Transcript Mikrobiell konvertering av lignocellulosa: Nuvarande

Mikrobiell konvertering av lignocellulosa: Nuvarande användningsområden och framtida utmaningar Ulrika Rova, Biokemisk och kemisk processteknik
Luleå Tekniska Universitet
Bioenergi 2012 Piteå 15 November
1. Förbehandling 2. Hydrolys
3. Fermentering
4. Separation
Drivmedel
Plattformsmolekyler
http://pubs.acs.org/cen/coverstory/86/8649cover2.html
Flexibel och effektiv nyttjande av råvara
Tolerans mot hög osmolalitet
Tolerans mot inhibitorer
Tolerans mot hög produktkoncentration
Genetisk förändring ska vara möjlig
Hög produktivitet
GRAS
Bioraffinaderi en hörnsten i en biobaserad ekonomi
Biobaserad ekonomi
•
Hållbar produktion och effektiv användning av biomassa •
Ett ökat förädlingsvärde av biomassa, med minimal energiåtgången där näring och energi tas tillvara från slutprodukterna. •
Smartare produkter och smartare användning av råvara
– Bi‐ och avfallsprodukter blir råvaror,
– Nya produkter
– Bioraffinaderier.
Bioraffinaderi
•
Råvara •
Processer (termokemiska, kemiska, biokemiska och mekaniska processer)
•
Plattformar
•
Produkter (t.ex. energibärare, kemikalier och material)
Plattformsmolekyler
•
Byggstens kemikalier från biomassa
•
Molekyler med flera funktionella grupper med potential att förädlas till en rad applikationer via termiska, biologiska och kemiska processer
•
Processkostnader likvärdiga för biobränslen och biobaserade kemikalier, MEN kemikalier har ett högre marknadsvärde – funktion vs mängd •
Biobränsle‐drivna bioraffinaderier för samproduktion av både förädlade produkter (kemikalier, material, livsmedel, foder) och biobränslen från biomassa
•
Nuvarande globala biobaserade kemikalie ‐och polymerproduktion
uppskattas till ca 50 milj. ton – 113 milj. ton 2050. Främst PLA, bio‐etylen
•
Den globala petrokemiska produktion av kemikalier och polymerer uppskattas till ca 330 miljoner ton
•
Marknaden för biobaserade kemikalier beräknas till 6,8 miljarder USD 2015
Topp 12
C 3
• 3‐hydroxypropionic acid
• Glycerol C 4
• 1,4 diacids (Succinic, Fumaric, Malic)
• 3‐hydroxybutryoloacetone
• Aspartic acid
C 5
•
•
•
•
C 6
Glutamic acid
Levulinic acid
Itaconic acid
Xylitol/arabinitol
• 2,5 furan dicarboxylic acid
• Glucaric acid
• Sorbitol
Nuvarande och potentiella produktionsvägar
Marknadspotential
Kemisk funktionalitet
Relevans för nuvarande eller framtida bioraffinaderier
http://www1.eere.energy.gov/biomass/pdfs/35523.pdf
Produktion av bio‐baserade kemikalier
•
•
•
31 anläggningar
5 miljoner ton biobaserade kemikalier/år (2015)
Beroende av socker från jordbruksgrödor, tex majs eller sockerrör
NatureWorks
NE USA
2002
• 158 800 ton PLA
• Majssocker
• Bioplast
DuPont/Tate & Lyle • 45 000 ton 1,3‐Propanediol,
• Majssocker
TE USA 2006
Braskem
Brasilien
2010
• Polymerer, kosmetik, Sorona
• 200 000 ton polyetylen via etanol
• Rörsocker
• Plast
Gevo
MN & SD USA
2012 & 2013
Solazyme
IL USA 2012
ZeaChem
OR USA
2012
•68 milj. + 150 milj. liter isobutanol
•Socker, biomassa
•Bioplast, lösningsmedel, flygbränsle, smörjmedel, etc.
•2 milj. liter olja från alger
•Majssocker
•Kosmetik
•946 000 liter etanol, ättiksyra, etyl acetat
•Hybridpoppel
•Färger, lacker och lösningsmedel, bränslen
Planerad &pågående produktion av biobaserad SA
BASF/Purac
Spanien 2013
• 25 000 ton
• Socker, biomassa
• Bioplast, intermediat, lösningsmedel
BioAmber, Mitsui MI USA 2013
• 34 000 ton
• Socker
• Kosmetik, livsmedel ‐ smak och färg, smörjmedel, special kemikalier
BioAmber
Thailand 2014
Myriant
Technologies LA USA 2013 q1
• 65 000 ton
• Rörsocker
• Biobaserad polybutylen succinat
BioAmber
Frankrike 2010
• 3 000 ton
• Socker från vete
• Kosmetik, livsmedel ‐ smak och färg, smörjmedel, special kemikalier
• 10 000 ton
• 13 600 ton SA samt PLA
• Durra
• Polymerer, detergenter, fibrer, tensider
• 2009 – 30 000 ton/år, varav 5% ”grön SA”
• Marknadspotential 245 000 ton/år
• SA baserade polymerer 25 milj. ton/år
Reverdia
• Majsstärkelse
(DSM/Roquette) • Lösningsmedel, pigment, biobaserade Italien 2012
polymerer (polybutylen succinat)
• Test
Reverdia
• Majsstärkelse
(DSM/Roquette) • Lösningsmedel, pigment, biobaserade Frankrike 2010
polymerer (polybutylen succinat)
Bärnstenssyra LTU
Syntetsikt
Hydrolysat
Barrved
Glukos
SEKAB/Domsjö
40 g/L; YP/S 0,75 g/g
Mannos
Fruktos
Tot 80 g/L
YP/S 0,85 g/g
QP 2,95 g/L h
QP 1,1 g/L h
Svartlut, Björk
Smurfit Kappa
Vattenextraktioner
Galaktos
Björk, Smurfit Kappa
Xylos
Arabinos
17 g/L; YP/S 0,85 g/g
Tot 40 g/L
YP/S 0,60 g/g
QP 1,50 g/L h
QP 0,3 g/L h
Från labskala till verifiering …
•
•
Påskynda utveckling, verifiering och kommersialisering av nya biobaserade kemikalier
.. i Bioraffinaderi Demon Ö‐vik
•
•
•
•
Möjlighet till demonstration av nya produkter som kan integreras i ett •
bioraffinaderi
5 st 10 000 m3 reaktorer
100‐150 m3 råvara per år
Skogsråvara (flis från gran, tall, björk resp asp, sågspån, GROT, kemisk massa o fiberslam)
Agroråvara (sockerrörsbagass, vetehalm, majskolvar och majsblast)
180 driftdygn/år Verifiering
Pilot
•
•
•
•
•
•
10 000 – 100 000 l/år •
•
2000 timmar
•
Ej kontinuerlig drift •
Ej komplett logistikkedjan
•
Möjligheten att verifiera utvalda tekniska steg •
Produkten behöver ej •
marknadsföras
Demo
100 000‐500 000 l/år
3000 timmar
Kontinuerlig produktion
Kontinuerlig drift Hela produktions
processen/logistikkedjan
Produkten marknadsförs
Anläggning får inte drivas under ekonomiska mål
Produktion
•
•
•
•
•
500 000 l/år
4000 – 5000 timmar
Kontinuerlig produktion med hög tillgänglighet
Anläggning drivs med ekonomiska mål
Produkten marknadsförs
Smörsyra, n‐butansyra
•
Karboxylsyra ‐naturligt i mjölk, smör och ost
•
•
Allmänt betraktad som säker livsmedeltillsatts
Direkt användning
• Smaktillsats i light‐produkter samt djurfoder
• Läkemedelsindustrin – anticancer
Plattformsmolekyl
• Cellulosaacetatbutyrat (100% biobaserad)‐
mjukgörare • Biobränsle – butanol
• Butylacetat ‐ lösningsmedel
• 4‐heptanon, 4‐heptanol och heptan –
lösningsmedel, smakämne, arom, mjukgörare
•
Aromämnen
– Smörsyreestrar och aldehyder
1988‐1991 24 000 ton kommersiell produktion (USA)‐ produktion av cellulosaacetatbutyrat
Sverige
• 2007‐2011 importerades ca 272 ton av gruppen ”Butansyror samt salter och estrar av butansyror”
•
Nederländerna stod för 80 % av importerad andel. Produktion
•
Produceras industriellt petro‐kemiskt via propylen som oxideras till smörsyra eller butanol.
•
Extraktion från smör (2‐4% smörsyra) •
Fermentering
Utmaningar
Råvara
•Flexibilitet
•Kostnad
•Utbyte
Fermentering
•Inhibitorer
•Skala
Separation
•Online
•Minimal energi
Produkt
•Kvalitet/funktion
•Marknad & efterfrågan
•Framtida marknads segment
•Konkurrens
”Storskalig jäsning av lignocellulosa för produktion av smörsyra vid EPAB:s demoanläggning i Örnsköldsvik” •
Finanisering Energimyndigheten 3,9 MSEK
•
Syftet med detta projekt är att skala upp och utvärdera jäsning av lignocellulosa till smörsyra
•
Det första storskaliga försöket med bakteriejäsning i anläggningen och en startpunkt för att göra andra kemikalier än etanol från lignocellulosa. •
Utvärdera användning av demoanläggningen i ett s.k. bioraffinaderikontext.
•
2‐4 butansyra fermenteringar SSF hydrolyserade majskolvar
Gran Majs
Vete
Förbehandling majskolv/vetehalm/gran
• Svavelsyra (pH 1,5‐1,7) vid 187 C, 8 min
Arabinos
4,4%
Samtidig hydrolys och jäsning (SSF)
• Start volume 400 ml, 1% YE & 10% slurry, pH Galaktos
1,8%
Mannos
6.0, 37 C, N2 (g) • Cellic CTec2
Glukos
5,8%
Furfural
2,1% Ättiksyra
4,4%
HMF
1,0%
Majskolvsslurry
Xylan
4,7%
0,5%
• Clostridium tyrobutyricum
• Clostridium acetobutylicum
• 50‐70 timmar, fed‐batch, totalt 40/60% slurry
SS
47,4%
Glukan
42,3%
Xylos
32,6%
Man/Arab
0,4%
C. tyrobutyricum majskolv
25
C. tyrobutyricum vetehalm
25
15
Acetic
acid
10
Butyric
acid
5
0
0
50
100
150
200
Concentrations (g/L)
Concentrations (g/L)
20
20
15
Ferm14 (acetic)
5
0
0
Fermentation time (h)
15
Spruce Slurry
Corn‐Cob slurry
Wheat Straw slurry
0
0
50
100
150
Fermentation time (h)
100
150
200
Produktivitet
200
25
Total amount produced (g)
Butyric acid conc (g/L)
20
5
50
Fermentation time (h)
C. acetobutylicum
10
Ferm14 (Butyric)
10
20
15
C.tyrobutyricum
10
C. acetobutyricum
5
0
0
50
100
150
Fermentation time (h)
200
Tack!
•
•
•
•
Dr. Magnus Sjöblom
Tekn. Lic. Adam Jaros
Tekn. Lic. Jonas Helmerius
Prof. Kris Berglund
•
•
•
•
•
Smurfit Kappa SEKAB Energimyndigheten
VINNOVA
Bio4Energy