Development and optimization of a reagent-free pretreatment method for the production of liquid biofuels from lignocellulosic waste | Lignotselluloossetest jäätmetest vedela biokütuse tootmiseks kemikaalivaba eeltöötlusmeetodi väljatöötamine ja optimeerimine

Turkish. Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks tehnikateaduse erialal.

English. Global energy consumption and demand are increasing every year. In 2018, the distribution ofglobal energy consumption was as follows: 51% heat production, 17% electricity production and32% transportation sector. There are a number of sustainable “green” alternatives to fossilresources for heat and electricity production however, alternative solutions for the transportationsector are lacking. Presently, the biofuels used to reduce the share of fossil fuels are mostlyproduced from sugar, starch or oil-rich food crops. In order to avoid competition between food andfuels, the greatest potential is seen in the second-generation biofuels, such as bioethanol, whichare produced using different plant (lignocellulosic) residues as a feedstock. It is possible to producebioethanol, biodiesel and, for example, synthesis gas, but compared to the first generation, theproduction is much more complex due to characteristics of raw material therefore requiring ahigher energy input. The second-generation bioethanol production chain includes several steps:pretreatment, hydrolysis, fermentation, and distillation. The most important process in the entireproduction chain is pretreatment. The more efficient the pretreatment, the higher the yield of sugarsand ethanol that can be achieved. In order to increase the competitiveness of the second-generationbioethanol as an alternative motor fuel, various pretreatment methods were studied in theframework of this doctoral thesis to ensure maximum cellular structure disruption with minimalenergy and no chemical input. Freezing, as a potential zero-energy pre-treatment method for theNordic climate, and explosive decompression method were investigated in order to determine theoptimal pretreatment process parameters.

English. Publication of this dissertation is supported by the Estonian University of Life Sciences.This study has been supported by Estonian University of Life Sciences, Institute ofTechnology, Doctoral School of Energy and Geotechnology III (Estonian Universityof Life Sciences ASTRA project “Value-chain based bio-economy), European UnionRegional Development Fund via the Estonians Research Council´s Mobilitas Pluss(Projects MOBERA1 and MOBERA2), and base financed EULS P170025 TIBT andPM180107TIBT projects. Also Doctoral Studies and Internationalisation ProgrammeDoRa, Dora Plus programme “The Smart Specialisation scholarship for PhD studentswhich were carried out by Foundation Archimedes.

Energia tarbimine ja nõudlus suureneb maailmas iga-aastaselt. 2018. aastal oli ülemaailmseenergia tarbimise jaotus järgnev: 51% soojusenergia, 17% elektrienergia ja 32% transpordisektor.Kui soojus- ja elektrienergia tootmiseks on olemas mitmeid jätkusuutlikke „rohelisi“ alternatiiveasendamaks fossiilsete ressursside osakaalu, siis transpordisektori puhul need suurel määralpuuduvad. Praegusel hetkel kasutatakse fossiilset päritolu mootorikütuste osakaalu vähendamiseksenamasti esimese põlvkonna biokütuseid, mis on toodetud suhkru-, tärklise- või õlirikastesttoidukultuuridest. Vältimaks toiduainete ja mootorikütuste omavahelist konkurentsi nähakse enimpotentsiaali teise põlvkonna biokütustes nagu näiteks bioetanool, mille tootmisel kasutataksetoormeks erinevaid taimseid (lignotselluloosseid) jääkmaterjale. Toota on võimalik niibioetanooli, biodiislikütust kui ka näiteks sünteesgaasi, kuid võrreldes esimese põlvkonnaga ontootmine toorme iseärasustest tingituna märksa keerukam ning vajab suuremat energeetilistsisendit.Lignotselluloossest biomassist bioetanooli tootmine nõuab toorme eeltöötlemist, hüdrolüüsimist,kääritamist ning destilleerimist. Kõige olulisem protsess kogu bioetanooli tootmisahelas oneeltöötlus. Mida efektiivsem on eeltöötlus, seda kõrgemaid suhkrute ja etanooli saagiseid onvõimalik saavutada. Saavutamaks kõrgeimaid võimalikke saagiseid uuriti antud doktoritöö raameserinevaid eeltöötlusmeetodeid, tagamaks maksimaalne rakustruktuuri lõhkumine kemikaalivabaltning minimaalse energeetilise sisendiga eesmärgiga suurendada teise põlvkonna bioetanooli kuialternatiivse mootorikütuse, konkurentsivõimet. Uuriti nii külmutamiste, kui potentsiaale nullenergeetilise sisendiga eeltöötlusmeetodit põhjamaisesse kliimasse, kui ka plahvatuslikurõhulangetuse meetodit, selgitamaks välja optimaalseimad eeltöötlusprotsessi parameetrid.

English. A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering Sciences.