ETHANOL AUS ALGEN EINE NEUE PRODUKTIONSROUTE

Transkript

1 ETHANOL AUS ALGEN EINE NEUE PRODUKTIONSROUTE Dr. Ulrike Schmid-Staiger Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

2 Ethanol aus Algen 3. Generation Biokraftstoff Keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion Geringerer Wasserbedarf pro erzeugte Kraftstoffeinheit Gute CO Löslichkeit in Wasser Höhere Biomasseproduktivität und Photosyntheseeffizienz Nutzung von Nährstoffen aus Abwasser möglich Zwei Wege der Ethanolproduktion: photosynthetisch fixiertes CO wird zu Ethanol metabolisiert Akkumulation von Stärke als Speicherstoff und Umsetzung zu Ethanol über klassische Hefefermentation.

3 Ethanolproduktion durch Cyanobakterien (GVO) CO RubisCo CO C 3 NADPH Metabolismus O Ethanol Wachstum H O Nährstoffe Ethanol

4 Stärkeproduktion in eukaryontischen Mikroalgen CO RubisCo CO C 3 Stärke Wachstumsstopp Metabolismus O Zellwachstum H O Nährstoffe

5 Bioraffineriekonzept Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse

6 Südzucker AG - Standort Zeitz Kapazität von m³ Bioethanol/Jahr Tonnen/Jahr flüssiges, lebensmitteltaugliches CO Aufreinigung und Verflüssigung für Getränkeindustrie Etablierung der Algen in Zeitz in Kooperation mit Subitec GmbH: Aufbau einer 4,3 m³ Pilotanlage (Freiland) die mit Gär-CO betrieben wird (4 x 180 L Reaktoren) 6

7 Flat Panel Airlift Reaktor [internal] [internal] hohe Produktivität durch verbesserte Lichtnutzung niedriger Energiebedarf durch pneumatische Betriebsweise Reaktor kann durch Tiefziehtechnik kostengünstig hergestellt werden drei Größen: 6 L, 8 L, 180 L universell einsetzbar für verschiedene Algenarten Statische Mischer erzeugen gerichtete Strömung Volumen [L] Schichtdicke [cm]

8 FPA Reaktoren für die Laboranlage bei CropEnergies in Laborreaktoren Fraunhofer IGB Zeitz Freilandanlage IGB Freilandanlage bei CropEnergies in Zeitz

9 und Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse

10 Zweistufiger Prozess für die Stärkeproduktion Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse 1. Stufe Biomasseproduktion. Stufe Stärkeproduktion optimale Nährstoffversorgung Nährstofflimitierung (N,P) maximale Biomasseproduktivität Akkumulation von Stärke optimale Nährstoffversorgung 60 Nährstofflimitierung 50 % der BTM

11 Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse Vorgaben: möglichst hoher Stärkegehalt (α-1,4 Stärke) im Schüttelkolben robuste Alge, die für die Freilandkultivierung geeignet ist

12 Wachstum von Chlorella sorokiniana mit technischem Kohlenstoffdioxid oder Gärgas Ø Vol. Prod.: 0,67 g l-1 d-1 0,7 g l-1 d-1 Kein Unterschied im Wachstum mit Gärgas oder technischem CO 1

13 Optimierung der Stärkeproduktion Durch N-Limitierung konnte eine Stärkeproduktivität bis zu 350 mg g BTM-1 d-1 50 % Stärkegehalt in Tagen ist erreichbar Stärkeproduktivität ist abhängig von der Lichtverfügbarkeit

14 Stärkefraktion zu Ethanol Übertragung ins Freiland Proteine Restbiomasse 40-50% Stärkegehalt in 5 bis 8 Tagen in Abhängigkeit von der Biomassekonzentration und der Lichtverfügbarkeit

15 Aufbau Pilotanlage bei CropEnergies in Zeitz 4 Reihen à 6 x 180 L FPA Reaktoren mit insgesamt 4,3 m³ Reaktorvolumen Etablierung online-monitoring und Erhöhung des Automatisierungsgrades: OD-Online Sensoren automatische Fütterung von Nährstoffen und

16 Inbetriebnahme Pilotanlage mit Gär-CO cts [g l-1] Sonde Linie 1 Sonde Linie Sonde Linie 3 Sonde Linie 4 Lichtintensität Ev [µmol Phot. m- s-1] 9

17 und Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse Rührwerkskugelmühle Hochdruckhomogenisator Enzymatischer Aufschluss

18 mit Rührwerkskugelmühle Füllgrad BTM Kugeldurchmesser Drehzahl

19 Stärkefraktion zu Ethanol Enzymatisch Enzyme: Enzymauswahl erfolgte nach Analyse der Zellwandzusammensetzung N-Acetylglucosaminidase Lysozym Pektinase Proteine Restbiomasse

20 Stärkefraktion zu Ethanol Hochdruckhomogenisator Restbiomasse Pellets nach der Zentrifugation der aufgeschlossenen Algenbiomasse Südzucker AG Stärke Südzucker AG Zelltrümmer Mikroskop Lugol sche Lösung Proteine

21 Enzymatische Stärkeverflüssigung und Ethanolfermentation Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse theoret. Ethanolausbeute: 4 g/l 3,6 g EtOH/L Prinzipielle Vergärbarkeit der Stärkefraktion aus Algen zu Ethanol ist gezeigt 90 % Ethanolausbeute bezogen auf Stärkegehalt der aufgeschlossenen Algenbiomasse

22 Stärkefraktion zu Ethanol Nutzung Proteine Proteine Restbiomasse Anteil lösliche Proteine nach nur ca. 0% Abtrennung mit Membrantechnik Alkalische Solubilisierung der partikulär gebundenen Proteine ist möglich Charakterisierung der Proteine - Aminosäurezusammensetzung - Funktionseigenschaften / Wertigkeit - hydrolysierte Proteine als Fermentationszuschlagsstoff

23 Stärkefraktion zu Ethanol Verwertung Restbiomasse Proteine Restbiomasse Vergärung von Restbiomasse zusammen mit Klarschlempe zu Biogas Nutzung des Flüssiggärrestes als Medium für die Algenkultivierung Vergärung von Algenbiomasse ist prinzipiell möglich - erforderlich - hohe Proteingehalte führen zu hohen Ammoniumkonzentrationen als Cosubstrat gut geeignet Flüssiggärrest aus Klarschlempe hat hohe Ammonium und Phosphatgehalte geeignet für Hochzelldichtekultivierung in FPA-Reaktoren

24 Zusammenfassung Stärkefraktion zu Ethanol Proteine Restbiomasse Quelle: Südzucker AG

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank an die FNR für die Projektförderung

26 Maybe not the best place for mass production but for research and development Dr. Ulrike Schmid-Staiger [ Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstr Stuttgart Tel. +49-(0) schmid-staiger@igb.fraunhofer.de

27