Sustainable production of fuel bioethanol from switchgrass in Uruguay

Abstract

Sustainability concerns due to long-term depletion of fossil fuels and climate change are responsible for a renewed interest on biofuels and biorefineries. Fuel bioethanol produced from lignocellulosic materials using modern technology could lead to high greenhouse gases (GHG) emissions savings. Biorefineries integrate the production of materials, chemicals, fuels, and energy. This could maximize the value obtained from biomass and minimize environmental impacts. Switchgrass (Panicum virgatum L.) is considered a good source of biomass because of its high productivity, longevity, high efficiency in water and nutrient use, and low production cost. Although several works have studied bioethanol production from switchgrass, a complete analysis of techno-economic and environmental sustainability for the current technology and conditions in Uruguay is necessary to promote the sustainable national production of bioethanol. In this work, switchgrass was evaluated as a feedstock for the production of bioethanol in a biorefinery located in Uruguay using a liquid hot water (LHW) pretreatment. Material and energy use was determined for different scenarios and process configurations through process modeling. Material and energy results were used in a techno-economic model to analyze the effect of different parameters and configurations on the economics of the process. The minimum ethanol selling price (MESP) obtained for ethanol in a facility producing only ethanol and electricity was within the expected price range for advanced alcohol fuels and could compete with oil prices above 100 $/ barrel. Working on a biorefinery scenario producing furfural, acetic acid, and formic acid as high-value co-products, decreased the MESP. The MESP was sensitive to plant size and to switchgrass composition. Enzyme dosage, solids content, and hydrolysis and fermentation efficiencies are the operating parameters with higher impact on MESP, experimental information on how they are related (e.g. efficiency vs solids content) is necessary for more reliable assessments. Experimental assays were performed to evaluate the cellulose enzymatic hydrolysis of LHW pretreated switchgrass at high solids content. LHW pretreatment (200ºC, 5 min) proved to be a suitable alternative for a biorefinery approach. It was found that the washing of solids and initial pH had a significant effect on hydrolysis efficiency. The effect of solids content, enzyme dosage, and partial cellulase substitution by xylanase, were studied experimentally. Glucose concentration and hydrolysis efficiency were significantly affected by solids content and enzyme dosage. Very high glucose concentrations (189 g/L) were achieved. High hydrolysis efficiencies were found even for high solids content (>90% for 25% solids content) but only for high enzyme dosage (40-70 mgprotein/gglucan). Experimental results were combined with the process and techno-economic models. Maximizing glucose concentration or hydrolysis efficiency did not directly correlate to minimizing the MESP. Enzyme dosage and solids content had a significant effect on MESP and it was found that an enzyme dosage of 37 mgprotein/gglucan and a solids content of 21 %, minimized MESP. A life cycle assessment (LCA) was performed to evaluate GHG emissions and non-renewable fossil energy consumption associated with the production of fuel bioethanol in Uruguay using results from material and energy balances previously obtained. GHG emissions for bioethanol produced in all the scenarios analyzed were lower than the reference emissions for fossil fuel. The biorefinery scenario was better than the ethanol and electricity facility in terms of the environmental impacts and the biofuel produced there could meet GHG reduction requirements. All the factors analyzed (switchgrass composition, enzyme dosage, fermentation and hydrolysis efficiency and solids content) had a significant effect on the environmental performance of fuel bioethanol, enzyme use being the most significant factor. When compared with other works for Uruguay, the ethanol from the scenario with only electricity as co-product had a worst environmental performance than ethanol from sugarcane and sorghum grain. However, the ethanol from the biorefinery scenario performed better. Otherscenarios analyzed (e.g. low enzyme dosage) also had a good environmental performance. Optimal conditions for both economics and GHG emissions were found from models based on experimental data. These conditions (21 % solids w/w, 37 mgprotein/gglucan) had a good environmental performance (well to tank: -68  5 gCO2eq/MJethanol, GHG emissions) and good process economics (MESP of 0.84 $/L). Therefore, environmentally sustainable production of ethanol from switchgrass on a biorefinery located in Uruguay (in terms of GHG emissions and fossil energy use) could be possible with the technology and yields currently available. Economic sustainability for current technology and yields depends on oil prices and/or policies (carbon taxes). Scale-up of the experimental results obtained and appropriated industrial equipment are critical aspects of the technical feasibility.

Existe un interés renovado en biocombustibles y biorefinerías debido a problemas de sustentabilidad asociados al agotamiento a largo plazo de combustibles fósiles y al cambio climático. El bioetanol combustible producido a partir de materiales lignocelulósicos con tecnologías modernas podría reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Las biorrefinerías integran la producción de materiales, químicos, combustibles y energía. Esta integración podría maximizar el valor obtenido de la biomasa y minimizar los impactos ambientales. El switchgrass (Panicum virgatum L.) es considerado una buena fuente de biomasa debido a su alta productividad, longevidad, alta eficiencia en el uso de agua y nutrientes y bajos costos de producción. Aunque existen varios trabajos sobre la producción de bioetanol a partir de switchgrass, es necesario un análisis completo de la sustentabilidad técnico-económica y ambiental para la tecnología disponible y las condiciones de Uruguay para promover la producción nacional de bioetanol combustible. En este trabajo, se evaluó el uso de switchgrass como materia prima para la producción de bioetanol combustible en una biorrefinería localizada en Uruguay. Se estudió el uso de materiales y energía para diferentes escenarios y configuraciones mediante el modelado del proceso. Los resultados de los balances de materia y energía se utilizaron en un modelo técnico-económico, con el objetivo de analizar el efecto de diferentes parámetros y configuraciones en la economía del proceso. El precio mínimo de venta de etanol en una planta que produce solamente etanol y electricidad estuvo en el rango esperado para alcoholes combustibles de avanzada y podría competir con precios de petróleo superiores a 100 US$/ barril. Producir furfural, ácido acético y ácido fórmico como co-productos de alto valor agregado en un concepto de biorrefinería, redujo el precio mínimo de venta del etanol. El precio mínimo de venta fue sensible a la escala de producción y a la composición del switchgrass. Las eficiencias de hidrolisis y fermentación, el contenido de sólidos y la dosis de enzima son los parámetros operativos con más impacto en el mínimo precio de venta. Información experimental sobre cómo se relacionan (ej. eficiencia vs contenido de sólidos) es importante para obtener resultados más confiables. Se realizaron ensayos experimentales para evaluar la hidrolisis enzimática de la celulosa a altos contenidos de sólidos obtenidos luego de un tratamiento de auto-hidrólisis. El pretratamiento de auto-hidrólisis (200ºC, 5min) fue una alternativa adecuada para el enfoque de biorefinerías. El lavado de los sólidos pretratados y el pH inicial tuvieron un efecto significativo en la eficiencia de hidrólisis. Se estudió experimentalmente el efecto del contenido de sólidos, dosis de enzima y sustitución parcial de celulasas por xilanasas. Tanto la concentración final de glucosa como la eficiencia de hidrólisis se vieron afectadas por contenido de sólidos, y por la dosis de enzima. Se obtuvieron concentraciones altas de glucosa (189 g/L). Se encontraron eficiencias de hidrólisis elevadas incluso para contenidos de sólido altos (>90% para 25% solidos) pero sólo para concentraciones altas de enzima (40-70 mgproteina/gglucano). Los resultados experimentales se utilizaron en el modelo del proceso y en el modelo técnicoeconómico. Se encontró que maximizar la concentración de glucosa o la eficiencia de hidrólisis no se correlaciona directamente con una reducción del precio mínimo de venta. La dosis de enzima y el contenido de sólidos tuvieron un efecto significativo sobre el precio de venta, una dosis de 37 mgprotein/gglucan y un contenido de sólidos de 21 %minimizaron el precio de venta. Se realizó un análisis de ciclo de vida para evaluar las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de energía fósil no renovable asociados a la producción de bioetanol combustible en Uruguay, utilizando los resultados de los balances de materia y energía obtenidos previamente. En todos los casos estudiados el bioetanol combustible presentó emisiones de GEI menores que las de referencia para combustibles fósiles. La biorrefinería presentó un mejor desempeño ambiental que la planta que produce etanol y electricidad, y el etanol producido allí podría cumplir con los requerimientos de reducciones de GEI. Todos los parámetros estudiados (composición del switchgrass, dosis de enzima, eficiencias de hidrolisis y fermentación, y contenido de sólidos) tuvieron un efecto significativo en el desempeño ambiental del bioetanol combustible, siendo el uso de enzima el más significativo tanto en las emisiones de GEI como en el uso de energía fósil. Comparado con otros estudios realizados para Uruguay el etanol de la planta que sólo produce etanol y electricidad tuvo un peor desempeño que el etanol de caña de azúcar y sorgo grano. Sin embargo, el etanol producido en la biorrefinería tuvo un mejor desempeño ambiental. Otros escenarios analizados también presentaron un buen desempeño ambiental. Se encontraron las condiciones que optimizan simultáneamente las emisiones GEI y la economía del proceso a partir de los modelos basados en datos experimentales. Estas condiciones (21 % solidos m/m, 37 mgproteina/gglucano) tuvieron en buen desempeño ambiental (“cuna a tanque”: -68  5 gCO2eq/MJetanol, emisiones GEI) y económico (precio de venta 0.84 US$/L). La producción ambientalmente sustentable de etanol a partir de switchgrass en una biorrefinería ubicada en Uruguay, podría realizarse con la tecnología y rendimientos actuales. La sustentabilidad económica en estas condiciones depende del precio del petróleo y de las políticas (ej. bonos de carbono). El escalado y el diseño de equipos industriales es un aspecto crítico de la viabilidad técnica del proceso.