Biofuel production potential of Jatropha curcas L: oil characterization for biodiesel production, and enhancing the biogas production potential of various residues using different pretreatment methods

Abstract

Increasing global fuel prices, growing energy consumption, and profound environmental concerns are the key factors that motivated the search for alternative energy sources. Biofuels such as bioethanol, biodiesel, and biogas have been identified as promising fuels that potentially substitute the consumption of diesel, gasoline, and natural gas, respectively. Biodiesel is gaining popularity among mentioned biofuels due to its easiest applicability in all diesel engines without major modifications, while biogas is the alternative domestic energy source in the rural area of developing countries and could be also upgraded into biomethane for increasing its energy content and applicability. As a result, many efforts have been made to produce biodiesel and biogas from various feedstocks. However, more than 95% of biodiesel is produced from edible oil crops, which brought scathing criticism due to unsustainability, higher edible oil cost, and fuel versus food conflicts. The higher price of edible oil increases the overall biodiesel production cost; thus, the biodiesel production would not be economically viable as compared to petrol diesel. Therefore, researchers and industries are strongly motivated to search for low cost and nonedible feedstocks to secure sustainable biodiesel production. Jatropha curcas L (J. curcas) has been identified as a promising tropical, and subtropical plant for biodiesel production and the application of J. curcas biodiesel as engine fuel has been tested successfully. However, sustainable biodiesel production from J. curcas is not achieved yet due to various factors such as low seed production, higher biodiesel production cost, and limited technologies in seed harvesting and biodiesel production. Likewise, fruit processing for seed production, oil extraction, and biodiesel production generates large volumes of J. curcas residues such as J. curcas fruit shell (JCFS), J. curcas press cake (JCPC), and crude glycerol (CG). JCPC and JCFS share above 80% of the dry fruit weight, while transesterification of 100 kg oil generates 10 kg of CG. These residues can neither be used as animal feed nor as organic fertilizer because of toxic chemicals such as crucin and phorbol ester. As a result, an open disposal of these residues may adversely affect the environment unless adequately managed. The migration of gas and leachate from the wastes into the surrounding environment could result in severe environmental concerns such as groundwater pollution and climate change through methane gas emission. Interestingly, these residues could be considered as additional valuable resources in the J. curcas value chain since they have a large potential for biogas production. The economic return of biofuel production from J. curcas could be maximized through improving the biofuel conversion process and utilizing the full potential of J. curcas, i.e., the oil and various residues. However, biogas production from the residues could be affected by higher lignocellulosic constituents of JCFS and JCPC. iv These phenomena motivated for characterizing the potential of J. curcas for biofuel production before the establishment of large-scale biodiesel and biogas plants. Therefore, the main objective of the present PhD thesis was to analyze the biofuel production potential of Ethiopian variety J. curcas by explicitly focusing on examining the potential and suitability of J. curcas oil and various residues for biodiesel and biogas production, respectively. For this purpose, this study attempted to investigate the oil yield, composition, and physicochemical properties of J. curcas seed grown in different areas of Ethiopia using various analytical, instrumental, and empirical methods. Furthermore, various pretreatment methods that could improve the methane yield of J. curcas residues were investigated, and the optimum pretreatment conditions that resulted in higher methane yield were determined and modeled. The present PhD thesis contains five scientific papers that are geared together towards achieving evaluation of the biofuel production potential of J. curcas oil and various residues. J. curcas is a tropical and subtropical species growing for multiple applications such as soil conservation and soap production, and numerous studies across the world have been conducted to study the biodiesel production potential of J. curcas oil. The first review paper (Paper I) focused mainly on the identification of factors affecting the sustainability of biodiesel production from J. curcas grown across tropical and subtropical regions. The result from Paper I reveals that the biodiesel production potential of J. curcas oil is affected by various ecological, social, economic, policy, and technological barriers. The type and degree of these individual impacts on the cultivation, oil extraction, and biodiesel process varied across various J. curcas growing countries. Therefore, it was indispensable to narrow the study into a specific location (Ethiopia) to identify the fundamental factors affecting the potential and suitability of J. curcas for sustainable biodiesel production. Therefore, the second paper (Paper II) explicitly focused on investigating the oil yield, composition, and physicochemical properties of J. curcas grown in different areas of Ethiopia. Furthermore, various biodiesel fuel properties were predicted from the fatty acid composition of J. curcas oils. The experimental result from Paper II showed that the oil yield of J. curcas kernel ranged between 47.10 to 59.32%, depending on the biophysical condition of growing areas. J. curcas grown at both higher and lower altitudes showed significantly lower oil yield as compared to these growing at the middle altitudes. The fatty acid composition of the oil was dominated by oleic (34.20-42.20%) and linoleic (34.80-41.80%) acids, while fuel properties such as kinematic viscosity, density, cold filter plugging point, and cetane numbers predicted from the fatty acid composition of oils were agreed with EN-14214 standards. Thus, considering the higher kernel oil content and suitable physicochemical properties of the oil, Ethiopian variety J. curcas is confirmed as a promising feedstock for biodiesel production. v In the biodiesel production chain, various J. curcas biowastes such as JCFS, JCPC, and CG were generated in massive volume, and the biochemical methane potential (BMP) of these biowastes was enhanced through applying proper pretreatment methods (Paper III-V). The methane yield of JCPC was significantly improved using alkaline pretreatment and co-digestion with CG (Paper III). The effect of NaOH concentration, incubation temperature and retention time on the methane yield of JCPC was investigated and modeled using response surface methodology coupled with a central composite design (RSM-CCD). JCPC was further co-digested with CG by varying the organic loading (OL) and CG levels. The alkaline pretreatment process was significantly affected by the linear and quadratic effect of NaOH concentration, incubation temperature, and retention time (p < 0.05); however, the interactive impact between two process variables was not significant. Thus, soaking the JCPC with 7.32% NaOH at 36 °C for 54 hrs has been predicted for maximum methane yield of 353.90 ml g-1 VS, whereas the co-digestion experiment employed at 2 g L-1 OL that contained 2% CG was identified as an optimum co-digestion process for higher methane production of 325.47 ml g-1 VS. The promising result from alkaline pretreatment has motivated the authors to search for other environmentally benign and low-cost lignocellulosic pretreatment options. Thus, non-catalyzed steam explosion (SE) pretreatment was selected as the best option, and the effect of temperature and retention time on the methane yield of JCPC was investigated and modeled using RSM-CCD (Paper IV). A series of SE pretreatments were employed at different temperature-time combinations. This study found that all the linear, interactive, and quadratic effects of explosion temperature and retention time were significantly correlated with the methane yield of JCPC (p ≤ 0.05). Lower methane yield was obtained from JCPC pretreated at lower and higher severity factor. The prediction from the RSM-CCD model revealed that heating the biomass at 202 C for 9.39 mins would result in a maximum methane yield of 330.14 ml g-1 VS. However, the maximum methane yield obtained at this optimum condition exceeded by only 1.70% as compared to the co-digestion process. Thus, considering the environmental and economic advantage of JCPC and CG, the co-digesting process was suggested as a promising approach for enhancing the methane yield of the mixture over SE pretreatment. The other potential biowaste generates during seed processing for oil extraction is lignocellulosic rich JCFS. Mechanical, alkaline, and SE pretreatments at various process conditions were employed for enhancing the methane yield of JCFS (Paper V). The effect of mechanical pretreatments on the methane yield of JCFS was examined by grinding its particle size into ≤ 1 mm. The particle size distribution, median diameter (d50), and mean diameter of ground JCFS was investigated using laser diffraction. The effect of alkaline pretreatment on the chemical vi composition and methane yield of JCFS was examined using the optimum condition defined in Paper III, i.e., 7.32% NaOH, 36 °C incubation temperature, and 54 hrs retention time. Likewise, the SE experiments were carried out at different explosion temperature (160-220 C) and retention time (5-20 mins). The methane yield obtained from milled JCFS was estimated to be 349.56 ml g-1 VS, which is higher by 74.23% as compared to untreated biomass. Similarly, the alkaline pretreatment employed at specified conditions has resulted in 44.05% (288.6 ml g-1 VS) more methane yield than untreated JCFS. The alkaline pretreatment was found to be more efficient in lignin removal. The SE pretreatment was effective in hemicellulose dissolution; however, the methane yield has linearly decreased from 179.49 to 310.32 ml g-1 VS as severity factor increases from 2.47 to 4.83. Therefore, mechanical pretreatment was found more effective for enhancing the methane yield of JCFS as compared to alkaline and SE pretreatment methods.

Økende globale drivstoffpriser, økende energiforbruk og miljøbekymringer er nøkkkelfaktorer som har motivert til søken etter alternative energikilder. Biodrivstoff som bioetanol, biodiesel og biogass er identifisert som lovende fornybare energibærer som erstatter henholdsvis diesel, bensin og naturgass. Biodiesel har blitt populært på grunn av den kan brukes uten større motormodifikasjoner. Biogass er den beste alternative innenlandsk energikilden på landsbygda i utviklingsland og kan dessuten bli ytterligere oppgradert til biometan som kan brukes som drivstoff. Som et resultat har det blitt gjort mange bestrebelser på å produsere og utnytte biodieselen og biogassen til forskjellige bruksområder. Imidlertid, produseres på verdensbasis mer enn 95 % av biodiesel fra vegetabilske oljer som kunne vært brukt til mat, noe som har ført til mye kritikk om bærekraftighet, produksjonskostnader og konflikter mellom drivstoff og mat. Høyere pris på oljer som kan brukes til mat fører til økte produksjonskostnader av biodiesel. Dermed vil ikke biodieselproduksjonen være mer økonomisk levedyktig enn fossil diesel. Derfor er forskere og næringer sterkt motivert av å finne billige og ikke-spiselige råvarer for å sikre bærekraftig produksjon av biodiesel uten å påvirke matforsyningskjedene. Jatropha curcas L (J. curcas) er identifisert som en av de lovende tropiske og subtropiske plantene for produksjon av biodiesel, og bruken av J. curcas til biodiesel som drivstoff er blitt forsøkt. Imidlertid oppnås ikke økonomisk bærekraftig biodieselproduksjon fra denne energiveksten ennå på grunn av flere årsaker slik som lav avkastning, høye produksjonskostnader på biodiesel og begrenset teknologi for effektiv høsting av Jatropha-frøene. Samtidig danner avfall fra framstillingen fra fruktprosessering for frøproduksjon, oljeutvinning og biodieselproduksjon store mengder J. curcas-rester som J. curcas nøtteskall (JCFS), J. curcas presskake (JCPC) og rå-glyserol (CG). JCPC og JCFS utgjør over 80% av tørrstoffet, mens transesterifisering av 100 kg olje generer 10 kg CG. Disse restene kan verken brukes som dyrefôr eller som organisk gjødsel på grunn av giftige kjemikalier som crucin og forbolester. Med mindre håndtering av avfallet blir tilstrekkelig håndtert vil en avhending uten restriksjoner påvirke miljøet negativt. Utlekking av gass og sigevann fra avfallet til det omgivende miljøet kan føre til alvorlige miljøproblemer som grunnvannsforurensning og klimaendringer gjennom metangassutslipp. Det er imidlertid interessant at disse bioavfallsstoffene kan betraktes som ekstra verdifulle ressurser i J. curcas verdikjeden, siden de har et stort potensial for biogassproduksjon. Den økonomiske avkastningen av biodrivstoffproduksjon fra J. curcas kan maksimeres ved å forbedre effektiviteten for konvertering av biodrivstoff og utnytte bedre de potensielle J. curcasviii ressursene. Imidlertid er biogassproduksjon fra JCFS og JCPC utfordrende på grunn av innholdet av lignocellulose komponenter. Disse utfordringene har ført til et behov for å karakterisere J. curcas potensial og egnethet for produksjon av biodrivstoff, noe som er viktig før etableringen av store biodieselanlegg. Derfor var hovedmålet med denne doktorgradsavhandlingen å analysere biodrivstoffsproduksjonspotensialet til etiopiske sorter av J. curcas ved å karakterisere potensialet og undersøke egnetheten til henholdsvis J. curcas olje for produksjon av biodiesel og ulike rester fra produksjon til biogass. For dette formålet har man i denne avhandlingen ved hjelp av ulike analytiske, instrumentelle og empiriske metoder undersøkt oljeutbyttet, sammensetningen og de fysisk-kjemiske egenskapene til J. curcas frø dyrket i forskjellige områder av Etiopia. Videre ble forskjellige forbehandlingsmetoder som mulig forbedrer det biokjemiske metanpotensialet til J. curcas-restene undersøkt, og i tilegg ble forbehandlingsbetingelsene som kunne resultere i høyere metanutbytte analysert og modellert. Doktorgradsavhandlingen inneholder fem vitenskapelige artikler som er satt sammen for å oppnå evaluering av potensialet for produksjon av biodrivstoff til J. curcas olje og forskjellige rester. J. curcas er en tropisk og subtropisk art som har forskjellige bruksområder, og det er utført mange studier over hele verden på biodieselproduksjonspotensialet til J. curcas. Den første artikkelen som er en litteraturstudie, (Paper I) fokuserer hovedsakelig på identifisering av faktorer som påvirker bærekraftig produksjon av biodiesel fra J. curcas dyrket over flere tropiske og subtropiske regioner. Resultatet fra artikkelen (Paper I) avslører at biodieselproduksjonspotensialet til J. curcas olje påvirkes av ulike økologiske, sosiale, økonomiske, politiske og teknologiske barrierer. Resultatet indikerer at faktorer som påvirker dyrking, oljeutvinning og biodieselprosess, varierte i de ulike regionene. Derfor var det ikke mulig å begrense studien til et bestemt sted (land) for å identifisere de grunnleggende faktorene som påvirker potensialet og egnetheten til J. curcas for produksjon av biodiesel. Typen og graden av hvordan hver av disse faktorene påvirket dyrking, oljeutvinning og biodieselprosess varierte i forskjellige land. Derfor var det nødvendig å begrense studien til et bestemt sted (Etiopia) for å identifisere de grunnleggende faktorene som påvirker potensialet og egnetheten til J. curcas for bærekraftig produksjon av biodiesel. I den andre artikkelen (Paper II) var målet å undersøke av oljeutbyttet, sammensetningen og de fysiskkjemiske egenskapene til J. curcas som vokste under forskjellige betingelser i Etiopia. Man undersøkte om J. curcas hadde potensial og egnethet av olje for produksjon av biodiesel. Resultatet fra forsøket viste at oljeutbyttet av J. curcas-kjernen varierte mellom 47.10 og 59.32%, ix avhengig av voksestedets biofysiske betingelser. J. curcas dyrket i både høyere og lavere høyder over havet viste betydelig lavere oljeutbytte sammenlignet med de som ble dyret i mellomhøyde. Fettsyresammensetningen i oljen var dominert av oljesyre (34.20-42.20%) og linolsyre (34.80- 41.80%) syrer, mens de forskjellige biodieselens drivstoffegenskaper slik som fettsyresammensetningen av oljer var i samsvar i EN-14214-standardene. Konklusjonen, med tanke på høyt oljeutbytte og gode fysikalsk-kjemiske egenskaper til oljen, ble den etiopiske sorten av J. curcas vurdert som et lovende råstoff for produksjon av biodiesel. I biodiesel-produksjonskjeden ble de ulike restproduktene som JCFS, JCPC og CG samlet opp, og det biokjemiske metanpotensialet (BMP) for disse restproduktene ble forbedret ved å anvende riktige forbehandlingsmetoder (Paper III-V). Metanutbyttet av JCPC ble betydelig forbedret ved bruk av alkalisk forbehandling og samutråtnet med CG (Paper III). Effekten av NaOHkonsentrasjon, inkubasjonstemperatur og behandlingstid på metanutbyttet av JCPC ble undersøkt og modellert ved hjelp av en responsoverflatemetodikk kombinert med sentralt sammensatt design (RSM-CCD). JCPC ble samutråtnet med CG ved å variere organisk belastning (OL) og ulike mengde tilsatt CG. Den alkaliske forbehandlingsprosessen ble sterkt påvirket av NaOH-konsentrasjon og behandlingstid (p <0.05). Imidlertid var effekten av inkubasjonstemperaturen svak. Effekten av alkalisk forbehandling på metanutbyttet av JCPC ble variert avhengig av de ulike prosessbetingelsene. Oppfukting av JCPC med 7.32% NaOH ved 36 °C i 54 timer ble identifisert som optimal forbehandling ut fra maksimalt forventet metanutbytte på 353.90 ml g-1 VS, mens samutråtningsforsøket som ble utført ved organisk belastning på 2 g L- 1 hvor det var tilsatt 2% CG gav en metanproduksjon på 325.47 ml g-1 VS. Det lovende resultatet fra alkalisk forbehandling motiverte til å søke etter andre miljøvennlige og billige forbehandlingsalternativer for lignocellulose-materialer. Dermed ble ikke-katalysert SEforbehandling valgt som et alternativ, og effekten av temperatur og behandlingstid på metanutbyttet av JCPC ble undersøkt og modellert ved bruk av RSM-CCD (Paper IV). En serie med forbehandlinger med dampeksplosjon (SE) ble utført ved forskjellige temperatur-tidkombinasjoner. Fra denne studien ble det funnet at eksplosjonstemperaturen og behandlingstiden påvirket eksplosjonsprosessen (p ≤ 0.05) betydelig. Analysene fra RSM-CCDmodellen viste at oppvarming av biomassen til 202 C i 9.39 minutter gav et maksimalt metanutbytte på 330.14 ml g-1 VS. Imidlertid var økningen bare 1.7% sammenlignet med maksimalt metanutbyttet fra samtrenings prosessen. Dermed, med tanke på den miljømessige og økonomiske fordelen med JCPC og CG, ble samutråtningsprosessen vurdert til den mest lovende for å forbedre blandingens metanutbytte framfor SE-forbehandlingen. x Det andre mulige restavfallet som skapes under prosessering av frø for oljeutvinning, er lignocelluloserikt JCFS. Mekanisk, alkalisk og SE-forbehandling ved forskjellige prosessbetingelser ble undersøkt for å forbedre metanutbyttet av JCFS (papir V). Effekten av mekaniske forbehandlinger (malinger) på metanutbyttet av JCFS ble undersøkt ved å sortere ut partikkelstørrelser på under 1 mm. Partikkelstørrelsesfordelingen, median diameter (d50) og gjennomsnittlig diameter fra JCFS ble undersøkt ved bruk av laserdiffraksjon. Effekten av alkalisk forbehandling på den kjemiske sammensetningen og metanutbyttet av JCFS ble undersøkt ved å bruke den optimale tilstanden definert i Paper III, dvs. 7.32% NaOH, 36 °C inkubasjonstemperatur og 54 timers behandlingstid. Likeledes ble SE-eksperimentene utført ved forskjellig eksplosjonstemperatur (160-220 °C) og behandlingstid (5-20 minutter). Metanutbyttet oppnådd fra malt biomasse ble estimert til å være 349.56 ml g-1 VS, som var 74.23% høyere sammenlignet med ubehandlet biomasse. På den annen side resulterte den alkaliske forbehandlingen i 44.05% (288.6 ml g-1 VS) mer metanutbytte enn ubehandlet JCFS. Den alkaliske forbehandlingen ble funnet å være mest effektiv for ligninoppløsning. SEforbehandlingen var effektiv ved hemicelluloseoppløsning; imidlertid ble metanutbyttet redusert lineært fra 179.49-310.32 ml g-1 VS avhengig av økning av produktet av faktorene temperatur og tid (severity factor) fra 2.47-4.83. Derfor ble mekanisk forbehandling vurdert som mer effektiv for å forbedre metanutbyttet av JCFS sammenlignet med de alkaliske og SEforbehandlingsmetodene.