Controlling sugarcane press-mud fermentation to increase bioethanol steam reforming for hydrogen production

Abstract

Hydrogen (H2) production from sugarcane press-mud, a waste obtained from the non-centrifugal sugarcane agroindustry, was assessed by coupling hydrolysis, fermentation, purification, and ethanol steam reforming (ESR). Two culture media were employed on three different sugarcane press-mud samples to produce bioethanol by fermentation using Saccharomyces cerevisiae at 30 °C. One culture medium was supplemented with nutrients and the other without supplementation. The supplementation did not have a significant effect over ethanol production (∼82.1 g L−1) after 70 h fermentation, but the concentration of the impurities was always lower under supplemented conditions. Among tested impurities, differences in 3-methyl-1-butanol showed the effect of the supplementation on the ESR over RhPt/CeO2-SiO2 catalyst at 700 °C, where the H2 yield decreased significantly in the presence of 3-methyl-1-butanol (p < 0.05). The spearman correlation coefficient showed that the H2 yield was correlated with the 3-methy-1-butanol content (RHO = −0.929) and carbon deposits (RHO = −0.964). Therefore, supplemented bioethanol could deliver 3.0 g H2 kg−1 sugarcane press-mud, which is almost twice that of the non-supplemented samples, likely due to the reduction of harmful impurities in the bioethanol. Additionally, supplemented conditions allowed for energy savings in the process and improved catalyst stability. This study provides insights into the effect of supplementing culture media to produce purer bioethanol samples, which further deliver higher H2 yields by ESR.

La producción de hidrógeno (H2) a partir del lodo prensado de caña de azúcar, un residuo obtenido de la agroindustria de la caña de azúcar no centrífuga, se evaluó mediante el acoplamiento de hidrólisis, fermentación, purificación y reformado con vapor de etanol (ESR). Se emplearon dos medios de cultivo en tres muestras diferentes de lodo prensado de caña de azúcar para producir bioetanol por fermentación usando Saccharomyces cerevisiae a 30°C. Un medio de cultivo fue suplementado con nutrientes y el otro sin suplementación. La suplementación no tuvo un efecto significativo sobre la producción de etanol (∼82.1gL−1) después de 70h de fermentación, pero la concentración de impurezas siempre fue menor bajo condiciones de suplementación. Entre las impurezas probadas, las diferencias en 3-metil-1-butanol mostraron el efecto de la suplementación en la ESR sobre el catalizador RhPt/CeO2-SiO2 a 700°C, donde el rendimiento de H2 disminuyó significativamente en presencia de 3-metil-1- butanol (p<0,05). El coeficiente de correlación de Spearman mostró que el rendimiento de H2 se correlacionó con el contenido de 3-metil-1-butanol (RHO=−0,929) y los depósitos de carbono (RHO=−0,964). Por lo tanto, el bioetanol suplementado podría generar 3,0 g H2 kg−1 de lodo prensado de caña de azúcar, que es casi el doble de las muestras no suplementadas, probablemente debido a la reducción de impurezas nocivas en el bioetanol. Además, las condiciones suplementadas permitieron ahorrar energía en el proceso y mejoraron la estabilidad del catalizador. Este estudio proporciona información sobre el efecto de complementar los medios de cultivo para producir muestras de bioetanol más puras, que ofrecen mayores rendimientos de H2 por ESR.