Bioenergi og fremtidens jordbrug Hvad er

Download Report

Transcript Bioenergi og fremtidens jordbrug Hvad er

Slide 1

Seminar: Bioenergi og fremtidens jordbrug
Hvad er mulighederne?
Dansk Landbrugsrådgivning 23. august 2006

IBUS-Projektet
Fra halm til bioethanol og kraftvarme
Anne Belinda Thomsen
Anders Thygesen
Mette Hedegaard Thomsen
RISØ National Laboratory,
Roskilde, DK

Dialogue, equality and trust are keywords in our relations with
our employees and all our collaboration partners

www.risoe.dk


Slide 2

Korn og halm: råvarer til bioethanol
bioethanol
Hydrolyse

Fermentering

Cellulose

Hemicellulose

Lignin

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 3

Forskellige lignocelluloseholdige råvarer











Hvede-, byg-, rug- halm
Majs halm
Sukkerørs-halm (bagasse)
Ris halm og risskaller
Træ (e.g. træsflis og pil)
Roeaffald
Græs
Husholdningsaffald
Haveaffald
Dybstrøelse

Halm produktion in DK

combusted
24%

Ploughed in
35%

5.7 mill. tons
Fra 1.65 mill. ha
(62% of area)
Bedding
24%

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Feed
17%


Slide 4

Halm til bioethanol
Enzymer

Mikroorganismer?

C5
Forbehandling
Tryk og temp.

Enzymer

gær

Hemicellulose

C6

Cellulose
Lignin

Hydrolyse

Fermentering

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Ethanol

Distillation


Slide 5

EU-project: Co-production Biofuel (IBUS)
Formål: Samproduktion af elektricitet og bioethanol

Milepæl: Konstruktion og aftestning af pilot reaktor til
forbehandling af 1000 kg halm pr time
EU-projekt: 2003-2006
Partnere:
Elsam A/S
KVL

Motivation:

Fra 2000 skal danske kraftværker
anvende 1.2 million tons
biomass om året –
hovedsagelig halm til kraft/
varme

TMO Biotech

Forskningscenter Risø

Pga. et højt kaliumindhold er
halm ikke velegnet til
forbrænding.

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 6

Co-production Biofuel (IBUS)
1. trin: Pilotskala reaktor med en kapacitet på 100 kg/h

Forbehandlingsenhed placeret på et kraftværk:
Fynsværket i Odense Denmark.

Råmaterialer:
• Halm
• Husholdningsaffald
• Andet (korn)

Designet til:
• høj koncentration af
tørstof (over 50 %)
• store partikler (e.g. halm
længere end 5 cm lange),
• temperatur op til 230°C :

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 7

IBUS 1000 kg/h anlæg
195-200ºC
90-100% cellulose
convertibilitet
50% hemicellulose
recovery

180ºC + 195ºC
90-100% cellulose
convertibilitet
83% hemicellulose
recovery

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 8

IBUS 1000 kg/h anlæg
Forbehandlings udstyr

Halmsnitter: mindre
energikrævende end
hammermølle

Halm-udmadning fra
reaktor 3
Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 9

Problemer ved fermentering af ethanol fra halm
C-5 udnyttelse (til ethanol); C5 udgør 25-35% af råvaren
Inhibitorer:

• eddikesyre

CH3COOH

fra acetyl grupper i hemicellulose

• Furaner

HOCH2
O

COOH

CHO

CHO

O

O

O

Sukkernedbrydningsprodukter
CHO

OH

• Phenoler

HO

Ligninnedbrydningsproducts

CH3O

CHO

CH3O
OCH3

OCH3

Flygtige forbindelser kan afdampes –
ellers kræves en detoxifikation
Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 10

Recovery (udbytte) af cellulose og hemicellulose ved varierende
vandflow i forbehandlingen
Recovery af cellulose er tæt på
100% ved forbehandlingen
eftersom det er stabilt ved den
anvendte temperatur.

Hemicellulose sugars

Linear (Hemicellulose sugars)

Linear (Glucose)

120

100

Sugar recovery [%]

Recovery af hemicellulose er 3040% ved lavt vandflow men stiger
til 60-80% ved højt vandflow
eftersom nedbrydningen af de
monomere C5-sukre til furaner er
lavere.

Glucose

80

60
40

20
0
0

100

200

300

400

500

Water flow into Reactor 3 [l/h]

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

600

700


Slide 11

SSF

SSF

Experiments with no added chemicals

Experiments with H2O2
100

100
EtOH Yield
(% of theoretical)

EtOH Yield
(% of theoretical)

SSF med bagegær (Baker’s yeast)

80
60
40
20
0

80
60
40
20
0

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0

Time (h)
195-hydrolysate
200-hydrolysate
Raw-buffer

25

50

75

100

125

150

Time (h)
195-buffer
200-buffer

190-hydrolysate
195-hydrolysate
200-hydrolysate
Raw-hydrolysate

190-buffer
195-buffer
200-buffer

SSF: 13% DM, 20 FPU/g DM (Cellubrix), buffer eller hydrolysate fra hvert experiment som
medium.

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

175


Slide 12

Forflydning af fiberfraktion ved højt tørstof
Tørstof concentration: 25 and 40% DM

Hydrolysator med 5
kamre
Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 13

3-trinsforbehandling – ethanol fermentering.
100

Cellulose conversion (%)

90
80
70
60
25% DM - 400 kg
25% DM - 11m3

50
40
30
20
10
0
0

24

48

72

96 120 144 168 192 216
T (hours)

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

11 m3 reaktor
indledende test


Slide 14

Bioethanol fra halm
Baseret på enzymatisk
hydrolyse og fermentering:

40 kg ethanol kan
produceres fra
hemicellulosen i 1 ton halm
når der bruges højt
vandflow.
Ved fermentering med gær
kunne der produceres 130
kg ethanol fra 1 ton halm.

Ethanol production [kg/ton straw]

90-110 kg ethanol kan
produceres fra cellulosen 1
ton halm.

200

From enzymatic convertible and extractable cellulose, theory
From enzymatic convertible and extractable hemicellulose, theory
SSF of pretreated solid fraction with baker's yeast

150

100

50

0

180ºC, 15
min, low
waterflow

180ºC, 15
min, high
waterflow

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 15

Konklusion
• Det lykkedes at lave et kontinuerligt anlæg til forbehandling af halm.
• Højt tørstofindhold kunne tilsættes ved fermenteringen pga.
forflydning ved enzymatisk hydrolyse.
• Op til 100% af halmens celluloseindhold kunne fermenteres til
ethanol (=130 kg ethanol/ton halm).
• Der mangler fortsat mikroorganismer til at fermentere C5-sukrene fra
hemicellulose fraktionen.
• Kaliumindholdet kunne fjernes fra halmen (op til 95%) ved
forbehandlingen.

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 16

Acknowledgement
Steen Erik Jensen, Henrik Hauggaard-Nielsen
Risø National Laboratory, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark
Charles Nielsen, Frank Iversen, Jan Larsen
Elsam A/S, Overgade 45, 7000 Fredericia, Denmark
Elsam Engineering A/S, Kraftværksvej 53, 7000 Fredericia, Denmark
Børge Holm Christensen
Sicco K/S, Odinshoejvej 116, 3140 Aalsgaarde, Denmark
Claus Felby, Henning Jørgensen
The Royal Veterinary and Agricultural University (RVAU), Hoejbakkegaard Allé 1,
2630 Taastrup, Denmark

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 17

SSF med hvedekerner
Ethanoludbyttet fra rå
hvedekærner var 350 kg per ton.

35

Ethanol (g/100g tørstof)

Hydrolysatet produceret ved
hydrothermal behandling af
kærnerne kunne også
fermenteres til ethanol.

40

30
25
20
15
Kærner
10
Kærner+filtrat af
hydrothermalt
behandlede kærner

5
0
0

5

10

15
Tid (h)

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

20

25

30


Slide 18

Bagegær: fermentering af

sukre fra halm

• Robust mikroorganisme – høj inhibitor og ethanol tolerance
• Anvendes til fremstilling af drikke-ethanol (beer, vine, distilled
alcohol), brændstof-ethanol, industriel ethanol, mm.

• Mest anvendte industrielle microorganisme i verden.
• I 1990 var produktionen af gær over 82.000 tons

Ulemper:
Kan ikke omsætte C5 sukre til ethanol

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006


Slide 19

Thermophilic bacteria (Bacillus)til fermentering

af sukre fra halm
•TMO’s wild-type thermophile bakterie:
• C6 sukre, fruktose, glukose, sukrose, maltose, mannose
• C5 sukre, xylose, arabinose
• Oligomers, cellobiose, stivelse
•Hurtig vækst vd 60ºC
•Ethanol tolerance ~ 5,5%
Fordele:

SSF ved samme optimale temperaturer som for enzymer
Enkel afstripning af ethanol ved CO2

Ulempe:

Lav inhibitor tolerance

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006