Miscanthus-Derived Boiethanol: Experience of Primary Set-Up

In industrial chemistry, there is a growing demand for the precursors obtained by bioengineering methods; particularly, bioethanol can be used for the production of ethylene. In this study, Miscanthus sacchariflorus was used for the first time as a feedstock for the production of bioethanol. The step of miscanthus chemical treatment with a 4 wt.% solution of nitric acid was successfully scaled up under the conditions of pilot-plant production; the product of nitric acid treatment (PNAT) was obtained with the yield of 37.4 % and the content of hydrolyzed components equal to 96.0 %. It was shown that the chemical pretreatment of miscanthus with nitric acid, irrespective of its breed, makes it possible to obtain substrates with close chemical compositions. The goal of the study was to perform the primary scale-up of the joint saccharification-fermentation of miscanthus-derived PNAT in an 11 L fermenter (at a scaling factor 1 : 8) with increasing the PNAT concentration from 60.0 to 90.0 g/L. Saccharification was carried out using the commercially available enzymatic preparations Cellolux-A and Bruzyme BGX, and fermentation – using the VKPM yeast strain Saccharomyces сerevisiae Y-1693. It was found that as the substrate concentration is raised from 60.0 to 90.0 g/L, the concentration of bioethanol increases by 9.5 g/L; the substrate concentration of 90.0 g/L was recommended for use in the process scale-up for the pilot-plant production. A scheme of bioethanol production yielding 202 L of bioethanol from ton of miscanthus was proposed.

1. Zabed H. Sahu J.N., Suely A., Boyce A.N., Faruq G. // Energy Review. 2017. Vol. 71. P. 475—501. DOI: 10.1016/j.rser.2016.12.076.

2. Saha B.C, Nichols N.N., Qureshi N., Kennedy G.J., Iten L.B., Cotta M.A. // Bioresource Technology. 2015. Vol. 175. P. 17—22. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.10.060.

3. Haq F., Ali H., Shuaib M., Badshah M., Hassan S.W., Munis M.F.H., Chaudhary H.J. // International Journal of Green Energy. 2016. Vol. 13 (14). P. 1413-1441.

4. Niju S., Swathika M. // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2019. Vol. 20. P. 101263. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101263.

5. Yeh R.-H., Lin Y.-S., Wang T.-H., Kuan W.-C., Le W.-C. // Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 94. P. 110-116. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.08.009.

6. Boakye-Boaten N.A., Xiu S., Shahbazi A., Wang L., Li R., Mims M., Schimmel K. // Bioresource Technology. 2016. Vol. 204. P. 98-105. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.12.070.

7. Скиба Е.А., Будаева В.В., Байбакова О.В., Удоратина Е.В., Шахматов Е.Г., Щербакова Т.П., Кучин А.В., Сакович Г.В. // Катализ в промышленности. 2015. Т. 15. № 6. С. 59—66. DOI: 10.18412/1816-0387-2015-6-70-77.

8. Skiba E.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Udoratina E.V., Shakhmatov E.G., Shcherbakova T.P., Kuchin A.V., Sakovich G.V. // Catalysis in Industry. 2016. Vol. 8. No. 2. Р. 168—175. DOI: 10.1134/S2070050416020100.

9. Kang K.E., Jeong J.-S., Kim Y., Min J., Moon S.-K. // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2019.04.004.

10. Chenga S., Yu H., Hu M., Wu Y., Cheng L., Cai Q., Tu Y., Xia T., Peng L. // Bioresource Technology. 2018. Vol. 263. P. 67—74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.04.031.

11. Dubis B., Bułkowska K., Lewandowska M., Szempliński W., Jankowski K.J., Idźkowski J., Kordala N., Szymańska K. // Bio-resource Technology. 2017. Vol. 243. P. 731—737. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.07.005.

12. Smuga-Kogut M., Piskier T., Walendzik B., Szymanowska-Powałowska D. // Electronic Journal of Biotechnology. 2019. Volume 41. P. 1-8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2019.05.001.

13. Дорогина О.В., Васильева О.Ю., Нуждина Н.С., Буглова Л.В., Гисматулина Ю.А., Жмудь Е.В., Зуева Г.А., Комина О.В., Цыбченко Е.А. // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22. № 5. С. 553—559. DOI: 10.18699/VJ18.394.

14. Yang F., Afzal W., Cheng K., Liu N., Pauly M., Bell A.T., Liu Z., Prausnitz J.M. // Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2015. Vol. 20. Р. 304-314. DOI: 10.1007/s12257-014-0658-4.

15. Botella С., Zhang K., Baugh A., Liang Y., Sivakumar S.V. // Biochemical Engineering Journal. 2019. Vol. 150. 107256. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bej.2019.107266.

16. Bychkov A., Podgorbunskikh E., Bychkova E., Lomovsky O.I. // Biotechnology and Bioengineering. 2019. V. 116:5. P. 1231-1244. https://doi.org/10.1002/bit.26925.

17. Bychkov A.L., Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. // Cellulose. 2018. Vol. 25 (1). P. 1—5. DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-017-1536-y.

18. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Bulina N.V., Lomovskii O.I. // Journal of Structural Chemistry. 2018. Vol. 59 (1). P. 201-208. https://doi.org/10.1134/S0022476618010328.

19. Подгорбунских Е.М., Бычков А.Л., Ломовский О.И. // Катализ в промышленности. 2016. Т. 16. № 2. С. 57—61. DOI: 10.18412/1816-0387-2016-2-57-61.

20. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovskii O.I. // Catalysis in Industry. 2016. Vol. 8. No. 3. Р. 274—279. DOI: 10.1134/S2070050416030090.

21. Huang Y., Qin X., Luo X., Nong Q., Yang Q., Zhang Z., Gao Y., Lu F., Chen Y., Yu Z., Liu J., Feng J. // Biomass and Bioenergy. 2015. Vol. 77. P. 53—63. DOI: 10.1016/j.biombioe.2015.03.020.

22. Banzaraktsaeva S.P., Ovchinnikova E.V., Danilova I.G., Danilevich V.V., Chumachenko V.A. // Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 374. P. 605—618. DOI: 10.1016/j.cej.2019.05.149.

23. Skiba E.A., Baibakova O.V., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Vasilishin M.S., Makarova E.I., Sakovich G.V., Ovchinnikova E.V., Banzaraktsaeva S.P., Vernikovskaya N.V., Chumachenko V.A. // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 329. P. 178—186. DOI: 10.1016/j.cej.2017.05.182.

24. Unrean P., Khajeeram S., Laoteng K. // Applied microbiology and biotechnology. 2016. Vol. 100. P. 2459-2470. DOI: 10.1007/s00253-015-7173-1.

25. Althuri A., Chintagunta A.D., Sherpa K.C., Banerjee R. // Biorefining of Biomass to Biofuels. 2018. Р. 265-285. DOI: 10.1007/978-3-319-67678-4_12.

26. Байбакова О.В. // Фундаментальные исследования. 2015. № 2—13. С. 2783—2786.

27. Rodrigues T.H.S., de Barros E.M., de Sá Brígido J., da Silva W.M., Rocha M.V.P., Gonçalves L.R.B. // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2016. Vol. 178. P. 1167—1183. DOI: 10.1007/s12010-015-1936-0.

28. Phitsuwan P., Permsriburasuk C., Waeonukul R., Pason P., Tachaapaikoon C., Ratanakhanokchai K. // Biomass and BioenergyBioenergy. 2016. Vol. 93. P. 150—157. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.07.012.

29. Agrawal R., Bhadana B., Mathur A.S., GuptaImproved R.P., Satlewal A. // Frontiers in Energy Research. 2018. Vol. 6. P. 115. DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2018.00115.

30. Sotaniemi V.H., Taskila S., Ojamo H., Tanskanen J. // Biomass Bioenergy. 2016. Vol. 91. P. 271-277. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.05.037.

31. Kadhum, Madhа D., Mahapatra, Murthy G.S. // Bioresource Technology. 2019. Volume 283. P. 67-75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.03.060.

32. Поцелуев О.М., Капустянчик С.Ю. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2018. № 10 (168). С. 55—60.

33. Kurschner K., Hoffer A. // Fresenius Journal of Analytical Chemistry. 1993. Vol. 92 (3). P. 145—154.

34. Obolenskaya A.V., Yelnitskaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratory Works on Wood and Cellulose Chemistry: Textbook for Higher Educational Institutions. Ecology Publisher, Moscow (in Russian). 1991. Book can be downloaded free of charge from direct link: http://www.twirpx.com/file/190572.

35. TAPPI T222 om-02 (2002) Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Tappi Press, Atlanta, GA, USA.

36. TAPPI T211 om-85 (1985) Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. Tappi Press, Atlanta, GA, USA.

37. Павлов И.Н. // Катализ в промышленности. 2014. № 1. С. 68—74. Pavlov I.N. // Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. No. 4. Р. 355-360. DOI: 10.1134/S207005041404014X.

38. Макарова Е.И., Будаева В.В., Скиба Е.А. // Химия растительного сырья. 2013. № 2. С. 43—50. Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba E.A. // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2014. Vol. 40. No 7. P. 726-732. DOI:10.1134/S1068162014070103.

39. Skiba Е.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Biochemical Engineering Journal. 2017. Vol. 126. P. 118—125. DOI: 10.1016/j.bej.2016.09.003.

40. Nikitin N.I. The chemistry of Cellulose and Wood. Scientific Translations Ltd., Jerusalem, 1966. P. 306.

41. Budaeva V.V., Makarova E.I., Gismatulina Y.A. // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 670. P. 202—206. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.670.202

42. Denisova M.N., Makarova E.I., Pavlov I.N., Budaeva V.V., Sakovich G.V. // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2016. V. 178, № 6. Р. 1196—1206. DOI: 10.1007/s12010-015-1938-y.

43. Скиба Е.А., Павлов И.Н. Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Бийск, 18—20 мая 2016 г. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. С. 367—371.

44. Байбакова О.В. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. № 3. С. 79—84. DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84. Baibakova O.V. // Izvestiya vuzov:prikladnaya khimiya i biotekhnologiya. 2018. Vol. 8. Is. 3. P. 79—84 (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84.