IBUS-Projektet Fra halm til bioethanol og kraftvarme Seminar: Bioenergi og fremtidens jordbrug Hvad er mulighederne? Dansk Landbrugsrådgivning 23. august 2006 IBUS-Projektet Fra halm til bioethanol og kraftvarme Anne Belinda Thomsen Anders Thygesen Mette Hedegaard Thomsen RISØ National Laboratory, Roskilde, DK

Korn og halm: råvarer til bioethanol Hydrolyse Fermentering Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Forskellige lignocelluloseholdige råvarer Hvede-, byg-, rug- halm Majs halm Sukkerørs-halm (bagasse) Ris halm og risskaller Træ (e.g. træsflis og pil) Roeaffald Græs Husholdningsaffald Haveaffald Dybstrøelse Halm produktion in DK 5.7 mill. tons Fra 1.65 mill. ha (62% of area) Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Halm til bioethanol C5 C6 Enzymer Mikroorganismer? Forbehandling Tryk og temp. C5 Enzymer gær Hemicellulose Ethanol C6 Cellulose Lignin Hydrolyse Fermentering Distillation Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

EU-project: Co-production Biofuel (IBUS) Formål: Samproduktion af elektricitet og bioethanol Milepæl: Konstruktion og aftestning af pilot reaktor til forbehandling af 1000 kg halm pr time Motivation: Fra 2000 skal danske kraftværker anvende 1.2 million tons biomass om året – hovedsagelig halm til kraft/ varme Pga. et højt kaliumindhold er halm ikke velegnet til forbrænding. EU-projekt: 2003-2006 Partnere: Elsam A/S KVL TMO Biotech Forskningscenter Risø Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Co-production Biofuel (IBUS) 1. trin: Pilotskala reaktor med en kapacitet på 100 kg/h Forbehandlingsenhed placeret på et kraftværk: Fynsværket i Odense Denmark. Råmaterialer: Halm Husholdningsaffald Andet (korn) Designet til: høj koncentration af tørstof (over 50 %) store partikler (e.g. halm længere end 5 cm lange), temperatur op til 230°C : Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

IBUS 1000 kg/h anlæg 195-200ºC 90-100% cellulose convertibilitet 50% hemicellulose recovery 180ºC + 195ºC 90-100% cellulose convertibilitet 83% hemicellulose recovery Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

IBUS 1000 kg/h anlæg Forbehandlings udstyr Halmsnitter: mindre energikrævende end hammermølle Halm-udmadning fra reaktor 3 Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Problemer ved fermentering af ethanol fra halm C-5 udnyttelse (til ethanol); C5 udgør 25-35% af råvaren Inhibitorer: eddikesyre fra acetyl grupper i hemicellulose Furaner Sukkernedbrydningsprodukter Phenoler Ligninnedbrydningsproducts Flygtige forbindelser kan afdampes – ellers kræves en detoxifikation Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Recovery (udbytte) af cellulose og hemicellulose ved varierende vandflow i forbehandlingen Recovery af cellulose er tæt på 100% ved forbehandlingen eftersom det er stabilt ved den anvendte temperatur. Recovery af hemicellulose er 30-40% ved lavt vandflow men stiger til 60-80% ved højt vandflow eftersom nedbrydningen af de monomere C5-sukre til furaner er lavere. Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

SSF med bagegær (Baker’s yeast) SSF: 13% DM, 20 FPU/g DM (Cellubrix), buffer eller hydrolysate fra hvert experiment som medium. Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Forflydning af fiberfraktion ved højt tørstof Tørstof concentration: 25 and 40% DM Hydrolysator med 5 kamre Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

3-trinsforbehandling – ethanol fermentering. 11 m3 reaktor indledende test Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Bioethanol fra halm Baseret på enzymatisk hydrolyse og fermentering: 90-110 kg ethanol kan produceres fra cellulosen 1 ton halm. 40 kg ethanol kan produceres fra hemicellulosen i 1 ton halm når der bruges højt vandflow. Ved fermentering med gær kunne der produceres 130 kg ethanol fra 1 ton halm. Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Konklusion Det lykkedes at lave et kontinuerligt anlæg til forbehandling af halm. Højt tørstofindhold kunne tilsættes ved fermenteringen pga. forflydning ved enzymatisk hydrolyse. Op til 100% af halmens celluloseindhold kunne fermenteres til ethanol (=130 kg ethanol/ton halm). Der mangler fortsat mikroorganismer til at fermentere C5-sukrene fra hemicellulose fraktionen. Kaliumindholdet kunne fjernes fra halmen (op til 95%) ved forbehandlingen. Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Acknowledgement Steen Erik Jensen, Henrik Hauggaard-Nielsen Risø National Laboratory, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark Charles Nielsen, Frank Iversen, Jan Larsen Elsam A/S, Overgade 45, 7000 Fredericia, Denmark Elsam Engineering A/S, Kraftværksvej 53, 7000 Fredericia, Denmark Børge Holm Christensen Sicco K/S, Odinshoejvej 116, 3140 Aalsgaarde, Denmark   Claus Felby, Henning Jørgensen The Royal Veterinary and Agricultural University (RVAU), Hoejbakkegaard Allé 1, 2630 Taastrup, Denmark Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

SSF med hvedekerner Ethanoludbyttet fra rå hvedekærner var 350 kg per ton. Hydrolysatet produceret ved hydrothermal behandling af kærnerne kunne også fermenteres til ethanol. Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Bagegær: fermentering af sukre fra halm Robust mikroorganisme – høj inhibitor og ethanol tolerance Anvendes til fremstilling af drikke-ethanol (beer, vine, distilled alcohol), brændstof-ethanol, industriel ethanol, mm. Mest anvendte industrielle microorganisme i verden. I 1990 var produktionen af gær over 82.000 tons Ulemper: Kan ikke omsætte C5 sukre til ethanol Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006

Thermophilic bacteria (Bacillus)til fermentering af sukre fra halm TMO’s wild-type thermophile bakterie: C6 sukre, fruktose, glukose, sukrose, maltose, mannose C5 sukre, xylose, arabinose Oligomers, cellobiose, stivelse Hurtig vækst vd 60ºC Ethanol tolerance ~ 5,5% Fordele: SSF ved samme optimale temperaturer som for enzymer Enkel afstripning af ethanol ved CO2 Ulempe: Lav inhibitor tolerance Bioenergi i fremtidens landbrug, Landscenteret 23. august 2006