Voortgangsvergadering 2 TETRA projecten 80108 Valorisatie van (ligno-)cellulose reststromen - VaLiCel 80166 Bio-ethanol uit lignocellulose grondstoffen beschikbaar in Vlaanderen
1
VaLiCel
(2) VOORBEHANDELING VAN BIOMASSA VOOR ENZYMATISCHE HYDROLYSE TOT VERGISTBARE SUIKERS Resultaten: 1 mei – 31 augustus 2009
Nadruk op de evaluatie van de voorbehandeling van drie reststromen: VLASLEMEN (Vlasverwerking) PAPIERPULP (Kartonproductie) ZAGEMEEL (Papierproductie) 2
Projectplanning (8/24 mm) 080108 HoGent
Omschrijving werkpaketten KUL
1/1
Inventarisatie en karakterisatie
5/8
Optimalisatie voorbehandeling
2 / 9
Optimalisatie enzymatische hydrolyse - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen
11 OA 3 3 3
Fermentatie tot ethanol - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen - Optimalisatie van SSF Pilootschaal (10 l)
2 1
Valorisatie - Case study - Economische haalbaarheid - Verspreiding resultaten/innovatieaanvraag
Voorbehandelingsstrategie: Cellulosevezels toegankelijk maken Degradatieproducten minimaliseren
Voorbehandelingsstrategie: Fractioneren & Valoriseren
Soorten voorbehandeling
Uitvoering o Uitgevoerde voorbehandelingen: ! Fosforzuur 50°C, 110 min, 85% H3PO4, 100 rpm
Kim J.W. and Mazza G. (2008)
" Organosolv 180°C, 15 min, 0.5% H2SO4, 60% ethanol, 100 rpm
# SFEC
Teramoto Y. et al. (2008) 200°C, 60 min, 1% CH3COOH, 75% ethanol, 100 rpm
o Materiaal: Vlaslemen Papierpulp Zagemeel
Uitvoering
Ruwe grondstof
Voorbehandelde slurry
Vaste fractie
Wasfracties E C5/C6 suikers in oplossing
Evaluatie van de VBH: workflow Ruwe grondstof
% zuur % DS °C min
… g (= g DS) .. mg glucose .. mg xylose
Filtreren/ Wassen
Filtraat + Was-fractie ml .. mg/ml glucose .. mg/ml xylose
Vaste fractie … g (= g DS) .. mg glucose .. mg xylose
Enzymatische hydrolyse
% DS (% cellulose) FPU/ml °C min
C5 C6 suikers in oplossing ml .. mg/ml glucose .. mg/ml xylose
Evaluatie van de VBH: parameters - Massabalans
- RENDEMENT 1: Hoeveel % glucose over/verloren tijdens de voorbehandeling in de oplosbare fase
- Samenstelling van voorbehandeld materiaal
- AANRIJKING: Hoeveel maal werd de DS fractie aangerijkt in cellulose gehalte t.o.v. niet voorbehandeld materiaal
- Enzymatische hydrolyse en % cellulose conversie
- RENDEMENT 2: % CONVERSIE: Hoeveel g glucose in oplossing per g glucose aanwezig in voorbehandeld materiaal
- TOTAAL RENDEMENT
Hoeveel g glucose gevormd per g glucose oorspronkelijk aanwezig
Evaluatie van de VBH: resultaten LEMEN
Homogene stalen, gezeefd < 2 mm 100 g DS (= 45,2 g cellulose) 50,2 g glucose * 1% cellulose 3,6 FPU Accellerase /g DS (= 0,2 ml) 50 °C, 72 uur
Filtreren/ Wassen
Filtraat + Was-fractie
Behaalde resultaten
Op 100 g DS 50,2 g glucose
C5 C6 suikers in oplossing
Vaste fractie 33,80 g DS 31,55 g glucose 0 g xylose !1= 62,9%
LEMEN
Enzymatische hydrolyse
29,85 g glucose
!2= 94,6%
!tot= 59%
Behaalde resultaten LEMEN – organosolv – 3,6 FPU Rendement Sacharificatie
Totaal rendement
Onbehandeld
Hoge versuikering (<90%) bij lage enzymdosages en korte incubaties Totaal rendement slechts 60% Te strenge voorbehandeling
Behaalde resultaten LEMEN Op 100 g DS 50,2 g glucose
Behaalde resultaten LEMEN - fosforzuur
Enzymdosages en incubaties weinig effect op saharificatie. +/- 70 % bereikt met 3,6 FPU en 30u Niet VBH Geen verhoging in glucose concentratie meer Waarschijnlijk hulp nodig van andere enzymen zoals reeds aangegeven door samenstelling (48% van VBH DS geen glucose) Sacharificatie met ander enzym coctail (met meer hemicellulase activiteit)
Behaalde resultaten LEMEN Op 100 g DS 50,2 g glucose
Severity index:
2,69
0,73
Behaalde resultaten LEMEN
Slechte sacharificatie Ook weinig xylose gevormd -> toegankelijkheid polymeren belemmerd Kans op betere sacharificatie met meer hemicellulase activiteit
$T # 100 ' % 14,75 )(
+ Maar waarschijnlijk te lage severity index SI = (H ) " t " exp&
!
Behaalde resultaten PAPIERPULP Op 100 g DS 69,93 g glucose
Behaalde resultaten PAPIERPULP - organosolv
Hogere rendementen kunnen verkregen worden bij hogere (E), inhibitie?
Behaalde resultaten ZAGEMEEL Op 100 g DS 52,17 g glucose
Bij 3.6 FPU / g
Behaalde resultaten ZAGEMEEL Op 100 g DS 52,17 g glucose
Bij 9 FPU / g
Behaalde resultaten ZAGEMEEL
Toegankelijkheid na fosforzuurbehandeling groter Amorfer substraat, meer beschikbare oppervlakte Kan gecompenseerd worden door meer enzym toe te voegen
Samenvatting -
-
-
Drie types voorbehandelingen uitgevoerd voor de reststromen VLASLEMEN, PAPIERPULP en ZAGEMEEL Evaluatie van de VBH aan de hand van massabalans, samenstelling vaste fase en het aantal g glucose vrijgezet met Accellerase 1000 Fosforzuur en organosolv VBH geven zelfde totaal rendement om verschillende redenen maar kan verder geoptimaliseerd worden Organosolv VBH waarschijnlijk te “hard” SFEC VBH geeft geen bevredigende resultaten Hogere rendementen bij hogere enzymdosages bij papierpulp en zagemeel
Samenvatting Vergelijking rendement sacharificatie na organosolv VBH met 3,6 FPU
Conclusie Vlaslemen •
Afvalstroom uit vlasverwerking met waardevolle componenten (D. Himmelsbach en Ronald A. Holser. (2008) “Flax processing: Use of waste streams for profit” International conference on flax and other bast plants. P97-103)
•
31,500 ton per jaar
•
Fractioneren met solventextractie of fosforzuur fractionatie en nevenstromen valoriseren lijkt interessante piste (J.W. Kim, G. Mazza. (2008) “Optimization of phosphoric acid catalyzed fractionation and enzymatic digestibility of flax shives”) (95% conversie met 13 FPU)
•
Bekomen resultaten wijzen inderdaad in die richting
•
Fine-tuning solventextractie vereist, teveel glucose verlies
•
Biomassa bekomen na fosforzuur extractie behandelen met hemicellulasen & cellulasen voor beter resultaat
Soorten voorbehandeling
Conclusie Papierpulp •
Afvalstroom uit kartonverwerking met kunststofresten
•
130 ton per dag
•
Lage saccharificatie kan deelsgecompenseerd worden door hogere enzymconcentraties
•
Mogelijk inhibitie door restanten (plastic, ..) in pulp
•
Andere voorbehandeling
•
Andere enzymmengsels
Conclusie Zagemeel •
Afvalstroom uit papierproductie
•
Vergelijkbaar met lemen maar vereist hogere enzymdosages
•
Hoog lignine gehalte
•
Geen mechanische stap meer vereist
•
Veel verlies tijdens de voorbehandelingen. Fine tuning vereist
•
Fosforzuur voorbehandeling geeft een meer toegankelijk substraat
•
Lage saccharificatie kan deels gecompenseerd worden door hogere enzymconcentraties
Planning -
Volgende 4 maanden: 080108
HoGent
Omschrijving werkpaketten
KUL
4/8
Optimalisatie voorbehandeling
3 / 9
Optimalisatie enzymatische hydrolyse -Commerciële enzymen
11
Fermentatie tot ethanol - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen - Optimalisatie van SSF
- Geen afwijkingen/bijsturingen van het oorspronkelijk opzet
Planning Voorstel planning volgende periode - Afwerken huidig werkpakket - Optimalisatie van de voorbehandeling en enzymatische hydrolyse voor de reststromen strovlas, papierstof en houtschors/pinchmill - Andere enzymcoctails uittesten -Glucose & xylose rendement volgen - Fermentatie opzetten - Valorisatieacties plannen
080108 HoGe nt 7 / 8
Omschrijving werkpaketten
KUL
4/ 9
3/11
Optimalisatie voorbehandeling Optimalisatie enzymatische hydrolyse -Commerciële enzymen Fermentatie tot ethanol - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen - Optimalisatie van SSF
Referenties ! Kim J.W. and Mazza G. (2008) Optimization of phosphoric acid catalyzed fractionation and enzymatic digestibility of flax shives. Ind. Crops and Protection, 28 (3), p. 346-355 Flax shives are the woody residue left over from processing flax straw into fiber, and are an abundant renewable lignocellulosic material with a potential for the conversion into bioethanol and other value added products. In this study, prior to enzymatic hydrolysis for the liberation of fermentable sugars, such as glucose and xylose, flax shives were treated with concentrated phosphoric acid.
When the optimization was conducted under a constrain of minimum cellulase loading, the maximum digestibility was predicted when the phosphoric acid concentration, pretreatment time, and cellulase loading were 86.2%, 110.5 min, and 13.1 FPU/g cellulose at 50°C｡ Under these conditions, digestibility of pretreated flax shives in the validation study reached a maximum of 93% at 120 h of incubation. When triticale straw, pine wood, and poplar wood were pretreated and hydrolyzed under optimum conditions obtained from the flax shives experiment, the digestibility reached 98.2, 74.8, and 95.7%, respectively, suggesting that the modest
pretreatment process using phosphoric acid is an effective method for perennial plants as well as hard wood.
Literatuur # Teramoto Y. et al. (2008) Pretreatment of woody and herbaceous biomass for enzymatic saccharification using sulfuric-acid free ethanol cooking. Bioresource technology, 99(18), p. 8856-8863. A sulfuric acid-free ethanol cooking (SFEC) treatment was developed to achieve complete saccharification of the cellulosic component of eucalyptus and baggase flour, thereby avoiding the problems associated with the use of strong acid catalysts. Enzymatic hydrolysis experiments of the pretreated samples demonstrated that almost complete conversion of the cellulosic components to glucose was achieved under optimal conditions. A large-scale trial revealed that there was little consumption of in-feed EtOH during SFEC; therefore, it is considered that most part EtOH used can be essentially recovered and reused. Field emission scanning electron microscopy showed that SFEC induced the formation of pores ranging in size from approximately 10 to several 100 nm. It can be assumed that the porous surface was due to the partial removals of lignin and hemicellulose, which improved the accessibility of the enzyme onto the substrate.
Soorten voorbehandeling !"#$%&'(#$
0'&12*')$3*-4"5/*#*')$%"#*' !"##$%&##&'()$*+,-./&* 67$2""#,)$8$/,&1(,)$(**'$&'4&9&,:-*' ;**-$4:(*$*'*-(&*5:/,)$9*<*-5, 4=2-:#=/*-*'2*%*',
)*('(#$
0,*"% *+<#:/&:'
H:-,*$3*-9#&1I,&12)$<:#=3"#*',)$%&#&*. &'4&9&,:-*'
8EJK
L*$A:'2&,&*/$BMNNO)$PN9"-D)$(**'$&'4&9&,:-*' QR$BS?TD
>? @
!",A4$BCD E#:FC,-:.(4$BGD
Soorten voorbehandeling S"U? V"BU?DP
8#5"#&
S?T +$",'(#$
!
Milde condities (atmosfeerdruk), weinig inhibitoren
!
Base wordt ‘verbruikt’ door biomassa (NaOH !)
De cellulose fractie kan afgescheiden worden als vaste fase en nadien enzymatisch omgezet worden !
!
Vroeger bij hoge T (100-200°C), nu veel gunstiger protocols
Delignificatie en deacetylering, bij kalk resp. tot 40% en 100%, !
;.-*'
!
Bij hoge lignine gehalte: oxidatieve VBH (vb. O2)
!
Cellulase inhibitie door Ca-acetaat (80-90%)
E-"A,&:'",&*W*+,-"A,&*
pact, reactor, Minder micellulose, minder cten uur (hogere severity
Soorten voorbehandeling
8#5"#& X.-*' +$",'(#$
?*%&A*##.#:/*$&'$:<#://&'( Y:-%&'($&'4&9&,:-*'$B?LE)$I.-I.-"#D U<(*#:/,*$#&('&'*$A:'2*'/**-,$*'$<-*A&<&,**-, /'*#$,&12*'/$X.-*$3::-9*4"'2*#&'(
E-"A,&:'",&*W*+,-"A,&*
Soorten voorbehandeling 8#5"#& X.-*' E-"A,&:'",&*W*+,-"A,&* +$",'(#$ :-("':/:#3
Nagenoeg perfecte afscheiding van hoogwaardig lignine geschikt voor bioraffinage celluloserijke fractie met hoog hydrolyserendement Complexe installatie, kostprijs
Z:'&A$#&[.&2/ +-,.'&%/'"(0
Idem organosolv maar bij mildere condities Recuperatie van solvents
L*A4"'&/A4$GQ)$0UPWVUPC/,*"%*+)$<-*/:"5&'($&'$3*-2.'2$X..GQ)$F*,$*+<#:/&:')$9&:#:(&/A4*$3::-9*4"'2*#&'($$)Q
