The potential for ethanol production from sugarcane in Australia

The Australian sugar industry processes approximately 35 million tonnes of sugarcane per year from 400 000 hectares of land. Sugar remains the principal revenue stream from sugarcane in Australia with less than 60 ML/y of fuel ethanol produced from final molasses at present. Modelling has been undertaken to estimate the potential ethanol production from the Australian sugar industry for integrated facilities producing both sugar and ethanol from the entire sugarcane resource. Although research aimed at developing commercial processes is ongoing, the use of a proportion of the bagasse and trash for ethanol production, in addition to juice and molasses fermentation, would allow significant increases in the scale of ethanol production from sugarcane in Australia, increasing total industry revenues while maintaining energy self sufficiency.

Towards a commercial lignocellulosic ethanol industry in Australia : the Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant

In 2007, the Queensland University of Technology (QUT) received funding from the Australian Government through the NCRIS program and from the then Queensland Government Department of State Development to construct a pilot research and development facility for the production of bioethanol and other renewable biocommodities from biomass including sugar cane bagasse. This facility is being constructed adjacent to the Racecourse Sugar Mill in Mackay and is known as the Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant (MRBPP). The MRBPP will be capable of processing biomass through a pressurised pretreatment reactor and includes equipment for enzymatic saccharification, fermentation and distillation to produce ethanol. Lignin and fermentation co-products will also be produced at a pilot scale for product development and testing.

Prospects for the development of sugarcane biorefineries

Sugarcane biorefineries co-producing fuels, green chemicals and bio-products offer great potential for improving the profitability and sustainability of sugarcane industries around the world. Sugarcane bagasse is widely regarded as one of the best biomass feedstocks for early adoption and commercialisation of biorefining technologies because of the large scale of the resource and its availability at sugar factories. Biomass biorefineries aim to convert bagasse through biochemical and thermochemical processes to produce low cost fermentable sugars which are a platform for value-adding. Through subsequent fermentation technologies or chemical synthesis, the sugars can be converted to fuels including ethanol and butanol, oils, organic acids such as succinic and levulinic and polymer precursors. Other biorefinery products can include food and animal feeds, plastics, fibre products and resins. Recent advances in biorefinery production technologies are being demonstrated in a unique research facility at the Queensland University of Technology’s Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant in Mackay, Australia. This pilot scale production facility located at Mackay Sugar Ltd’s Racecourse Mill is demonstrating the production of a range of fuels and other products from sugarcane bagasse. This paper will address the opportunities available for sugarcane biorefineries to contribute to future profitability and sustainability of the sugarcane industry.

Transcript and metabolite profiling for the evaluation of tobacco tree and poplar as feedstock for the bio-based industry

The global demand for food, feed, energy and water poses extraordinary challenges for future generations. It is evident that robust platforms for the exploration of renewable resources are necessary to overcome these challenges. Within the multinational framework MultiBioPro we are developing biorefinery pipelines to maximize the use of plant biomass. More specifically, we use poplar and tobacco tree (Nicotiana glauca) as target crop species for improving saccharification, isoprenoid, long chain hydrocarbon contents, fiber quality, and suberin and lignin contents. The methods used to obtain these outputs include GC-MS, LC-MS and RNA sequencing platforms. The metabolite pipelines are well established tools to generate these types of data, but also have the limitations in that only well characterized metabolites can be used. The deep sequencing will allow us to include all transcripts present during the developmental stages of the tobacco tree leaf, but has to be mapped back to the sequence of Nicotiana tabacum. With these set-ups, we aim at a basic understanding for underlying processes and at establishing an industrial framework to exploit the outcomes. In a more long term perspective, we believe that data generated here will provide means for a sustainable biorefinery process using poplar and tobacco tree as raw material. To date the basal level of metabolites in the samples have been analyzed and the protocols utilized are provided in this article.

Revenue diversification opportunities from sugarcane

Sugarcane is a major global agricultural crop that produces significant quantities of sugar and biomass in tropical and sub-tropical regions. Over many centuries, the crop has been grown primarily for its high sugar content which traditionally contributes over 95% of the revenue derived from the crop. While the production of renewable electricity from bagasse and rum from molasses has a long history, in more recent decades significant advances have been made in the production of cogeneration products and fuel ethanol at large scale. Sugarcane biorefineries producing fuels, green chemicals, biopolymers and bio-products offer great potential for improving the profitability of sugarcane production. This paper will address the opportunities available for sugarcane biorefineries to contribute to future profitability and sustainability of the sugarcane industry.

Biorefineries – creating economic opportunities from biofuels and bio-products

Biorefineries, producing fuels, green chemicals and bio-products, offer great potential for improving the profitability and sustainability of tropical agricultural industries. Biomass from tropical crops like sugarcane, sweet sorghum, palm and cassava offer great potential because of the high biomass growth potential under favourable climatic conditions. Biorefineries aim to convert waste residues through biochemical and enzymatic processes to low cost fermentable sugars which are a platform for value-adding. Through subsequent fermentation utilising microbial biotechnologies or chemical synthesis, the sugars can be converted to fuels including ethanol and butanol, oils, organic acids such as lactic and levulinic acid and polymer precursors. Other biorefinery products can include food and animal feeds, plastics, fibre products and resins. Pretreatment technologies are a key to unlocking this potential and new technologies are emerging. This paper will address the opportunities available for tropical biorefineries to contribute to the future profitability of tropical agricultural industries. The importance of pretreatment technologies will be discussed.

Turvemaan männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) kanto- ja juuripuun ominaisuudet ja asetoniliukoisten uuteaineiden määrä

Tutkimus on osa Metsäklusteri Oy:n Future Biorefinery –tutkimusohjelmaa, jossa kartoitetaan mahdollisuuksia hyödyntää metsäteollisuuden raaka-aineita aiempaa tarkemmin ja uusissa tuotteissa. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) juurten ja kantopuun rakenne ja ominaisuudet. Tutkimuksessa selvitetään löytyykö männyn ja kuusen juurista reaktiopuuta ja määritetään asetoniliukoisten uuteaineiden osuus kantoja juuripuussa. Tutkimusaineistona oli viisi eri-ikäistä mäntyä ja viisi eri-ikäistä kuusta. Juuri- ja kantoaineisto kerättiin Metsäntutkimuslaitoksen toimesta Parkanon seudulta (62.017°N, 23.017°E) hakkuun jälkeen. Maanalaisista juurista otettiin näytteet kolmelta eri etäisyydeltä juurenniskaan nähden. Kummankaan lajin juurista ei löytynyt varsinaista reaktiopuuta, mutta joissakin näytteissä havaittiin lievää reaktiopuuta. Lievää reaktiopuuta löytyi enemmän männyn kuin kuusen juurista, eikä sitä löytynyt lainkaan kaikkein ohuimmista, noin 2 cm paksuisista juurenosista. Männyn kannoissa uuteaineprosentti oli korkeampi kuin kuusen. Männyn juurissa uuteaineprosentti kasvoi edettäessä kohti juuren kärkeä. Kuusella uuteaineprosentti laski aluksi, mutta lähellä juuren kärkeä taas kasvoi. Kuoren uuteainepitoisuus oli molemmilla puulajeilla korkeampi kuin puuaineen. Tutkimusaineisto oli suppea, eikä tutkimuksessa pyritty tilastolliseen yleistettävyyteen. Laajemmasta aineistosta tehdylle tutkimukselle on tarvetta, sillä turvekankailta saatavan puun tarjonta on Suomessa kasvussa, mutta juurten uuteaine- ja reaktiopuututkimuksia on tehty vain kivennäismailta kerätyistä aineistoista.

Hydrogen energy future with formic acid: a renewable chemical hydrogen storage system

Formic acid, the simplest carboxylic acid, is found in nature or can be easily synthesized in the laboratory (major by-product of some second generation biorefinery processes); it is also an important chemical due to its myriad applications in pharmaceuticals and industry. In recent years, formic acid has been used as an important fuel either without reformation (in direct formic acid fuel cells, DFAFCs) or with reformation (as a potential chemical hydrogen storage material). Owing to the better efficiency of DFAFCs compared to several other PEMFCs and reversible hydrogen storage systems, formic acid could serve as one of the better fuels for portable devices, vehicles and other energy-related applications in the future. This perspective is focused on recent developments in the use of formic acid as a reversible source for hydrogen storage. Recent developments in this direction will likely give access to a variety of low-cost and highly efficient rechargeable hydrogen fuel cells within the next few years by the use of suitable homogeneous metal complex/heterogeneous metal nanoparticle-based catalysts under ambient reaction conditions. The production of formic acid from atmospheric CO2 (a greenhouse gas) will decrease the CO2 content and may be helpful in reducing global warming.

Lignin extraction, purification and depolymerization study

280 p. : il.

Fraccionamiento del licor gastado en pasteado al sulfito ácido mediante ultrafiltración

Lignosulphonates (LS) and fermentable sugars are the main components of spent sulphite liquors (SSL) produced in acid sulphite pulping. In spite of different methods have been used for spent liquor fractionation such as precipitation or vaporization; membrane technology allows the separation of these components from the SSL due to their different size molecular weight, offering great advantages with regards to the traditionally methods (less energy consumption, high selective separation, and many others). In the present study, ceramic membranes with different cut-offs (15 kDa, 5 kDa and 1 kDa) were used to achieve the sugar purification and the LS concentration. The membranes were evaluated according to their efficacy and efficiency properties. Different series system were tested in order to improve the aptitudes of a singular membrane. The system with the three membranes in series (15, 5 and 1 kDa respectively) obtained the most purified permeate stream, referred to the sugar content. Also, a characterisation of the LS contained in the different streams produced in this system was carried out in order to know in a more precise manner the valorisation potential of these components by means of biorefinery processes.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

New synthetic methodologies from biorenewable resources

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Exploring omega-3 fatty acids, enzymes and biodiesel producing thraustochytrids from Australian and Indian marine biodiversity

The marine environment harbours a vast diversity of microorganisms, many of which are unique, and have potential to produce commercially useful materials. Therefore, marine biodiversity from Australian and Indian habitat has been explored to produce novel bioactives, and enzymes. Among these, thraustochytrids collected from Indian habitats were shown to be rich in saturated fatty acids (SFAs) and monounsaturated fatty acids (MUFAs), together constituting 51-76 % of total fatty acids (TFA). Indian and Australian thraustochytrids occupy separate positions in the dendrogram, showing significant differences exist in the fatty acid profiles in these two sets of thraustochytrid strains. In general, Australian strains had a higher docosahexaenoic acid (DHA) content than Indian strains with DHA at 17-31 % of TFA. A range of enzyme activities were observed in the strains, with Australian strains showing overall higher levels of enzyme activity, with the exception of one Indian strain (DBTIOC-1). Comparative analysis of the fatty acid profile of 34 strains revealed that Indian thraustochytrids are more suitable for biodiesel production since these strains have higher fatty acids content for biodiesel (FAB, 76 %) production than Australian thraustochytrids, while the Australian strains are more suitable for omega-3 (40 %) production.

Produção de acetato de etila em biorrefinaria: uma análise de viabilidade

O estudo aqui apresentado tem como objetivo mostrar que a competitividade da indústria química brasileira pode ser revista por meio do desenvolvimento da área química a partir dos recursos naturais renováveis e de alto desempenho de produtividade, aqui representado pela cana-de-açúcar. A base deste estudo analisa a competitividade econômica da produção do acetato de etila, utilizando o etanol como única matéria-prima, sendo o Brasil um grande exportador e, ao mesmo tempo, detentor de um mercado interno forte quando comparado a outros países desenvolvidos. O acetato de etila exportado representou 52% da capacidade nominal instalada no Brasil no ano de 2008. No Brasil existem três ofertantes, mas apenas um produtor é exportador. Todos usam a esterificação como tecnologia de produção, via reação do ácido acético e etanol, sendo o ácido acético largamente importado. O estudo tem como premissa que a competitividade do acetato de etila no Brasil seja dada pelo etanol, que aqui é produzido pela fermentação do caldo de cana-de-açúcar. Já a tecnologia de esterificação é conhecida e de domínio público mundial, e o ácido acético é uma commodity petroquímica com preço referenciado globalmente. Argumenta-se neste trabalho que a competitividade do acetato de etila decorre da linkage com a produção de etanol de cana-de-açúcar, o que coloca o Brasil como grande potencial exportador desse produto. Utilizando a tecnologia de desidrogenação do etanol, pode-se obter acetato de etila utilizando-se apenas o etanol como matéria-prima, reduzindo-se assim a necessidade de importação de ácido acético, que representaria redução anual do déficit da balança comercial petroquímica brasileira em aproximadamente meio bilhão de dólares e, ademais, permitindo que o acetato de etila produzido no Brasil seja ainda mais competitivo. A partir deste estudo é possível avaliar, por analogia, a competitividade de outros produtos químicos produzidos a partir da matriz cana-de-açúcar, tais como eteno, lubrificantes, plásticos etc. Tal caminho permite criar um novo marco para a indústria química brasileira, com consequente redução da dependência de petróleo e gás natural.