Net greenhouse gas fluxes in Brazilian ethanol production systems

Biofuels are both a promising solution to global warming mitigation and a potential contributor to the problem. Several life cycle assessments of bioethanol have been conducted to address these questions. We performed a synthesis of the available data on Brazilian ethanol production focusing on greenhouse gas (GHG) emissions and carbon (C) sinks in the agricultural and industrial phases. Emissions of carbon dioxide (CO(2)) from fossil fuels, methane (CH(4)) and nitrous oxide (N(2)O) from sources commonly included in C footprints, such as fossil fuel usage, biomass burning, nitrogen fertilizer application, liming and litter decomposition were accounted for. In addition, black carbon (BC) emissions from burning biomass and soil C sequestration were included in the balance. Most of the annual emissions per hectare are in the agricultural phase, both in the burned system (2209 out of a total of 2398 kg C(eq)), and in the unburned system (559 out of 748 kg C(eq)). Although nitrogen fertilizer emissions are large, 111 kg C(eq) ha-1 yr-1, the largest single source of emissions is biomass burning in the manual harvest system, with a large amount of both GHG (196 kg C(eq) ha-1 yr-1). and BC (1536 kg C(eq) ha-1 yr-1). Besides avoiding emissions from biomass burning, harvesting sugarcane mechanically without burning tends to increase soil C stocks, providing a C sink of 1500 kg C ha-1 yr-1 in the 30 cm layer. The data show a C output: input ratio of 1.4 for ethanol produced under the conventionally burned and manual harvest compared with 6.5 for the mechanized harvest without burning, signifying the importance of conservation agricultural systems in bioethanol feedstock production.

Energy and exergy analysis of ethanol production process from banana fruit

An alternative for ethanol production, is the use of vegetable waste, such as excess of banana production, that are evaluated in 2,400,000 t/year, which includes: residual banana fruit and lignocellulosic material. This paper analyzes the energetic and exergetic behavior to carry the process developed at laboratory scale to a plant processing of banana for the ethanol production, involving: growing and transport of the vegetable material, hydrolysis of banana fruit, sugar fermentation, ethanol distillation and utility plant. Finally, energy and exergy indicators are obtained. The results show a positive energy balance when banana fruit is used for ethanol production, but some process modification must be done looking for improving the exergetic efficiency in ethanol production.

Produção de bioetanol a partir de um resíduo orgânico proveniente da central de compostagem da LIPOR

Mestrado em Engenharia Química

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Hexose and pentose transport inascomycetousyeasts: an overview

FEMS Yeast Research, Vol. 9, nº 4

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.

Optimization of low-cost nutritional supplementation for lignocellulosic ethanol fermentation

[Excerpt] Bioethanol from lignocellulosic materials (LCM), also called second generation bioethanol, is considered a promising alternative to first generation bioethanol. An efficient production process of lignocellulosic bioethanol involves an effective pretreatment of LCM to improve the accessibility of cellulose and thus enhance the enzymatic saccharification. One interesting approach is to use the whole slurry from treatment, since allows economical and industrial benefits: washing steps are avoided, water consumption is lower and the sugars from liquid phase can be used, increasing ethanol concentration [1]. However, during the pretreatment step some compounds (such as furans, phenolic compounds and weak acids) are produced. These compounds have an inhibitory effect on the microorganisms used for hydrolysate fermentation [2]. To overcome this, the use of a robust industrial strain together with agro-industrial by-products as nutritional supplementation was proposed to increase the ethanol productivities and yields. (...)

The genome of the recently domesticated crop plant sugar beet (Beta vulgaris)

Sugar beet (Beta vulgaris ssp. vulgaris) is an important crop of temperate climates which provides nearly 30% of the world's annual sugar production and is a source for bioethanol and animal feed. The species belongs to the order of Caryophylalles, is diploid with 2n = 18 chromosomes, has an estimated genome size of 714-758 megabases and shares an ancient genome triplication with other eudicot plants. Leafy beets have been cultivated since Roman times, but sugar beet is one of the most recently domesticated crops. It arose in the late eighteenth century when lines accumulating sugar in the storage root were selected from crosses made with chard and fodder beet. Here we present a reference genome sequence for sugar beet as the first non-rosid, non-asterid eudicot genome, advancing comparative genomics and phylogenetic reconstructions. The genome sequence comprises 567 megabases, of which 85% could be assigned to chromosomes. The assembly covers a large proportion of the repetitive sequence content that was estimated to be 63%. We predicted 27,421 protein-coding genes supported by transcript data and annotated them on the basis of sequence homology. Phylogenetic analyses provided evidence for the separation of Caryophyllales before the split of asterids and rosids, and revealed lineage-specific gene family expansions and losses. We sequenced spinach (Spinacia oleracea), another Caryophyllales species, and validated features that separate this clade from rosids and asterids. Intraspecific genomic variation was analysed based on the genome sequences of sea beet (Beta vulgaris ssp. maritima; progenitor of all beet crops) and four additional sugar beet accessions. We identified seven million variant positions in the reference genome, and also large regions of low variability, indicating artificial selection. The sugar beet genome sequence enables the identification of genes affecting agronomically relevant traits, supports molecular breeding and maximizes the plant's potential in energy biotechnology.

Jäänhoitokoneen voimansiirron kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli tutkia jäänhoitokoneen nykyisen voimanlähteen mahdollista korvaamista eri tekniikkaan perustuvilla voimanlähteillä. Teoriaosassa tutustutaan jäänhoidon historiaan eli mistä tarve jäänhoitokoneiden suunnitteluun ja valmistukseen on syntynyt. Samoin esitellään jäähoidon koko prosessi ja eri käyttövoimanlähteet mitä maailmalla jäänhoitokoneissa on käytössä. Käytännön osuus keskittyy aluksi esittelemään jäänhoitokoneen nykyisen toimintaperiaatteen, siinä käytetyt komponentit sekä kartoittaa koko järjestelmän heikkoudet ja vahvuudet. Osuudessa selvitetään myös kahden nykyisestä poikkeavien voimanlähteiden toimintaperiaatteet sekä niiden mahdollisuudesta korvata jäänhoitokoneen nykyinen järjestelmä. Näiden osalta selvitetään myös vaihtoehtoisten tekniikoiden heikkoudet ja vahvuudet. Työn tuloksena selvisi, että uudet korvaavat voimanlähteet ovat vielä kehitysvaiheessa eikä siis vielä tarpeeksi valmiita, suorituskykyisiä tai saasteettomia korvaamaan nykyistä 0-päästöistä sähkömoottorijärjestelmää. Sen sijaan kehitysehdotuksena syntyi idea nykyisen järjestelmän optimoimisesta paremman hyötysuhteen ja sitä mukaa akkujen eliniän parantamiseksi.

Kromatografinen erotus bioetanolin valmistuksessa lignoselluloosasta

Bioetanolin tuotanto kiinnostaa monissa maissa johtuen kansainvälisissä sopimuksissa määritellyistä ilmastotavoitteista. Työssä tutkittiin laboratorio-oloissa ioninvaihtohartsien ominaisuuksien ja erotuksen olosuhteiden vaikutusta rikkihapon ja glukoosin kromatografiseen erotukseen. Tehokkaimmaksi hartsiksi osoittautui polysulfonoitu mesohuokoinen vahva kationinvaihtohartsi Finex CS100C. CS100C:lla voitiin erottaa rikkihappoa ja glukoosia tehokkaimmin korkeissa 25 p-% ja 36 p-% glukoosi- ja rikkihappo-pitoisuuksissa. Lisäksi sillä havaittiin suurin tuotto simuloidussa liikkuvassa pedissä. Yhdessä kolonnissa suoritetuissa erotuskokeissa tutkittiin hartsien erotuskykyä rikkihapolle ja glukoosille sekä virtausnopeuden vaikutusta erotukseen lämpötilassa 22 °C. Saatujen tulosten pohjalta valittiin CS11GC, CS16GC ja CS100C tarkempaan isotermin määritykseen ja simulointiin hyvän erotuskyvyn sekä keskinäisten erojen takia. Adsorptioisotermit määritettiin kolonnikokein sekä 22 °C:n että 50 °C:n lämpötilassa. Isotermeistä havaittiin, että tasapaino kiinto- ja liuosfaasien välille saavutetaan rikkihapolla alhaisella 1 cm3/min virtausnopeudella varmemmin kuin suuremmalla 2,5 cm3/min virtausnopeudella. 50 °C:n lämpötilassa hapon ja glukoosin isotermit olivat jyrkempiä kuin 22 °C:n lämpötilassa. Määritettyihin hapon ja sokerin isotermeihin sovitettiin mallit, joiden parametreja käytettiin yksittäisen kolonnin simulointiin. Simuloinnissa oli estimoitavia parametreja yhdellä kolonnilla aineensiirtokertoimet sekä läpäisykäyristä määritetyt isotermiparametrit glukoosille sekä rikkihapolle ja SMB–erotuksessa vyöhykkeiden 2 ja 3 suhteelliset virtausnopeudet. Siirryttäessä lämpötilojen 22 °C ja 50 °C välillä hartsien parametrit muuttuivat sokerille täysin ja hapolle vain aineensiirtokertoimen osalta. CS100C oli tehokkain SMB–erotuksessa korkeimmalla 0,11 cm3/min tuottavuudella 95 %:n saannon saavuttamiseksi 95 % tuotepuhtaudella raffinaatissa ja ekstraktissa.

Euroopan unionin kestävyyskriteerien soveltuvuus liikenteen biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin

Euroopan unioni on niin sanotussa RES-direktiivissä asettanut tavoitteet uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi 10 %:iin liikenteen energian kulutuksesta kaikissa jäsenmaissa vuoteen 2020 mennessä. Eräs näistä uusiutuvan energian muodoista on biopolttoaineet. Tässä työssä testataan RES-direktiivissä esitettyä laskentamenetelmää biopolttoaineiden tuotannon ja käytön kasvihuonekaasupäästöjen arviointiin. Esimerkkitapauksena on yhdyskuntien ja teollisuuden jätemateriaalia raaka-aineena käyttävän jäte-etanoliprosessin ja siihen yhdistetyn sähköä ja lämpöä tuottavan CHP-laitoksen päästölaskenta. Laskennan yhteydessä käy ilmi RES-direktiivin laskentamenetelmän tulkinnanvaraisuus. Laskentamenetelmän perusteella järjestelmäraja voidaan asettaa usealla eri tavalla, jolloin saadut päästövähennystulokset vaihtelevat huomattavasti eri tulkintavaihtoehtojen välillä. Jäte-etanolin tapauksessa tulokset ovat myös hyvin riippuvaisia jätemateriaalille määritellystä päästökertoimesta. Laskennan perusteella voidaankin sanoa, että RES-direktiivin laskentamenetelmällä saadut päästövähennystulokset biopolttoaineille ovat hyvin epävarmoja ja riippuvat sekä laskennan lähtöoletuksista että direktiivin tulkintatavasta. RES-direktiivin laskentamenetelmää voidaan myös pitää hyvin suppeana lähestymistapana biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin. Tarkastelua tehdään suppealla järjestelmärajalla ja esimerkiksi biopolttoaineketjujen aiheuttamat epäsuorat ilmastovaikutukset jäävät huomioimatta. RES-direktiivin laskentamenetelmä perustuu perinteiseen staattiseen elinkaariarviointiin eli syytarkasteluun eikä sovellu arvioimaan muutosta. Ilmastomuutoksen hillinnän haastavuuden ja kiireellisyyden vuoksi biopolttoaineiden ilmastovaikutuksia tulisi kuitenkin arvioida myös laajemmin muutostarkasteluna, ja verrata biopolttoaineiden avulla saatuja päästövähennyksiä muilla keinoin saavutettuihin päästövähennyksiin. Näin voitaisiin paremmin arvioida sitä, mitkä keinot soveltuvat parhaiten nopeiden päästövähennysten saavuttamiseen.

Determination of corn stalk fibers' strength through modeling of the mechanical properties of its composites

Worldwide cultivation of corn is expanding, due in part to the increasing production of bioethanol. In consequence, huge amounts of corn stalks residues are been produced. Instead of incineration, we transformed the corn stalks into a semichemical pulp and successfully applied it as reinforcement in polypropylene composites. PP composites reinforced with 40% wt corn stalk single fibers were prepared, and their mechanical properties were evaluated. Through mechanical properties modeling of the composites, the intrinsic tensile strength of the cellulosic fibers that constitute the corn stalk have been determined

Inmovilización de enzimas lignocelulolíticas en nanopartículas magnéticas

Due to the need for more efficient, economical and environmentally-friendly technological processes, the use of enzymes has increased. However, reuse of enzymatic hydrolytic complex is required. The immobilization of enzymes provides a basis for stability and allows their reuse reflected in aspects of economic feasibility. Magnetic nanoparticles are a promising supports since their magnetic character allows retrieval by applying an external magnetic field. This article presents an analysis and discussion of methods of biocatalyst immobilization, emphasizing lignocellulolytic enzymes immobilized in magnetic nanoparticles and their applications for the production of high-value compounds such as bioethanol.

Adsorptive removal of harmful organic compound from aqueous solutions

Adsorption is one of the most commonly used methods in water treatment processes. It is attractive due to it easy operation and the availability of a wide variety of commercial adsorbents. This doctoral thesis focuses on investigating and explaining the influence of external phase conditions (temperature, pH, ionic strength, acidity, presence of cosolutes) on adsorption phenomena. In order to cover a wide range of factors and phenomena, case studies were chosen from various fields where adsorption is applied. These include the adsorptive removal of surface active agents (used in cleaning chemicals, for example) from aqueous effluents, the removal of hormones (estradiol) from drinking water, and the adsorption of antibiotics onto silica. The latter can beused to predict the diffusion of antibiotics in the aquatic system if they are released into the environment. Also the adsorption of living cells on functionalized polymers to purify infected water streams was studied. In addition to these examples, the adsorptive separation of harmful compounds from internal water streams within a chemical process was investigated. The model system was removal of fermentation inhibitors from lignocelluloses hydrolyzates. The detoxification of the fermentation broth is an important step in the manufacture of bioethanol from wood, but has not been studied previously in connection with concentrated acid hydrolyzates. New knowledge on adsorption phenomena was generated for all of the applications investigated. In most cases, the results could be explained by combining classical theories for individual phenomena. As an example, it was demonstrated how liquid phase aggregation could explain abnormal-looking adsorption equilibrium data. In addition to the fundamental phenomena, also process performance was of interest. This aspect is often neglected in adsorption studies. It was demonstrated that adsorbents should not be selected for a target application based on their adsorption properties only, but regeneration of the spent adsorbent must be considered. It was found that using a suitable amount of organic co-solvent in the regeneration can significantly improve the productivity of the process.

Biokaasu-, bioetanoli- ja yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditase vertailu

Biojäte soveltuu erinomaisesti biokaasuprosessin raaka-aineeksi sisältämänsä runsaan or-gaanisen aineksen vuoksi. Bioetanoliprosessin raaka-aineeksi se soveltuu, koska biojäte sisäl-tää runsaasti tärkkelystä sekä selluloosaa. Tässä työssä tutkittiin laskennallisesti bioetanoli-, biokaasu- sekä näiden yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditaseita kirjallisuuden tietoihin pohjautuen. Biokaasuprosessista lopputuotteena saatavan biometaanin käyttäminen bensiiniä korvaavana liikennepolttoaineena tuottaa jo pelkästään palamistuotteena syntyvän hiilidioksidin säästöinä 62 kg/tbiojätettä. Energian suhteen biokaasuprosessi on selvästi yliomavaraisin kaikista kolmesta prosessista, vaikka energiankulutukseen huomioidaan myös jalostuksen tarvitsema sähkönku-lutus. Biokaasuprosessissa oma käyttö on alle 20 % lopputuotteen lämpöarvosta, yhdistelmä-prosessin osalta luku on 4 %-yks alhaisempi.