study considers plant operation in five scenarios representing the biorefinery annexed to a sugar mill, centralized and decentralized units, and conversion of only xylose or total carbohydrates of SCB. Based on the analysis, the net unit production cost of BDO in the different scenarios ranged from 1.13 to 2.28 US$/kg, while the minimum selling price varied from 1.86 to 3.99 US$/kg. Use of the hemicellulose fraction alone was shown to result in an economically viable plant; however, this was dependent on the condition that the plant would be annexed to a sugar mill which could supply utilities and the feedstock free of cost. A standalone facility where the feedstock and utilities were procured was predicted to be economically feasible with a net present value of about 72 million US$, when both hemicellulose and cellulose fractions of SCB were utilized for BDO production. Sensitivity analysis was also conducted to highlight some key parameters affecting plant economics. قصب السكر (SCB) هو بقايا زراعية كبيرة تنتجها مصانع السكر القائمة على محصول قصب السكر. يوفر تثمين سكب الغنية بالكربوهيدرات فرصة لتحسين ربحية مصانع السكر مع الإنتاج المتزامن للمواد الكيميائية ذات القيمة المضافة، مثل 2،3 -بيوتانيديول (بدو). BDO هي مادة كيميائية منصة محتملة مع العديد من التطبيقات وإمكانات مشتقة ضخمة. يقدم هذا العمل التحليل الفني والاقتصادي وتحليل الربحية للإنتاج المتخمر لـ BDO باستخدام 96 طن متري من SCB يوميًا. تنظر الدراسة في تشغيل المصنع في خمسة سيناريوهات تمثل المصفاة الحيوية الملحقة بمطحنة السكر، والوحدات المركزية واللامركزية، وتحويل الزيلوز فقط أو إجمالي الكربوهيدرات من بنك ستاندرد تشارترد. بناءً على التحليل، تراوح صافي تكلفة إنتاج الوحدة من BDO في السيناريوهات المختلفة من 1.13 إلى 2.28 دولار أمريكي/كجم، في حين تراوح الحد الأدنى لسعر البيع من 1.86 إلى 3.99 دولار أمريكي/كجم. وقد تبين أن استخدام جزء هيميسليلوز وحده يؤدي إلى مصنع قابل للتطبيق اقتصاديًا ؛ ومع ذلك، كان هذا يعتمد على شرط أن يتم ضم المصنع إلى مطحنة السكر التي يمكن أن توفر المرافق والمواد الخام مجانًا. كان من المتوقع أن يكون المرفق المستقل حيث تم شراء المواد الخام والمرافق مجديًا اقتصاديًا بقيمة حالية صافية تبلغ حوالي 72 مليون دولار أمريكي، عندما تم استخدام كل من هيميسليلوز وكسور السليلوز من بنك ستاندرد تشارترد لإنتاج BDO. كما تم إجراء تحليل الحساسية لتسليط الضوء على بعض المعلمات الرئيسية التي تؤثر على اقتصاديات النبات.