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
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