Production of lactic acid and methane from renewable resources : an innovative green biorefinery concept for biogas process chains

Abstract

The increasing demands of world’s growing population for food, energy and products, the effects of climate change and the depletion of fossil resources forces the development of sustainable industries. Based on renewable resources, state-of-the-art processes have to be transformed to eco-friendly production sequences to lead the industry to a new, bio-based economy. An essential part of the bio-based economy will be biorefineries, as they enable the production of goods and energy from bio-based resources. The aim of this study was to establish an innovative green biorefinery concept to optimize biogas process chains. The green biorefinery concept was set up to both utilize and add value to green biomass, as well as other common raw substrates used in biogas processing, by producing platform chemicals and biogas. New ensiling techniques were applied, in order to increase the amount of valuable ingredients in the silage with a special focus on lactic acid. After solid-liquid separation of the silage to exploit organic acids, the solid residue was used for anaerobic digestion. In particular the objectives were: (1) to clarify which valuable chemicals can be increased in significant amounts, depending on the raw substrate, (2) to examine the technical, chemical and biological parameters affecting the increase of valuable products in the silage and (3) to investigate the methane formation potential of the residual biomass and the fresh silage to identify potential methane losses. Lactic acid was the most promising chemical, increased to highest amounts during the ensiling process. The addition of carbonated lime was the most effective treatment to increase the amount of lactic acid, requiring a high fermentability coefficient of the utilized raw substrate. Additional lactic acid producing bacteria can help to stabilize the silage and promote the growth of lactic acid contents. Supplying the lactic acid bacteria with additional trace elements (manganese) showed no effect on lactic acid production. The comparison of specific methane yields of the fresh silages with the corresponding solid residues always yielded higher values for the fresh silage (not always significant), due to the loss of volatile solids during the fractionating. Furthermore, there is a loss of overall methane production, due to the reduction of mass while fractionating. An initial economic assessment revealed that selected variations of the treated raw substrates maize and grass offer a huge potential for the presented biorefinery concept, as the increase in lactic acid contents was immense while simultaneously having no significant losses in specific methane yields. Crucial importance for the economic feasibility lies on the downstream process of lactic acid. Future research has to be focused on establishing adequate extraction techniques, as the extraction and purity of lactic acid is the primary challenge for the economic viability of the concept. In the context of adding value to existing biogas process chains, the presented green biorefinery concept is an alternative conversion path of biomass and will likely be of monetary interest in the near future. Moreover, the improved silages can be beneficial in other applications, such as the production of middle chain fatty acids for further processing. The presented biorefinery concept is of high value for numerous applications and shows an improved method of green biorefining, which can contribute to leading our society and industry to a sustainable and multifaceted future.

Der zunehmende Bedarf der wachsenden Weltbevölkerung an Nahrungsmitteln, Energie und Gütern, sowie die Auswirkungen des Klimawandels und die Verknappung fossiler Ressourcen erfordern eine nachhaltigere Wirtschaft. Heutige Prozesse müssen auf Basis nachwachsender Rohstoffe umweltfreundlicher gestaltet, und unsere produzierende Industrie auf eine neue, biobasierte Wirtschaftsweise vorbereitet werden. Wesentlicher Bestandteil der biobasierten Wirtschaft werden Bioraffinerien sein, die es ermöglichen Güter und Energie aus biobasierten Rohstoffen herzustellen. Ziel dieser Studie war es, ein neues, verbessertes, Konzept einer grünen Bioraffinerie aufzustellen, um bestehende Biogasprozessketten zu optimieren. Dabei sollten Plattformchemikalien und Biogas sowohl aus grüner Biomasse als auch aus anderen gängigen Rohstoffen der Biogasproduktion gewonnen werden. Neuartige Siliertechniken wurden angewandt, um die Menge an wertvollen Inhaltsstoffen in der Silage, insbesondere die Milchsäure, zu erhöhen. Mittels einer Fest-Flüssig-Trennung der Silage wurden zunächst organische Säuren von der Biomasse abgetrennt, im Anschluss wurde der feste Rückstand anaerob fermentiert. Die Teilziele der Untersuchungen waren: (1) zu prüfen, welche wertvollen Chemikalien in Abhängigkeit des Ausgangssubstrats großen Mengen angereichert werden können; (2) die Ermittlung der technischen, chemischen und biologischen Einflussfaktoren, welche zu einer Erhöhung der werthaltigen Produkte in der Silage führen; (3) die Erfassung der Methanbildung aus den Pressrückständen und der frische Silage zur Identifizierung potentieller Methanverluste. Milchsäure erwies sich als der meistversprechende Inhaltsstoff, welcher in größten Mengen erzeugt werden konnte. Die Zugabe von kohlensaurem Kalk stellte dabei den wirksamsten Einflussfaktor dar. Voraussetzung hierfür war ein ausreichend hoher Fermentationskoeffizient des verwendeten Rohsubstrats. Zusätzlich applizierte Milchsäure produzierende Bakterien trugen zur Stabilisierung der Silage bei und förderten die Bildung der Milchsäure. Eine Versorgung der Milchsäurebakterien mit Mangan als zusätzlichem Spurenelementen zeigte keine Auswirkung auf die Milchsäureproduktion. Beim Vergleich der spezifischen Methanausbeute zwischen frischen Silagen und den entsprechenden Pressrückständen wiesen die frischen Silagen stets höhere Werte auf (nicht immer signifikant). Grund hierfür ist ein in den Pressrückständen reduzierter Gehalt an organischen Säuren nach der Fest-Flüssig-Trennung. Des Weiteren führte der aus der Fest-Flüssig-Trennung resultierende Masseverlust zu einem absoluten Verlust an produziertem Methan. Eine erste wirtschaftliche Betrachtung ergab für das vorgestellte Bioraffineriekonzept ein enormes Potential ausgewählter Varianten der behandelten Substrate Mais und Gras. Mit diesen konnte, bei gleichzeitig unerheblichen Verlusten im spezifischen Methanertrag, ein wesentlich gesteigerter Milchsäuregehalte erzielt werden. Die Extraktion und Reinheit der Milchsäure ist von entscheidender Bedeutung für die wirtschaftliche Realisierung des Bioraffineriekonzeptes. Zukünftige Forschung sollte daher auf die Entwicklung geeigneter Extraktionstechniken ausgerichtet werden. Vor dem Hintergrund bestehende Biogasprozessketten zu optimieren, weist das vorgestellte Bioraffineriekonzept vielversprechende und alternative Umwandlungspfade für Biomasse auf und könnte in naher Zukunft wirtschaftlich interessant werden. Darüber hinaus kann die milchsäureangereicherte Silage für weitere Anwendungen, wie beispielsweise in der Herstellung von mittelkettigen Fettsäuren geeignet sein. So ist das vorgestellte Bioraffineriekonzept von großer Bedeutung für zahlreiche Anwendungen und bietet eine Möglichkeit zur Optimierung der grünen Bioraffinerie. Es trägt dazu bei, unsere Gesellschaft und Industrie in eine nachhaltigere und an Verfahren vielfältigere Zukunft zu führen.