Technologische Aspekte der Optimierung der nachhaltigen Ethanolproduktion unter Einbeziehung von cellulosehaltiger Biomasse

Transkript

1 Technologische Aspekte der Optimierung der nachhaltigen Ethanolproduktion unter Einbeziehung von cellulosehaltiger Biomasse Sven Fleischer und PD Dr. Thomas Senn Hohenheim den

2 Struktur cellulosehaltiger Biomasse

3 Struktur des Lignins schwer abbaubare Struktur

4 Strategien zur Verbesserung von Ethanolprozessen aus stärkehaltigen Rohstoffen Reduzierung der Fermentationszeit durch Zugabe von verschiedenen Stickstoffquellen oder Enzympräparaten die den FAN erhöhen ( beschleunigte Fermentation durch verbesserten Stoffwechsel) Verbesserte Ausnutzung der Brennereigefäße durch Erhöhung der Fermentationstemperatur ( beschleunigte Fermentation durch beschleunigten Stoffwechsel) Verbesserte Ausnutzung der Brennereigefäße durch Erhöhung des Trockensubstanzgehaltes ( erhöhte Ethanolbildung je Batch)

5 Energiebedarf einer einfachen Destillationskolonne zur Herstellung von 94,5%mas Ethanol aus verdünnten Maischen 7MJ/kg EtOH rentabel erst ab etwa 5%mas (Quelle ZACCHI und AXELSSON, 1989, moduliert)

6 Reduzierung der Fermentationszeit durch Erhöhung des FAN Ethanolausbeute von der Theory [%] Zugabe von Schlempe ohne Zusätze Zugabe von 1000mg/l Harnstoff Zugabevon 500mg/l Harnstoff Ethanolausbeute von der Theory [%] Zugabe von 1000mg/l Harnstoff und GC 106 ohne Zusätze Zugabe von 500mg/l Harnstoff und GC Fermentationsdauer [h] Fermentationsdauer [h] kein Unterschied bei den verschiedenen Versuchen die Zugabe von Stickstoffquellen wie Harnstoff oder proteinspaltender Enzyme resultiert in keinem beschleunigten Stoffwechesel

7 Verbesserte Ausnutzung der Brennereigefäße durch Erhöhung der Temperatur oder der Trockensubstanz Ethanolkoncentration in der Maische [%vol] Ethanol yield of theory [%] TS [%] 40 C (Wasserbad) 40 C (Wasserbad) 40 C (Inforce Schüttler, 80rpm) 30 C (Wasserbad) TS [%] 40 C (Wasserbad 40 C (Wasserbad) 40 C (Inforce Schüttler 8rpm) 30 C (Wasserbad) Erhöhung der Trockensubstanz resultiert bis 30%TS in vermehrter Ethanolbildung in %vol. betrachtet man die relative Ethanolausbeute so zeigt sich, dass eine Erhöhung der Trockensubstanz über 25% in einer geringeren Ethanolausbeute resultiert Fermentationen bei Temperaturen von 40 C erzielen leicht geringere Ethanolgehalte betrachtet man zusätzlich zur Erhöhung der Temperatur auch die relative Ethanolausbeute, so zeigt sich, dass Temperaturen von 40 C schlechtere Ausbeuten erzielen

8 Reduzierung des Energiebedarfs beim Maischen von stärkehaltigen Rohstoffen durch Einsatz des Stargen TM -Enzymsystems Quelle: Schematischer Aufbau einer α-amylase mit Starch-Binding-Domain (SBD) (KONIECZNY-JANDA und SHETTY, 2005) keine Verkleisterung der Stärke notwendig! Energieeinsparung durch eine maximale Maischtemperatur von 55 C

9 Einfluss der Trockensubstanz auf die relative Ethanolausbeute beim SSF mit den Stargen TM -Enzymen relative Ethanolausbeute [%] % DS 97% 30% DS 89% 37% DS ~70h 80 ~90h 100 Fermentationsdauer [h] - TS-Gehalte über 35% resultieren in Ausbeuteverlusten - nach ~70h Fermentationsdauer können etwa 89% EtOH-Ausbeute erzielt werden - durch weitere Verlängerung der Fermentationsdauer kann eine nahezu vollständige EtOH-Ausbeute erzielt werden

10 Hydrolyse mit konzentrierter Säure (z.b. Arkenol, Blue Fire) 2-stufige Hydrolyse - 1. Stufe 25-90% H 2 SO 4-2. Stufe 20-30% H 2 SO 4 Nachteile: - Korrossion der Gefäße - teures Säurerecycling notwendig - Entsorgung großer Mengen an Nebenprodukten notwendig

11 Hydrolyse mit verdünnter Säure (z.b. Iogen process) Vorbehandlung: Säurekonzentration 0,5-1% H 2 SO 4 Temperatur C (< 60 Sekunden) Neutralisation with Kalk Gips als Nebenprodukt Nachteile: Bildung und Akkumulation von Furfuralen (Fermentationsinhibitoren) Entsorgung großer Mengen an Gips notwendig

12 Prozess des Technikums der Sekab in Schweden Quelle:

13 Thermiosche Hydrolyse z.b. TDH (Thermo-Druck-Hydrolyse) ATZ Entwicklungszentrum Temperatur C nachfolgend enzymatische Hydrolyse 76% der maximalen Ausbeute aus Grassilage Grassilage

14 Thermische Vorbehandlung von cellulosehaltiger Biomasse

15 Hydrolyse von thermisch Vorbehandeltem Triticalestroh - TS 18,6% 12 Triticalestroh 300µl GC220/g TS relative Cellulosehydrolyse [%] Vorbehandlung bei 150 C für 60min Hydrolysedauer [h] kein Celluloseabbau mit steigender Hydrolysedauer!

16 Der Einfluss der Vorbehandlung auf die prozentuale Glucanhydrolyse nach 48 Stunden enzymatischer Hydrolyse von Maissilage mit GC 880 optimale Haltedauer bei 160 C Enzymdosage: 165,79µl GC 880/g TS (etwa 1,1kU/g TS bzw. 8,5mg Protein/g TS TS 9,5% wenn nicht anders vermerkt

17 Der Einfluss von Dispergieren vor der Vorbehandlung auf die enzymatische Hydrolyse von Maissilage 100 relative Glucanhydrolyse [%] C-50min, 7,5%TS 160 C-50min, dispergiert, 5,27%TS 160 C-30min, dispergiert, 6,5%TS Hydrolysedauer [h] dispergiertes Material wird schneller hydrolysiert nach etwa 80h Hydrolysedauer ist die maximale Glucanhydrolyse erreicht (~75%) allerdings TS-Gehalt der Maische gering (nur 7,5%)

18 Ergebnisse der Universität Lund nach Vorbehandlung mit SO2 und 96h SSF-Prozess abgebaute Cellulose [%] ,5 6,5 6,5 14,0 14,0 14,1 14,1 15,6 Trockensubsztanz in den Versuchen [%] für niedrige TS-Gehalte (6,5%) werden bis zu 80% Celluloseabbau erzielt für höhere TS-Gehalte (14-15%) werden geringere Ausbeuten von 50-65% erzielt

19 Einfluss der Vorbehandlungsmethode auf die Hydrolyse von dispergierter Maissilage bei indirekter Beheizung relative Glucanhydrolyse [%] ; 20,23%DS ; 18,12%DS ; 16,22%DS ; 14,09%DS Hydrolysedauer [h] vergleichbare Ausbeuten zu den Ergebnissen von Lund allerdings ohne Einsatz von Additiven

20 Einfluss der Vorbehandlungsmethode auf die Hydrolyse von dispergierter Maissilage bei indirekter Beheizung theoretische Ethanolausbeute [g/l] Liter EtOH pro 100 kg TS [l] 5 theoretische Ethanolausbeute [g/l] letoh/100kgts C-70min, 20.23%TS 155 C-90min, 18.12%TS 145 C-90min, 16.22%TS 150 C-30min, 14.09%TS 150 C-90min, 20.31%TS 145 C-30min, 12.51%TS 150 C-60min, 15.52%TS 140 C-90min, 19,97%TS 135 C-30min, 16.67%TS 155 C-30min, 15.13%TS 150 C-120min, 16.10%TS 150 C-30min, 10.62%TS Vorbehandlung bei 150 C für 30 Minuten stellt die die beste Vorbehandlungsmethode dar, wenn kurze Vorbehandlungsdauer angewandt werden soll höhere Temperaturen sowie längere Vorbehandlungszeiten erzielen zwar teilweise höhere Ethanolausbeuten, verursachen jedoch gleichzeitig auch höhere Energiekosten

21 Potentielle Ethanolausbeute aus Biomasse am Beispiel von Maissilage 100kg TS 30-50% Glucangehalt 30-50kg Glucan 100% Hydrolyse 33,3-55,6kg Glucose vollständige Fermentation 19,54-32,3l Ethanol 10-20%TS 30-50% Glucangehalt 3,0-10% Glucan 100% Hydrolyse 3,3-11,1% Glucose vollständige Fermentation TS = Trockensubstanz 1,9-6,4%vol. Ethanol

22 Ethanolherstellung aus stärke- und cellulosehaltigen Rohstoffen in einem Prozess Dispergieren Zugabe von Triticale und 2h Stärke- Hydrolyse Maissilage Fermentation dispergierte Maissilage Prozesswasser Absieben thermische Vorbehandlung enzymatische Vorhydrolyse

23 Einfluss der Vorbehandlungsmenthode auf die Ethanolausbeute im SSF-Prozess mit stärke- und cellulosehaltigen Rohstoffen relative Ethanolausbeute [%] h enzymatische Vorhydrolyse bei 55 C h enzymatische Vorhydrolyse bei 55 C h enzymatische Vorhydrolyse bei 55 C h enzymatische Vorhydrolyse bei 55 C Cellulosehydrolyse nach 162h Prozessdauer [%] ,01% h 44,01% h 40,62% h 49,66% h 32,17% h Gesamthydrolysedauer [h] Eine Vorbehandlung bei 160 C erzielt nach 186 Stunden Prozessdauer eine 83-85% Ethanolausbeute Vorbehandlungstemperatur bei 150 C erzielt nach 162 Stunden 78-82% nach 162h Prozessdauer können 40-50% der Cellulose zu Ethanol umgewandelt werden

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

25 Szenarien zur nachhaltigen dezentralen Erzeugung von Ethanol aus cellulose- und stärkehaltiger Biomasse

26 Darstellung des Maisanbaus

27 Szenario 1 klassische Brennerei Szenario autark BHKW Wärme und Strom für die Brennerei

28 Szenario 2 klassische Brennerei fosslie Energieversorgung der Brennerei

29 Szenario 3 kombinierte Brennerei Szenario autark BHKW Wärme und Strom für die Brennerei

30 Szenario 4 kombinierte Brennerei fosslie Energieversorgung der Brennerei