Production of reducing sugars from lignocellulosic kikuyu grass residues by hydrolysis using subcritical water in batch and semibatch reactors

Paola-Andrea Marulanda-Buitrago, Víctor-Fernando Marulanda-Cardona
{"title":"Production of reducing sugars from lignocellulosic kikuyu grass residues by hydrolysis using subcritical water in batch and semibatch reactors","authors":"Paola-Andrea Marulanda-Buitrago, Víctor-Fernando Marulanda-Cardona","doi":"10.29047/01225383.70","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"espanolRESUMEN Se estudio la hidrolisis subcritica en modo de operacion batch y semicontinuo de residuos lignocelulosicos de pasto Kikuyu. Los experimentos evaluaron el efecto de la temperatura (250-300 °C), relacion masica (6:1-30:1), presion (1 490-3 190 psi), y flujo de agua (3-9 ml/min) en la productividad de azucares reductores (RS). La produccion de azucares reductores se midio por medio del metodo DNS y la eficiencia se calculo como la relacion entre la masa de azucares reductores producida y la masa total de residuo alimentado al reactor. Una productividad maxima de RS de 9.7% se obtuvo en los experimentos batch a 300 °C, relacion masa de 30:1 y 3190 psi, mientras que una productividad acumulada de 22% se obtuvo en los experimentos semibatch a 300 °C, 2000 psi y 9 ml/min. La productividad mas baja en los experimentos batch se atribuyo al elevado tiempo de reaccion en comparacion con los experimentos semibatch, en los cuales el tiempo de reaccion no es solo mas corto sino que tambien los productos de la hidrolisis se remueven continuamente del reactor. El analisis de varianza de los datos para los experimentos batch mostro como significativa solo la interaccion entre la temperatura y la relacion masica, mientras que la presion no tuvo efecto. Una notoria disminucion de pH se midio a medida que incrementaba el tiempo de reaccion debido a la formacion de productos acidos de degradacion. Los resultados demuestran la factibilidad de producir azucares reductores a partir de residuos lignocelulosicos disponibles en grandes cantidades y actualmente desechadas sin ningun aprovechamiento por medio de hidrolisis subcritica. portuguesRESUMO Ahidrolise subcritica de residuos lignocelulosicos de vidro Kiyuku foi realizada em uma operacao de lote e semi-lote. Os experimentos avaliaram o efeito da temperatura (250-300 °C), a proporcao de massa (6:1-30:1), a pressao (1 490-3 190 psi), e o debito de agua (3-9 ml/min) no rendimento de acucares redutores (RS). A producao de acucar redutora foi estimada atraves do metodo DNS e sua eficacia foi calculada como sendo igual a proporcao entre a massa de acucares redutores produzidos e a massa total do residuo alimentado no reator. Um RS maximo de 9,7% foi calculado nos experimentos de hidrolise em lote a 300 °C, proporcao de massa de 30:1 e 3 190 psi, comparado com um RS acumulado de 22% em experimentos semi-lote a 300 °C, 2 000 psi e 9 ml/min. O menor rendimento foi atribuido ao tempo de reacao estendida nos experimentos de lote quando comparados com os experimentos de semi-lote, onde o tempo de reacao nao e so mais curto mas tambem os produtos da hidrolise sao continuamente removidos do reator. A analise da variância estatistica dos dados para os experimentos de lote mostrou apenas uma interacao significativa entre temperatura e proporcao de massa, enquanto a pressao nao teve nenhum efeito significativo. Uma diminuicao notoria em pH foi verificada com o aumento dos tempos de reacao produto da formacao de produtos de degradacao acidica. Os resultados mostraram a viabilidade da producao de acucares redutores de residuos lignocelulosicos disponiveis e atualmente descartaveis e sem usos potenciais atraves da hidrolise subcritica. EnglishABSTRACT A subcritical hydrolysis of Kikuyu grass lignocellulose residues was carried out in batch and semi batch mode operations. Experiments assessed the effect of temperature (250-300 °C), mass ratio (6:130:1), pressure (1 490-3 190 psi), and water flow rate (3-9 ml/min) in reducing sugars (RS) yield. Reducing sugar production was measured by means of the DNS method, and efficiency was calculated as the ratio between the mass of produced reducing sugars and the total mass of the residue fed to the reactor. A maximum RS of 9.7% was measured in batch hydrolysis experiments at 300 °C, 30:1 mass ratio and 3 190 psi, whereas 22% accumulated RS yield was obtained in semi batch experiments at 300 °C, 2 000 psi and 9 ml/min. The lower yield was attributed to the extended reaction time in batch experiments in comparison to semi batch experiments, in which the reaction time is not only shorter but also the hydrolysis products are continuously removed from the reactor. Analysis of Variance of data for batch experiments showed only the interaction between temperature and mass ratio to be significant, whereas the pressure had no significant effect. A notorious decrease in pH was measured with increasing reaction times due to the formation of acidic degradation products. 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Abstract

espanolRESUMEN Se estudio la hidrolisis subcritica en modo de operacion batch y semicontinuo de residuos lignocelulosicos de pasto Kikuyu. Los experimentos evaluaron el efecto de la temperatura (250-300 °C), relacion masica (6:1-30:1), presion (1 490-3 190 psi), y flujo de agua (3-9 ml/min) en la productividad de azucares reductores (RS). La produccion de azucares reductores se midio por medio del metodo DNS y la eficiencia se calculo como la relacion entre la masa de azucares reductores producida y la masa total de residuo alimentado al reactor. Una productividad maxima de RS de 9.7% se obtuvo en los experimentos batch a 300 °C, relacion masa de 30:1 y 3190 psi, mientras que una productividad acumulada de 22% se obtuvo en los experimentos semibatch a 300 °C, 2000 psi y 9 ml/min. La productividad mas baja en los experimentos batch se atribuyo al elevado tiempo de reaccion en comparacion con los experimentos semibatch, en los cuales el tiempo de reaccion no es solo mas corto sino que tambien los productos de la hidrolisis se remueven continuamente del reactor. El analisis de varianza de los datos para los experimentos batch mostro como significativa solo la interaccion entre la temperatura y la relacion masica, mientras que la presion no tuvo efecto. Una notoria disminucion de pH se midio a medida que incrementaba el tiempo de reaccion debido a la formacion de productos acidos de degradacion. Los resultados demuestran la factibilidad de producir azucares reductores a partir de residuos lignocelulosicos disponibles en grandes cantidades y actualmente desechadas sin ningun aprovechamiento por medio de hidrolisis subcritica. portuguesRESUMO Ahidrolise subcritica de residuos lignocelulosicos de vidro Kiyuku foi realizada em uma operacao de lote e semi-lote. Os experimentos avaliaram o efeito da temperatura (250-300 °C), a proporcao de massa (6:1-30:1), a pressao (1 490-3 190 psi), e o debito de agua (3-9 ml/min) no rendimento de acucares redutores (RS). A producao de acucar redutora foi estimada atraves do metodo DNS e sua eficacia foi calculada como sendo igual a proporcao entre a massa de acucares redutores produzidos e a massa total do residuo alimentado no reator. Um RS maximo de 9,7% foi calculado nos experimentos de hidrolise em lote a 300 °C, proporcao de massa de 30:1 e 3 190 psi, comparado com um RS acumulado de 22% em experimentos semi-lote a 300 °C, 2 000 psi e 9 ml/min. O menor rendimento foi atribuido ao tempo de reacao estendida nos experimentos de lote quando comparados com os experimentos de semi-lote, onde o tempo de reacao nao e so mais curto mas tambem os produtos da hidrolise sao continuamente removidos do reator. A analise da variância estatistica dos dados para os experimentos de lote mostrou apenas uma interacao significativa entre temperatura e proporcao de massa, enquanto a pressao nao teve nenhum efeito significativo. Uma diminuicao notoria em pH foi verificada com o aumento dos tempos de reacao produto da formacao de produtos de degradacao acidica. Os resultados mostraram a viabilidade da producao de acucares redutores de residuos lignocelulosicos disponiveis e atualmente descartaveis e sem usos potenciais atraves da hidrolise subcritica. EnglishABSTRACT A subcritical hydrolysis of Kikuyu grass lignocellulose residues was carried out in batch and semi batch mode operations. Experiments assessed the effect of temperature (250-300 °C), mass ratio (6:130:1), pressure (1 490-3 190 psi), and water flow rate (3-9 ml/min) in reducing sugars (RS) yield. Reducing sugar production was measured by means of the DNS method, and efficiency was calculated as the ratio between the mass of produced reducing sugars and the total mass of the residue fed to the reactor. A maximum RS of 9.7% was measured in batch hydrolysis experiments at 300 °C, 30:1 mass ratio and 3 190 psi, whereas 22% accumulated RS yield was obtained in semi batch experiments at 300 °C, 2 000 psi and 9 ml/min. The lower yield was attributed to the extended reaction time in batch experiments in comparison to semi batch experiments, in which the reaction time is not only shorter but also the hydrolysis products are continuously removed from the reactor. Analysis of Variance of data for batch experiments showed only the interaction between temperature and mass ratio to be significant, whereas the pressure had no significant effect. A notorious decrease in pH was measured with increasing reaction times due to the formation of acidic degradation products. The results showed the feasibility of producing reducing sugars from lignocellulosic residues available in large amounts and currently discarded without any utilization through subcritical hydrolysis.
亚临界水在间歇和半间歇反应器中水解木质纤维素基库尤草渣生产还原糖的研究
研究了基库尤草木质纤维素残基在批处理和半连续操作模式下的亚临界水解。实验评估了温度(250-300°C)、质量比(6:1-30:1)、压力(1 490-3 190 psi)和水流(3-9 ml/min)对还原糖产量(RS)的影响。用DNS法测量还原糖的产量,计算效率为生产的还原糖质量与送入反应器的废物总质量之比。在300°C、30:1质量比和3190 psi的批量实验中,最大生产率为9.7%,而在300°C、2000 psi和9 ml/min的半批量实验中,累计生产率为22%。间歇实验的生产率较低是因为与半间歇实验相比,反应时间较长,半间歇实验不仅反应时间较短,而且水解产物从反应器中不断去除。在本研究中,我们分析了温度和材料关系之间的相互作用,而压力没有影响。由于酸降解产物的形成,随着反应时间的增加,测量了pH值的显著下降。结果表明,从大量可用的木质纤维素废料中生产还原糖是可行的,目前通过亚临界水解处理而不加以利用。摘要采用批处理和半批处理两种方法对木纤维素玻璃残基进行亚临界水解。实验评估了温度(250-300°C)、质量比(6:1-30:1)、压力(1 490-3 190 psi)和水流(3-9 ml/min)对还原糖产率(RS)的影响。利用DNS方法估计了还原糖的产量,并将其效率计算为产生的还原糖质量与进料废物总质量之比。在300°C、30:1质量比和3 190 psi的批量水解实验中,最大RS为9.7%,而在300°C、2000 psi和9 ml/min的半批水解实验中,最大RS为22%。与半批实验相比,批实验的产率较低是因为反应时间较长,半批实验不仅反应时间较短,而且水解产物不断从反应器中去除。批量实验数据的统计方差分析显示,温度和质量比之间只有显著的相互作用,而压力没有显著的影响。随着酸降解产物形成反应时间的增加,pH值显著降低。结果表明,通过亚临界水解生产木质纤维素残基还原糖是可行的,目前可丢弃,没有潜在的用途。以批处理和半批处理方式对基库尤草木质纤维素残渣进行亚临界水解。实验评估了温度(250-300°C)、质量比(6:130:1)、压力(1 490-3 190 psi)和水流速率(3-9 ml/min)对减少糖产量的影响。减少糖产量是用DNS方法测量的,效率是计算减少糖产量的质量与向反应器输送的废物总量之间的比率。在300°C、30:1质量比和3 190 psi的批量水解实验中,最大RS值为9.7%,而在300°C、2 000 psi和9 ml/min的半批量实验中,最大RS值为22%。低产量的原因是与半批实验相比,批实验的反应时间较长,批实验的反应时间不仅较短,而且水解产物不断从反应器中去除。对批处理实验数据方差的分析只表明温度和质量比之间的相互作用是显著的,而压力没有显著影响。A pH臭名昭著decrease in was在with加大反应时代由于to the formation of acidic退化products。结果表明,有可能从大量可用的木质纤维素废料中生产减少糖,目前通过亚临界水解不作任何用途。
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