Hydrolyse und Fermentation biogener Reststoffe zur. Dipl. Agr. Biol. Michael Buck, Dr. Thomas Senn

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1 Hydrolyse und Fermentation biogener Reststoffe zur Bioethanolproduktion Dipl. Agr. Biol. Michael Buck, Dr. Thomas Senn

2 Inhaltsübersicht Konzept Material und Methoden Ergebnisse Hydrolyse und Fermentation Eignung der Schlempe als Futtermittel Ökobilanzierung und Treibhauspotential

3 Konzept Anlage (Re2alko) Triticale Maissilage, Weizenstroh, Topinambur, Miscanthus, Hanf, Bambus Mahlen Häckseln, Shreddern, Schneiden Dämpfen, 155 C, 45 min. Verzuckerung Verflüssigung Vorhydrolyse Hydrolyse Kombination beider Prozesslinien Fermentation Hydrolyse und Fermentation Destillation Ethanol Biogasfermentation; Schlempe als Dünger oder Futtermittel Biogas

4 Versuche Triticale Maissilage, Weizenstroh, Topinambur, Miscanthus, Hanf, bambus, Mahlen, 0,5 mm Sieb Häckseln, Shreddern, Schneiden Dämpfen, 155 C, 45 min. Verzuckerung Verflüssigung Vorhydrolyse Hydrolyse Kombination i bid beiderprozesslinien i Fermentation Hydrolyse und Fermentation HPLC Analyse

5 Material und Methoden

6 Vorbehandlung Zerkleinerung Dämpfen bei 155 C, 45 min. Indirekte Erhitzung Ehi Optimaler TS Gehalt zwischen 8 und 28% Ki Keine Zusätze

7 Hydrolyse und Fermentation Hydrolyse im Maischbad (200 rpm) oder Rolleninkubator (5 rpm ) Fermentation in Erlenmeyerkolben auf Fermentation in Erlenmeyerkolben auf Rütteltisch 120 rpm, anaerob

8 Enzyme Cellulasen Exo Cellulase Erbslöh VP 1940/2; 409,2k CMC U/g* Endo Cellulase Erbslöh VP0083/2; 21,4k CMC U/g, 42,4 FPU/g* Acremonium Cellulase Erbslöh; ** β Glucosidase Erbslöh VP 1050/1; 42 β Glu U/g, 13 Cellobiase U/g* Xylanase Erbslöh VP 0965/4; 38,4k Xylanase U/g* Amylasen Danisco: Stargen system** Novozymes: Termamyl, Fungamyl, Shearzyme, San Super 360 L** Basismischung Enzyme: 264 mg VP 1940/2, VP 0965/4, Acremonium cell. 132 mg VP 0083/2, VP 1050/1 *Somogyi Nelson test, source: Erbslöh **standard dosage

9 Hefe Thermosacc Dry (Lallemand) Ethanol RED (Fermentis) Für ethanolische Gärung mit hohen TS Gehalten Gute Fermentation bis über 16%mas Ethanol Toleriert hohe h Gehalte hl organischer Säuren Wenige Fermentationsnebenprodukte Zugabe von 2 g Hefe / l Maische

10 Triticalekorn Nonfood Getreide 89% Trockenmasse Mit Hammermühle und 0,5 mm Sieb vermahlen Fermentierbare Stärke wurde mit 95% berechnet Zugabe als Schrot oder Maische mit 300 g Schrot / l Maische zum Cellulosevorhydrolysat Verzuckerung mit Stargen Enzymen (Danisco) oder Novozymes Enzymen

11 Ergebnisse Hydrolyse und Fermentation

12 Maissilage mit Triticale 120 Ethano ol [g / l] keine Cellulose 60 79,2% Maissilage, Zea mays L. 40,2 %* TS 25,8%; 54,7% Glucan 77,8%* Mit Feldhäcksler auf 20x20mm 79,2%* 46,4%* zerkleinert 53,2%* Gedämpft bei 155 C, 45 min. 58,8%* TS in Hydrolysat: 28,6% * fermentierte Cellulose Vorhydrolysiert hd in Rolleninkubator, 55 C Verzuckerung der Triticalemaische mit Novozymes Amylasen, dann 100% Triticale; 26,7% TS in der Maische Zugabe des 65% Triticale und 35% Maissilage; 27,2% TS in der Maische Maissilagehydrolysates y 56% Triticale und 44% Maissilage; 27,4% TS in der Maische ph von 2,9 auf 5,2 mit CaCO 49% Triticale und 51% Maissilage; 27,5% TS in der Maische 3 angehoben 43% Triticale und 57% Maissilage; 27,6% TS in der Maische 39% Triticale und 61% Maissilage; g; 27,7% TS in der Maische Fermentation bei 30 C Fermentationszeit [h] 32% Triticale und 68% Maissilage; 27,8% TS in der Maische 27% Triticale und 73% Maissilage; 27,9% TS in der Maische 24% Triticale und 76% Maissilage; 27,9% TS in der Maische 100% Maissilage; 28,3% TS in der Maische

13 Ethanol [g / l] Maissilage mit Triticale 40 55,9%* ,9%* Fermentationszeit [h] Maissilage, Zea mays TS 26,8%; 54,7% Glucan Mit Feldhäcksler auf 70,7%* 7%* 74,2% 2%* 20x20mm zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS in Hydrolysat: 28,6% Vorhydrolysiert hd in Rolleninkubator, 55 C Verzuckerung der Triticalemaische mit Stargen * fermentierte Cellulose Amylasen, dann Zugabe des Maissilagevorhydrolysates ph von 2,9 29auf 52mit 5,2 CaCO 3 angehoben Fermentation bei 30 C 65% Triticale und 35% Maissilage; 27,2% TS in der Maische 49% Triticale und 51% Maissilage; 27,5% TS in der Maische 43% Triticale und 57% Maissilage; 27,6% TS in der Maische 39% Triticale und 61% Maissilage; 27,7% TS in der Maische

14 Topinamburstroh 60 l] Glucose [g/l ,8%* 45,8%* 28,5%* * hydrolysierte Cellulose Zeit [h] Topinambur, Helianthus tuberosum L. TS 57,4%, 37% Glucan geshreddert mit 40 mm Sieb, dann mit Messerschneidmühle und 10x10 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS des Hydrolysates: 17% Hydrolyse im Maischbad oder Rolleninkubator, 55 C 11 g Enzymprotein / kg TS; 17% TS in Maische 5,5 g Enzymprotein / kg TS; 17% TS in Maische 4,1 g Enzymprotein / kg TS Rolleninkubator;26 % TS

15 Topinamburstroh mit Triticale Ethanol [g / l] %* 80,8%* Topinambur, Helianthus tuberosum L. TS 57,4%, 37% Glucan 58,5%* 5%* geshreddert mit 40mmSieb, dann mit 57,2%* Messerschneidmühle und 10x10 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS im Hydrolysat: 26% 3 Tage vorhydrolysiert o ys im Rolleninkubator, 55 C, 5 rpm *fermentierte Cellulose Triticalemaische vermengt mit Topinamburmaische, dann Vorhydrolyse mit Stargen Fermentationszeit [h] Amylasen % Triticale und 49% Topinambur; 28% TS in der Maische 34% Triticale Titi und 66% Topinambur; 27,3% TS in der Maische Mi 26% Triticale und 74% Topinambur; 27% TS in der Maische 100% Topinambur; 26% TS in der Maische

16 Topinamburstroh mit Triticale Eth hanol [g / l] Fermentationszeit [h] 100%* % Topinambur, Helianthus tuberosum TS 57,4%, 37% Glucan 95,7%* geschreddert mit 40mm Sieb, dann mit Messerschneidmühle 49,2%* und 10x10 mm Sieb Gedämpft bei 155 C, 45 min. 41,2%* TS im Hydrolysat: 26% 5Tage vorhydrolysiert im Rolleninkubator, 55 C, 5 rpm, Triticalemaische vermengt mit Topinamburmaische, dann Vorhydrolyse mit Stargen Amylasen *fermentierte Cellulose 67% Triticale und 33% Topinambur; 28,7% TS in der Maische 51% Triticale und 49% Topinambur; 28% TS in der Maische 34% Triticale und 66% Topinambur; 27,3% TS in der Maische 26% g Triticale und 74% Topinambur; 27% TS in der Maische

17 Weizenstroh se [g / l] Gluco 50 Weizenstroh, Triticum sp *hydrolysierte Cellulose 67,8%* 51,1,8%* 41,5%* TS 91%; 40,5% Glucan Mit Prallreaktor und 3x3 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS im Hydrolysat: 13,2% Hydrolyse im Maischbad, 55 C, 200 rpm Zeit [h] 8,0 g Enzymprotein / kg TS 16,1 g Enzymprotein / kg TS 32,1 g Enzymprotein / kg TS

18 Weizenstroh mit Triticale Ethanol [g / l] ,6%* 85,9%* 59,5%* 48,3%* *fermentierte Cellulose 43,7 %* Fermentationszeit [h] 68% Triticale und 32% Stroh; 31,3% TS in der Maische 63% Triticale und 36% Stroh; 28,3% TS in der Maische 56% Triticale und 44% Stroh; 25,3% TS in der Maische 48% Triticale und 52% Stroh; 22,2% TS in der Maische 100% Stroh; 13,1% TS in der Maische Weizenstroh, Triticum sp. TS 91%; 40,5% Glucan Mit Prallreaktor und 3x3 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS im Hd Hydrolysat: t13,2% 4,5 Tage vorhydrolysiert im Maischbad, 55 C, 200 rpm Zugabe von Triticaleschrot, dann Vorhydrolyse mit Stargen Amylasen Fermentation bei 30 C

19 Miscanthus Glu ucose [g/l] Elefantengras, Miscanthus x 22,4%* giganteus (M. sacchariflorus x M. sinensis) 18,9%* *hydrolysierte Cellulose Zeit [h] TS 90,2%; 46,7% Glucan Mit Messerschneidmühle und 3x3 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS im Hydrolysat: 8,4% 5 Tage Hd Hydrolyse im Maischbad, 55 C, 200 rpm 12,6 g Enzymprotein / kg TS 25,2 g Enzymprotein / kg TS

20 Miscanthus mit Triticale Ethanol [g/ /l] ,9%* 48,7%* 38,5% * 42,0%* *fermentierte Cellulose 27,9%* Fermentationszeit [h] 77% Triticale und 23% Miscanthus; 27,7% TS in der Maische 73% Triticale and 27% Miscanthus; 24,5% TS in der Maische 67% Triticale und 33% Miscanthus; 21,3% TS in der Maische 59% Triticale und 41% Miscanthus; 18,1% TS in der Maische 100% Miscanthus; 8,4% TS in der Maische Elefantengras, Miscanthus x giganteus (M. sacchariflorus x M. sinensis) TS 90,2%; 46,7% Glucan Mit Messerschneidmühle und 3x3 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS im Hd Hydrolysat: t84% 8,4% 5 Tage Hydrolyse im Maischbad, 55 C, 200 rpm Zugabe von Titi Triticaleschrot, t dann Vorhydrolyse mit Stargen Amylasen Fermentation bei30 C

21 Hanf se [g/l] Gluco 50 Hanf, Cannabis sativa L %* 67%* *hydrolysierte Cellulose TS 91%; 63% Glucan Mit Messerschneidmühle und 10x10 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS des Hydrolysates: 7,6% Hydrolyse im Maischbad, 55 C, 200 rpm Zeit [h] 13,6 g Enzymprotein / kg TS 27,2 g Enzymprotein / kg TS

22 Hanf mit Triticale Eth hanol [g / l] ,7% 94,4%* 89,3%* 99,3%* *fermentierte Cellulose 59,8%* Fermentationszeit [h] 72% Triticale und 28% Hanf; 32,4% TS in der Maische 67% Triticale und 33% Hanf; 28,8% TS in der Maische 61% Triticale und 39% Hanf; 23,3% TS in der Maische 53% Triticale und 47% Hanf; 20,1% TS in der Maische 100% Hanf; 10,5% TS in der Maische Hanf, Cannabis sativa L. TS 91%; 63% Glucan Mit Messerschneidmühle und 10x10 mm Sieb zerkleinert Gedämpft bei 155 C, 45 min. TS des Hydrolysates: 7,6% 3,5 Tage Hydrolyse im Mi Maischbad, hbd55 C, 200 rpm, Zugabe von Triticaleschrot, dann Vorhydrolyse mit Stargen Amylasen Fermentation bei 30 C

23 Eignung der Schlempe als Futtermittel

24 Geforderte Rohproteinwerte im Tierfutter der Bullenmast (Landwirtschaftskammer NRW, 2012): Anfangsmast: g/kg TM im Futter Mittel & Endmast: g/kg TM im Futter Rohprotein in TS Rohfaser in TS Maissilage/ Triticale 18,7 9,1 Hanfstroh/ h/triticale 12,8 36,8 Topinambur/ 12,7 24,4 Triticale

25 Ökobilanzierung und Treibhauspotential

26 Maissilage/Triticale Ethanolanlage Anbau Mais, Silierung Faulgut Anbau Triticale Vorbehandlung,Hydrolyse,Fermentation Energiebereitstellung

27 Eingespartes fossiles CO 2 Maissilage/Triticale Ethanolanlage Fossile CO 2 Emissionen (kg CO 2 /GJ) 2 2 Heizöl / Diesel 86,2 Strommix DE 160,0 Erdgas 56,0 Benzin 85,0 Bereitgestellte Energie GJ/ha a CO 2 -fossil, das ersetzt wird kg CO 2 /ha a Stromüberschuß 12,19 Strom-Mix DE 1.950,40 Ethanol 59,79 Benzin 5.082,50 Methan 9,54 Diesel / Heizöl 822,30 Bedarf Brennerei 32,56 Diesel / Heizöl 2.806,70 Summe 114,08 Summe Verbrauch Pflanzenbau 5,88 Pflanzenbau-Emissionen Energiegewinn 108,20 Vermeidung 8.895

28 Hanfstroh/Triticale Ethanolanlage Anbau Hanf, Ölherstellung Faulgut Anbau Triticale Vorbehandlung,Hydrolyse,Fermentation Energiebereitstellung

29 Eingespartes fossiles Hanfstroh/Triticale Ethanolanlage Fossile CO 2 Emissionen (kg CO 2 / GJ) Heizöl / Diesel 86,2 Strommix DE 160,0 Erdgas 56,0 Benzin 85,0 Bereitgestellte Energie GJ/ha*a CO 2 fossil, das ersetzt wird kg CO 2 Äqu./ha*a Stromüberschuß 13,52 Strom Mix DE 2163,2 Ethanol 70,59 Benzin 6000,2 Methan 13,45 Diesel / Heizöl 1159,4 Hanföl 5,51 Diesel / Heizöl 475,0 Bd BedarfBrennerei 30,24 Diesel / Hiöl Heizöl 2606,7 Summe 137,95 Summe ,5 Verbrauch Pflanzenbau 5,88 Pflanzenbau Emissionen 906 Energiegewinn 132,07 Vermeidung ,5

30 CO 2 Äquivalente im Vergleich zu den Default Werten der EU RED 100 gco 2 /MJ Kr raftstoff , ,7 46,9 73,6% 91,9% 9% 35% ab Inkrafttreten der EU RED 50% ab % ab 2017 für Neuanlagen 22,4 22,1 8,8 0

31 Zusammenfassung Kombination vorhydrolysierter cellulosehaltiger Biomasse mit Triticale steigert die Celluloseethanolausbeute Nahezu vollständige Hydrolyse und Fermentation von Maissilage, Topinamburstroh und Hanfstroh Bis 86% fermentierte Cellulose in Weizenstroh Ansatz ist nicht erfolgreich bei Miscanthus, nur 52% Abbau und Fermentation der Cellulose Die Vorgaben der EU RED werden erfüllt Bestes Substrat für Bioethanol aus Cellulose stellt Hanf dar

32 Contact Michael Buck Universität Hohenheim Institute of Food Science and Biotechnology Fermentation Technology 150f Garbenstr. 23 D Stuttgart Michael.Buck@uni hohenheim.de hohenheim.de