VaLiCel - Het Vlaams Innovatienetwerk

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