IBUS-Projektet Fra halm til bioethanol og kraftvarme Anne Belinda Thomsen Anders Thygesen

Dialogue, equality and trust are keywords in our relations with our employees and all our collaboration partners www.risoe.dk

Seminar: Bioenergi og fremtidens jordbrugHvad er mulighederne?

Dansk Landbrugsrådgivning 23. august 2006

IBUS-ProjektetFra halm til bioethanol og kraftvarme

Anne Belinda Thomsen Anders Thygesen

Mette Hedegaard Thomsen

RISØ National Laboratory,Roskilde, DK

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Korn og halm: råvarer til bioethanol

Cellulose

Hemicellulose

Lignin

Fermentering

Hydrolyse

bioethanol

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

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

5.7 mill. tonsFra 1.65 mill. ha(62% of area)

Halm produktion in DK

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Halm til bioethanol

ForbehandlingTryk og temp.

Hemicellulose

Lignin

Cellulose

Distillation

Enzymer gær

Enzymer

C5

Mikroorganismer?

Fermentering

Hydrolyse

EthanolC6

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

EU-project: Co-production Biofuel (IBUS)

Partnere:

Elsam A/S

KVL

TMO Biotech

Forskningscenter Risø

Formål: Samproduktion af elektricitet og bioethanol

Milepæl: Konstruktion og aftestning af pilot reaktor til forbehandling af 1000 kg halm pr time

Motivation:

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

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

EU-projekt: 2003-2006

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Co-production Biofuel (IBUS)

Råmaterialer:

•Halm•Husholdningsaff

ald•Andet (korn)

1. trin: Pilotskala reaktor med en kapacitet på 100 1. trin: Pilotskala reaktor med en kapacitet på 100 kg/hkg/h

Forbehandlingsenhed placeret på et kraftværk: Forbehandlingsenhed placeret på et kraftværk: Fynsværket i Odense Denmark. Fynsværket i Odense Denmark.

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

IBUS 1000 kg/h anlæg

195-200ºC

90-100% cellulose convertibilitet

50% hemicellulose recovery180ºC + 195ºC

90-100% cellulose convertibilitet

83% hemicellulose recovery

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

IBUS 1000 kg/h anlæg

Halmsnitter: mindre energikrævende end

hammermølle

Halm-udmadning fra reaktor 3

Forbehandlings udstyr

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

C-5 udnyttelse (til ethanol); C5 udgør 25-35% af råvaren

Inhibitorer:• eddikesyre

fra acetyl grupper i hemicellulose

• FuranerSukkernedbrydningsprodukter

• PhenolerLigninnedbrydningsproducts

CH3COOH

O OCOOH

OCHO

OCHO

HOCH2

OH CHO

CH3O

OCH3

CH3O

Flygtige forbindelser kan afdampes – ellers kræves en detoxifikation

CHO

HO

OCH3

Problemer ved fermentering af ethanol fra halm

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Recovery (udbytte) af cellulose og hemicellulose ved varierende vandflow i forbehandlingen

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600 700

Water flow into Reactor 3 [l/h]

Su

gar

rec

ove

ry [

%]

Glucose Hemicellulose sugars

Linear (Hemicellulose sugars) Linear (Glucose)

Recovery af cellulose er tæt på 100% ved forbehandlingen eftersom det er stabilt ved den anvendte temperatur.

Recovery af hemicellulose er 30-40% ved lavt vandflow men stiger til 60-80% ved højt vandflow eftersom nedbrydningen af de monomere C5-sukre til furaner er lavere.

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

SSF Experiments with no added chemicals

0

20

40

60

80

100

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Time (h)

EtO

H Y

ield

(%

of t

heo

retic

al)

195-hydrolysate 195-buffer200-hydrolysate 200-bufferRaw-buffer

SSF med bagegær (Baker’s yeast)

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

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Forflydning af fiberfraktion ved højt tørstof

Tørstof concentration: 25 and 40% DM

Hydrolysator med 5 kamre

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

3-trinsforbehandling – ethanol fermentering.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 24 48 72 96 120 144 168 192 216

T (hours)

Ce

llulo

se

co

nv

ers

ion

(%

)

25% DM - 400 kg

25% DM - 11m3

11 m3 reaktorindledende test

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Bioethanol fra halm

0

50

100

150

200

18

0ºC

, 15

min

, hig

hw

ate

rflow

18

0ºC

, 15

min

, low

wa

terflo

w

Eth

an

ol p

rod

uct

ion

[kg

/ton

str

aw

]

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

Baseret på enzymatisk hydrolyse og fermentering:

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

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.

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

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

Acknowledgement

Steen Erik Jensen, Henrik Hauggaard-NielsenRisø National Laboratory, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark

Charles Nielsen, Frank Iversen, Jan LarsenElsam A/S, Overgade 45, 7000 Fredericia, DenmarkElsam Engineering A/S, Kraftværksvej 53, 7000 Fredericia, Denmark Børge Holm ChristensenSicco 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

SSF med hvedekerner

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30

Tid (h)

Eth

an

ol

(g/1

00

g t

ørs

tof)

Kærner

Kærner+filtrat afhydrothermaltbehandlede kærner

Ethanoludbyttet fra rå hvedekærner var 350 kg per ton.

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

Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

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

•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

Thermophilic bacteria (Bacillus)til fermentering af sukre fra halm