Long-term storage of fermentable sugars for bioethanol production

Abstract

L'utilisation de combustibles fossiles est le principal responsable des émissions de gaz à effet de serre (GES), l'un des principaux acteurs associés aux changements climatiques. L'éthanol est une excellente alternative aux combustibles fossiles et il est déjà bien implanté dans plusieurs pays à travers le monde. Plus que jamais, les biocarburants représentent une alternative importante pour permettre au Canada de diversifier sa matrice énergétique. Toutefois, de nombreux défis sont à relever pour rendre la production de biocarburants compétitive face aux carburants à base de pétrole. L'éthanol peut être produit à partir de plusieurs cultures, mais la concurrence entre les aliments et les carburants contribue à affaiblir l'attrait de son utilisation dans le domaine énergétique. Dans le domaine des commodités (comme celui de l’éthanol), il est constamment nécessaire de diminuer le coût global de la production en diminuant également l’intensité carbone du carburant produit. Un des aspects pouvant limiter l’utilisation de sources alternatives de sucre est lié aux mauvaises conditions de stockage, qui peuvent entraîner une perte de sucres fermentescibles par croissance microbienne, un gaspillage de matière première et, par conséquent, une augmentation du coût de production. De plus, le stockage inefficace ne permet pas la production annuelle d’éthanol à partir de ces biomasses, ayant également un impact sur les coûts. À la lumière de cela, ce projet a permis de développer une méthodologie de conservation des matières premières à concentrations moyennes en sucre pour la production de bioéthanol. La première partie du projet visait à faire l’évaluation de 5 techniques de conservation de solutions à 150 et 300 g/L de sucres fermentescibles. Après 30 jours de stockage, l’acidification, l’ozonation et l’ajout d’une couche d’huile ont été identifiés comme des techniques prometteuses à utiliser avec des solutions à 300 g/L de sucre. La deuxième partie de ce projet consistait à analyser la combinaison de ces dernières techniques dans le stockage de solutions sucrées à 250 g/L de sucres fermentescibles. Les résultats de la seconde partie ont été remarquables et il a été possible de conserver 100 % des sucres pendant 300 jours à température ambiante en utilisant un protocole d’acidification. Cependant, l’acidification a entravé la fermentation car les groupes ont atteint un rendement final de 70 % en éthanol. Par conséquent, la combinaison de l’ozonation et de la couche d’huile a été considérée comme la meilleure méthodologie, avec un taux de conservation des sucres de l’ordre de 80 %, mais ayant présenté les taux de production d’éthanol les plus élevés (respectivement 107 g/L et 99 %). La dernière partie du projet visait à comparer différentes techniques de stérilisation et le comportement de la mélasse et du jus de betterave à sucre. Chaque matière première a présenté un comportement différent selon la technique appliquée, et il est donc possible d’en conclure que plus la matière première est riche en nutriments, plus la méthodologie de conservation doit être sévère.

Abstract: The use of fossil fuels is now known to be a significant contributor to the Greenhouse gases (GHG) emission, one of the main actors attributed to climate changes. Amongst the possible alternative to fossil fuel, ethanol is a great one and it is already well stablished in several countries all around the world. More than ever, biofuels will be important to Canada to diversify its energy matrix. However, a larger deployment of the nation’s biofuel pool still faces many challenges to be competitive in the fuel market. Ethanol can be produced by many different crops, but the land competition between food and fuels contributes to weakening the appeal of its use for energy. In addition, it is still necessary to decrease the overall cost of the ethanol production. Bad storage conditions induce sugar loss from microbial activity, wasting feedstock while consequently, increasing the production cost. In addition, inefficient storage does not allow the year-long production of ethanol from these crops, which also contributes to the costs. Considering that, this project developed a preservation methodology for feedstock with medium sugar concentration intended for bioethanol production. The first part of the project aimed to do a screening on 5 preservation techniques in solutions with 150 and 300 g/L of fermentable sugars. After 30 days of storage, acidification, ozonation and oil layer were pointed out as promising techniques to be used in solutions with 300 g/L of sugars. The second part of this project consisted in the analysis of the combination of the latter techniques in the storage of sugar solutions with 250 g/L of fermentable sugars. The results from the second part were outstanding and it was possible to preserved 100% of sugars during 300 days at room temperature by using acidification. However, acidification hindered fermentation (groups reached 70% of ethanol yield). Therefore, the combination of ozonation and oil layer was considered the best methodology, as it preserved 80% of sugars, yet it presented the highest ethanol titer (107 g/L) and yield (99%). The last part of the project aimed to compare different sterilization techniques and the behavior of sugar beet molasses and juice. Each feedstock presented a different behavior according to the applied technique. Therefore, it could be concluded that the richer the feedstock is in nutrients, the harsher the preservation methodology must be.