VaLiCel
Voortgangsvergadering 1 TETRA projecten
Resultaten: 1 januari – 31 april 2009
80108 Valorisatie van (ligno-)cellulose reststromen - VaLiCel
ONDERZOEKSVRAAG Kan de cellulose reststroom van Vlaamse bedrijven gevaloriseerd worden in tweede generatie bio-ethanol ?
80166 Bio-ethanol uit lignocellulose grondstoffen beschikbaar in Vlaanderen
1
Welke lignocellulose reststroom o is best geschikt voor volledige saccharificatie ? o levert minst inhibitoren voor alcohol fermentatie ? 2
Uit te voeren werkpaketten (4/24 mm) 1
Projectplanning (4/24 mm) 080108 HoGent
2
Biomassa
Voorbehandeling
KaHo
De Nayer
Inventarisatie en karakterisatie
5
2
2/8
Optimalisatie voorbehandeling
5
1/ 9
Optimalisatie enzymatische hydrolyse - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen
6
6
8 4
6 5
Pilootschaal (10 l)
3
0,5
Valorisatie - Case study - Economische haalbaarheid - Verspreiding resultaten/innovatieaanvraag
2 1
1,5 1
Enzymatische Hydrolyse
KUL
4 ethanol
Fermentatie
080166
1 / 1
Toegankelijke vezels
3
Omschrijving werkpaketten
11 C6 suikers oa C5 suikers
3 3 4
2 1
Fermentatie tot ethanol - Commerciële enzymen - Geïsoleerde enzymen - Optimalisatie van SSF
WP1: Inventarisatie en karakterisatie
Plantencelwand
Plantencelwand
Cellulose Hemicellulose Lignine Pectine
Cellulose Hemicellulose Lignine Pectine
5
WP1: Inventarisatie en karakterisatie
WP2: Voorbehandeling Biomassa
o Inventaris van het beschikbare materiaal, huidig afzetkanaal, specifieke samenstelling, contaminaties, … o Samenstelling van de reststromen 1. Van Soest “Acid Detergent Fiber” methode 2. Totaal zure hydrolyse en monosacharide samenstelling 3. NREL Biomass Feedstock Composition and Property Database
o Fysische voorbereiding van de lignocellulose stalen (drogen, verkleinen, malen, … tot homogeen materiaal)
Voorbehandeling
Toegankelijke vezels
o Activeren en openen van vezelstructuur zodat de cellulose fractie maximaal toegankelijk wordt voor enzymatische hydrolyse (WP3) o Verschillende methoden: -
Solventextractie Voorbehandeling met verdund zuur Behandeling met alkali Stoomexplosie
WP2: Voorbehandeling Biomassa
Voorbehandeling
WP3: Sacharificatie Toegankelijke vezels
o Evaluatie van de voorbehandeling:
o Enzymatische hydrolyse van cellulose tot glucose zodat dit gefermenteerd kunnen worden naar alcohol (WP4) o Aan de hand van commerciële enzymmengsels
- Enzymatische hydrolyse en % cellulose conversie - Massabalans
OH
- Samenstelling van voorbehandeld materiaal H
WP3: Sacharificatie
HO
OH
OH
WP3: Sacharificatie
o Enzymatische hydrolyse hemicellulose tot oa xylose, arabinose, glucuronzuur, galactose, mannose o Aan de hand van commerciële enzymmengsels Arabinoglucuronoxylaan
o Hoeveelheid glucose gevormd - Enzymatische bepaling • Glucose oxidase – peroxidase • biosensor - HPLC o Andere suikers (cellobiose, xylose, ..) - HPLC o Gevormde hoeveelheid glucose wordt relatief uitgedrukt - t.o.v. de hoeveelheid cellulose aanwezig (omgerekend naar glucose)
Galactoglucomannaan
- t.o.v. de hoeveelheid proteïne
% celulose conversie per FPU
FPU = filterpapier unit (maat vr cellulase activiteit (en kostprijs …)
WP3: Sacharificatie o Voorstelling data hydrolyse experimenten a.d.h.v. - Progressiecurven - Enzym dosage curven
Voorbeeld (progressiecurve) 2 enzymconcentraties, verschillende tijdstippen SC VLK
o Progressie curven -
46,1%
72 FPU
0,64
(% celulose conversie in functie van de tijd)
Specifieke conversie (SC):
% totaal cellulose in een staal dat gehydrolyseeerd wordt tot glucose in 72 uur per FPU proteïne
18 FPU
14,6%
0,81
-2 enzymconcentraties, de gemiddelde snelheid (MSR): verschillende tijdstippen
het gemiddelde van de hydrolysesnelheden voor 0-10, 10-40, 40-72u incubatie per FPU proteïne VLK
-
46,1%
72 FPU
0,64
de initiële snelheid (IR):
de beginsnelheid per FPU proteïne
18 FPU
14,6%
0,81
Voorbeeld (enzym dosering) Voorbeeld (progressiecurve)
1 tijdstip (72 u incubatie), verschillende enzymconcentraties, ideaal om verschillende substraten of voorbehandelingen te vergelijken IR
=> % conversie bepalen bij verschillende enzymconcentraties
0,043 %/u*FPU
0,047 %/u*FPU
<2€ per liter
€ 72 FPU = 2 ml = 0,2 €cent
Gebruikte enzymen o Accellerase (Genencor)
Resultaten (1): Gebruikte enzymen
-
Whole broth (afgedood organisme+medium+enzymen) - Lagere kostprijs (< 2€ per liter) - Meer nutriënten (voor gist)
-
Industrial grade (niet geconcentreerd) - Lagere activiteit, grotere dosages
-
Overmaat cellobiase - Minder cellobiose over - Minder productinhibitie, grotere activiteit van cellulasen, meer conversie
o Celluclast + Novo138 (Novozymes) -
Geconcentreerd extracellulair medium (enzymen) - Hogere kostprijs - Hogere activiteit, kleinere dosages Overmaat cellobiase zelf te doseren
Accellerase FPU
CMC’ase
cellobiase
pNP
Accelerase
36,7 U/ml
1667,5 U/ml
484,8 U/ml
532,3 U/ml
Technical bulletin
-
2500 U/g
-
400 U/g
Resultaten (2): Reststromen uit vlasvezelteelt
WP1: Inventarisatie
WP1: Inventarisatie
Reststroom uit vlasvezelteelt
Reststroom uit vlasvezelteelt
?
Vlas
Strooisel
afgekeurd strovlas
roten
31.567 ton
afgekeurd strovlas
zuiveren Lemen
Geroot strovlas
Vlas
Houtige gedeelte
Gekuiste lemen + Korte vezel
-Bestemming: recyclage Lemen
Lemen
Strooisel, spaanplaten
+ Korte kloddenvezel
breken
Korte vezel (vlasklodden)
Gebroken strovlas zwingelen
Papierindustrie Non woven textiel
Lange vezel (gezwingeld vlas)
Textiel
21
Korte vezel (vlasklodden)
papierproductie EXPORT: Papierindustrie Non woven textiel
32.471 ton
Lange vezel (gezwingeld vlas) Bron: Rapport Biomassa inventaris 2006-2007
WP1: Karakterisering
WP2: Voorbehandeling
Reststroom uit vlasvezelteelt cellulose
hemicellulose
lignine
Afgekeurd vlas
57,8%
15,66%
13,02%
VLA
Vlasklodden
63,54%
11,91%
10,82%
VLK
Vlaslemen
44,07%
18,99%
21,80%
VLL
Niet voorbehandelde klodden
Oplosbare fractie
Vaste fractie
Ca(OH)2
Verdund zuur
WP2: Voorbehandeling
Resultaten (3): Reststromen uit papierproductie
€
WP1: Inventarisatie
WP1: Inventarisatie
Reststroom uit papierproductie
Reststroom uit papierproductie
Karton
spar
Hout
populier Chips Zagemeel
Verwerking, snijden
Papiermachines, persen
Papierpulp
Papierpulp Papierslib
Papier 27
Water, korfsortering
Gerecycleerd papier
Papierstof
±2,1 miljoen ton oud papier ingezameld in België. ±500.000 ton verwerkt door Oudegem papier en ±560.000 ton door Stora Enso Langerbrugge
Papierpulp + 2 Kunststof Papierpulp + 1 Kunststof
Afvalstromen bij productie van 1500 ton per dag:
Papierstof 2
Papierpulp + plastic
Papierpulp 1 + Kunststof
Stofbriquetten gestort verbrand
Composteerbaar 15 ton DS per jaar 20 ton DS per dag 130 ton DS per dag
WP1: Karakterisatie
WP1: Karakterisatie
Papierindustrie - Reststromen uit waterzuiveringsinstallatie
Papierindustrie - Grondstoffen/reststromen papierproductie
cellulose Kartonproductie Papierslib Papierproductie Primair slib Totaal slib
hemicellulose
cellulose hemicellulose
lignine
20,9%
0%
11,4%
SL
33,5% 30,3%
9,9% 11,5%
16,1% 15,2%
SLH SLT
Chips fijnspar Chips populier Gemengd Zaagmeel Schors fijnspar Schors populier
51,4% 57,5% 42,6% 46,7% 30,8% 38,17%
15,5% 15,5% 13,6% 15% 10,6% 18,2%
WP1: Karakterisatie
WP3: Saccharificatie
Papierindustrie - Reststromen bij kartonproductie
Reststroom uit papierproductie
lignine 26,5% 19,0% 21,8% 27% 29,6% 21,9%
HOSC HOPC HOTP HOTZ HOSS HOPS
2 substraten, 7% DS (6,33% cellulose), verschillende tijdstippen
cellulose
hemicellulose
lignine
papierstof
54,7%
8,5%
10,8%
PAS
pers
63,2%
8,6%
15,1%
PAP
kunststof
59,3%
8,7%
19,5%
PAK
18 FPU
10%
WP3: Saccharificatie
WP3: Saccharificatie
Reststroom uit papierproductie
Noodzaak van de voorbehandeling
o
PAS: - Zeer fijn papierstof gedraagt zich als een dikke gel - Infectie/ bacteriële contaminaties > Toevoegen van meer antibiotica of NaN3
o
PAP: - Enzymdosage studie moet uitwijzen - bij welke enzymconcentratie maximale conversie kan bereikt worden (cfr. vlasklodden) - In welke mate de kunststof de enzymen inhiberen
o
PAK: - idem
5 substraten, 18 FPU, verschillende tijdstippen
WP2: Voorbehandeling
Niet voorbehandeld
Resultaten (3): Miscanthus
Oplosbare en onoplosbare fractie Vaste fractie
Organosolv
Verdund zuur
WP2: Voorbehandeling
WP2: Voorbehandeling Liquid hot water
Massabalans: 50 g materiaal (50%cellulose) voorbehandeld: 16,86 g DS over Of 67% cellulose over na organosolv
Samenvatting
Planning
-
-
Inventaris en analytische samenstelling gekend van aangeleverde reststromen •
-
Belangrijk om substraatsconcnetratie te bepalen en theoretische % conversie te berekenen
Type experimenten en parameters bepaald om de bekomen resultaten correct te kunnen interpreteren Verschillende types voorbehandelingen uitgevoerd en geëvalueerd aan de hand van hydrolyse experimenten Sommige reststromen die geen voorbehandeling vragen, geven problemen (bacteriële contaminaties en/of inhibitie) Industrieel enzymmengsel toegepast op aangeleverde en voorbehandelde reststromen
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
