Optiminization of biomass exploitation within a framework of process combination

Abstract

This PhD thesis focuses on the effective exploitation of agricultural residues within the biorefinery concept. Lignocellulosic biomass has several uses but its intertwined nature hinders complete exploitation. Thus, to achieve total utilization of the key lignocellulosic components (cellulose, hemicelluloses and lignin) a crucial step is the pretreatment. Several pretreatment methods have been proposed over the years each one having certain advantages and disadvantages. Organosolv pretreatment process of wheat and barley straw, with various organic solvents, is proposed and evaluated herein. The two approaches evaluated to simulate the fractionation process, are the Severity factor and the Response surface methodology. The results of the organosolv fractionation process of wheat and barley straw towards enzymatic digestibility are presented. The influence of the most important process parameters is investigated in an attempt to achieve process optimization. Furthermore, the adsorption capacity of the untreated and pretreated wheat and barley straw, are extensively studied using several kinetic and isotherm equations and models. Finally, general conclusions and aspects for further research are presented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αποτελεσματική εκμετάλλευση αγροτικών υπολειμμάτων στα πλαίσια της φιλοσοφίας του βιοδιυλιστηρίου. Η λιγνοκυτταρινική βιομάζα έχει διάφορες χρήσεις, αλλά η αλληλοσυνδεδεμένη φύση των δομικών συστατικών της εμποδίζει την πλήρη εκμετάλλευση. Συνεπώς, για να επιτευχθεί η πλήρης αξιοποίηση των βασικών συστατικών της (κυτταρίνη, ημικυτταρίνες και λιγνίνη) κρίσιμο βήμα αποτελεί η προεπεξεργασία. Πολλές μέθοδοι έχουν προταθεί κατά τη διάρκεια των ετών, και όλες παρουσιάζουν ορισμένα πλεονεκτήματα μα και μειονεκτήματα. Η διαδικασία προκατεργασίας, άχυρου σιταριού και κριθαριού με διάφορους οργανικούς διαλύτες, προτείνεται και αξιολογείται εδώ. Οι δύο προσεγγίσεις που αξιολογήθηκαν για την προσομοίωση της διαδικασίας κλασμάτωσης είναι ο Severity factor και η μεθοδολογία επιφάνειας απόκρισης (Response Surface Methodology). Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προκατεργασίας, άχυρου σίτου και κριθαριού, με οργανικούς διαλύτες με στόχο την ενζυμική υδρόλυση, ενώ διερευνάται η επίδραση των πιο σημαντικών παραμέτρων διεργασίας σε μια προσπάθεια επίτευξης βελτιστοποίησης της διαδικασίας. Περαιτέρω, μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα του ακατέργαστου και προκατεργασμένου άχυρου σιταριού και κριθαριού για την απομάκρυνση χρωστικών ουσιών. Τέλος, παρουσιάζονται γενικά συμπεράσματα και πτυχές για περαιτέρω έρευνα.