Enzymer velegnede til biodieselproduktion er lipaser. Der findes allerede en en lang række kommercielle lipaser fra forskellige organismer som bl.a. Candida antarctica, Rhizomucor miehei, Pseudomonas cepacia og Thermomyces lanuginosa, som kan benyttes til processen. Enzymerne er tilgængelige både som frie enzymer og immobiliserede på inerte partikler.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 11, 2007 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Lene Fjerbæk, Institut for kemi-, bio- og miljøteknologi, Teknisk Fakultet, Syddansk Universitet
Biodiesel er i dag sammen med bioethanol et bud på, hvordan transportsektoren kan nedbringe sin netto CO2-emission til atmosfæren og lagrene af fossilt brændstof kan strækkes. Ved den industrielle fremstilling af biodiesel benyttes i dag kemiske katalysatorer såsom H2SO4, NaOH, MeONa eller KOH, der efterfølgende fjernes fra den producerede biodiesel med store mængder vand og derved produceres store mængder spildevand. På verdensplan forventes der en produktion af biodiesel på 7,9 mio. tons i 2007 [1]. Spildevand fra biodieselproduktionen bør derfor nedbringes. Enzymer er et interessant alternativ til de industrielt benyttede katalysatorer.
Ved at benytte enzymer i processen kan man reducere mængden af spildevand, der skal renses. Enzymer benyttes ikke i de eksisterende processer, men det forventes, at udviklingen af processerne vil øge deres anvendelse i biodieselproduktion. Her præsenteres fordele og ulemper ved anvendelse af enzymer til biodiesel produktion og diskuteres nødvendige forbedringer til enzymernes ydeevne med henblik på industriel enzymatisk biodieselproduktion.
Figur 1 viser et immobiliseret enzym fra Novozymes, Novozym 435, hvor lipase fra Candida antarctica er immobiliseret på en partikel af et acrylresin. En partikels porer er skitseret på Figur 2.
Kemien bag dannelse af biodiesel
Biodiesel er alkylestre dannet under en omestringsreaktion mellem to substrater; triglycerider såsom fedt og olier samt en alkohol [2], typisk methanol eller ethanol. I reaktionen omdannes triglycerider og alkohol til alkylestre og glycerol, som vist på reaktionsskemaet i Figur 3, hvor methanol er den benyttede alkohol.
Figur 3: Reaktionsskema for omestring af triglycerid med methanol.
R stammer fra en fedtsyre, hvor f.eks. R = (CH2)7(CH)2(CH2)7CH3 er kulstofkæden i oleinsyre, se Figur 4.
Figur 4: Oleinsyre.
Hvert mol triglycerid reagerer med 3 mol methanol, hvorved der dannes 3 mol biodiesel og 1 mol glycerol. Alkohol tilsættes i overskud for at drive reaktionen mod produktsiden, dvs. mere end 3 mol alkohol pr mol triglycerid. Reaktionen med omestringen er i sig selv langsom, men accelereres (katalyseres) ved tilsætning af en katalysator såsom base, syre eller et enzym.
Kemiske katalysatorer
Baser som NaOH, MeONa og KOH giver en hurtig og næsten fuldstændig omdannelse af triglycerid (> 99 %) ved 60-70 °C i løbet af 30 min. [3]. Base er endvidere mindre korrosivt end syre, hvilket er en fordel, da biodieselanlægget kan bygges af en billigere ståltype end ved anvendelse af syre. Ulemperne ved basisk katalyse er flere. Det er problematisk med frie fedtsyrer og vand i råmaterialet, produktstrømmene skal vaskes med vand for at fjerne salte fra de tilsatte katalysatorer, og spildevandets pH skal sænkes før udledning [4]. Ulempen ved frie fedtsyrer er, at de vil reagere med basen og forsæbe og sammen med vand vanskeliggøre den efterfølgende produktseparation.
Sur katalyse af ovenstående reaktion har en lavere reaktionshastighed end basisk, kræver højere temperaturer (> 100 °C) og et stort overskud af alkohol (1:30) [5]. Dette giver et væsentligt større anlægsvolumen som sammen med et mere korrosivt miljø fordyrer procesanlægget. Et surt forestringstrin inden basisk katalyse er dog velegnet til råmateriale med et højt indhold af frie fedtsyrer for at omsætte disse inden den basiske katalyse.
Konventionel produktion af biodiesel
Alkalisk omestring er den mest benyttede metode til produktion af biodiesel, evt. indledt af en sur forestring af tilstedeværende frie fedtsyrer i råmaterialet. Et procesdiagram over konventionel biodieselproduktion ses som Figur 5.
Olie med et indhold af frie fedtsyrer føres til første forestringsreaktor (A), hvor der tilføres methanol iblandet H2SO4. I næste reaktor (B) tilføres føden methanol iblandet NaOH, hvorved den fulde omdannelse til biodiesel og glycerol sker under basiske forhold. Produktstrømmen føres til en dekanter eller centrifuge (C), hvor strømmen skilles i to faser; glycerol og biodiesel. Biodieselen skal renses for indhold af salte og rester af glycerol, hvilket sker i to trin. Først et vasketrin i en ekstraktionskolonne (D) med pH-justering, hvor urenhederne i biodieselen overføres til vand, som sendes i modstrøm. Derefter skal biodiesel afvandes i en stripperkolonne (E). Vandet fra D indeholder endvidere salte og glycerol og oprenses ved destillation (F).
For at genanvende overskydende methanol oprenses det ved destillation (G) og sendes tilbage til B, hvor biodiesel produceres. Methanolen recirkuleres som nævnt, mens glycerol og salte fra kolonne F og G sendes til yderligere oprensning for at opnå tilstrækkelig kvalitet.
Figur 5: Konventionel biodieselproduktion med sur forestring af frie fedtsyrer og basisk omestring til biodiesel.
Råmaterialer til biodiesel
Råmaterialet er et fedtstof eller en olie. En lang række råmaterialer kan anvendes, bl.a. rapsolie, solsikkeolie, sojaolie, palmeolie, olie fra Jatropha curcas nødder, fiskeolie, animalsk fedt, brugte olier fra f.eks. friture og olie fra alger. Alger har et stort biodieselpotentiale pga. et meget højt arealudbytte i forhold til traditionelle dyrkede afgrøder. Raps-, palme- og sojaolie kan dyrkes med udbytter på hhv. 1.200, 6.000 og 500 L/ha, mens alger under varme himmelstrøg kan producere olie med et udbytte på 59.000-140.000 L/ha [6].
Råmaterialernes indhold af frie fedtsyrer varierer en hel del som vist i
Tabel 1 og udgør op til 77,9 vægt% af olien eller fedtet. Når det er tilfældet, er der behov for et ekstra forestringstrin med syre.
Tabel 1: Indhold af frie fedtsyrer i hyppigt anvendte råmaterialer til biodieselproduktion.
Hvad kan enzymer gøre for produktionsmetoden
Enzymer velegnede til biodieselproduktion er lipaser. Der findes allerede en en lang række kommercielle lipaser fra forskellige organismer som bl.a. Candida antarctica, Rhizomucor miehei, Pseudomonas cepacia og Thermomyces lanuginosa, som kan benyttes til processen. Enzymerne er tilgængelige både som frie enzymer og immobiliserede på inerte partikler.
Enzymer er til forskel fra basisk katalyse ikke følsomme overfor et højt indhold af frie fedtsyrer eller vand. En ulempe er, at lipaser inhiberes af alkoholer. De er meget følsomme overfor methanol, som man ønsker at anvende som substrat, da der er meget methanol på markedet og prisen er lav. Udfordringen er at udvikle processen, så enzymerne kan anvendes sammen med methanol, hvis industriel anvendelse til biodiesel skal være aktuelt for enzymerne.
Fidusen ved at bruge lipaser er, at det reducerer antallet af nødvendige enhedsoperationer, som vist på Figur 6. Enzymerne er effektive ved lav temperatur (< 50 °C) og giver en væsentlig lettere produktoprensning, hvor det ikke er nødvendigt med vask eller stripning af produktet. En reaktor (A) er nødvendig til omestringen. Denne følges af en dekanter eller centrifuge (B) til separation af glycerol og biodiesel. Derefter vil det være nødvendigt med et filter (C) for at sikre tilbageholdelsen af de frie enzymer, så katalysatorerne genbruges. Hvis der benyttes immobiliserede enzymer, kan reaktoren (A) pakkes med et leje af enzymer, hvorigennem substratet vil strømme og blive omsat ved transporten ned igennem lejet. Derved vil en filtreringsenhed (C) ikke være nødvendig. Spildevandsmængden, energi- og katalysatorforbruget vil blive væsentligt formindsket.
Figur 6: Enzymatisk biodiesel produktion med omestring til biodiesel [4].
Biodieselproduktion med lipaser er i dag ikke konkurrencedygtig på prisen i forhold til basisk katalyse og anvendes derfor ikke industrielt. Indkøbsprisen for enzymer er væsentlig højere end for NaOH, KOH eller H2SO4 med tilsvarende effektivitet og endnu er processen ikke optimeret, så genbruget af enzymerne er højt nok til, at dette opvejer den større udgift ved køb.
Reaktionshastigheden er langsommere for enzymerne end for syre og baser, når enzymerne anvendes sammen med olie og methanol alene. Imidlertid øges reaktionshastighed og stabilitet når reaktionen finder sted i et organisk opløsningsmiddel som n-hexan, fordi massetransporten af olie og methanol til enzymerne forbedres, methanolinhibering mindskes, og fordi man ikke fjerner det vand på enzymernes overflade, som er essentielt for deres aktivitet. Organiske opløsningsmidler er uønskede i industrielle produktionsapparater pga. deres egenskaber. Anvendelsen kræver en forøgelse af procesanlæggets volumen og af antal enhedsoperationer, fordi der skal ske en genindvinding af opløsningsmidlerne. Derfor er udfordringen at udvikle en effektiv industriel enzymatisk biodieselproduktion uden brug af opløsningsmidler, men med høj reaktionshastighed og enzymstabilitet.
Status på udbytte og erfaring med enzymer til biodieselproduktion
Forskningen er i gang, og laboratorieforsøg med lipaser viser, at enzymer er et lovende alternativ til den traditionelle produktion af biodiesel.
En måde er at vurdere enzymernes ydeevne på er ved at beregne deres produktivitet, som er kg produceret biodiesel pr kg genbrugt enzym. Til sammenligning beregnes ydeevne af baser som forbruget af base i kg pr produceret kg biodiesel. Der benyttes f.eks. 0,024 kg MeONa pr. kg biodiesel [12] uden at katalysatoren kan genbruges, hvorfor produktiviten for MeONa er 42 kg methylester pr kg MeONa.
Udvalgte erfaringer vil blive gennemgået i det følgende. En opsummering af de diskuterede resultater og de pågældende reaktionsbetingelser er opsummeret i
Tabel 2.
Den højest observerede enzymproduktivitet er opnået ved et biprodukt fra oliefremstilling som substrat og Novozym 435 [11]. Substratet havde et højt indhold af frie fedtsyrer på 78 vægt%, som for enzymer er et lettere tilgængeligt substrat end et triglycerid og øger enzymernes resistens mod methanolinhibering. En totrins enzymatisk batchreaktion blev benyttet med et udbytte for første trin på > 71 %. Lipasen kunne genbruges 100 gange. Dette giver en produktivitet for dette trin på 7.400 kg methylester pr. kg lipase, hvilket er meget tilfredsstillende.
I andet trin blev der tilsat lige dele oliefase fra første trin og lige dele raffineret rapsolie. Efter 100 batchforsøg var udbyttet for genbrugt lipase 90 %. For det sidste trin var produktiviteten ikke så høj som for det første trin, men stabilitet og udbytte var igen højt i alle 100 forsøg.
Enzymer inhiberes af methanol, hvilket sænker reaktionshastigheden, udbyttet og stabiliteten.
En måde at imødegå dette på er at forbehandle enzymerne immobiliseret på inerte partikler med olie eller biodiesel. Derved beskyttes enzymernes overflade mod for høje methanolkoncentrationer, som virker inhiberende på enzymet. Forbehandling er udført med godt resultat for lipasen Novozym 435 ved opbevaring først i methyloleate (methylester af oleinsyre) og dernæst i sojaolie i hhv. 0,5 time og 12 timer [13]. Et udbytte på > 97 % på kun 3,5 time kunne opretholdes i 20 batchforsøg i træk, hvor reaktionstiden for ubehandlet lipase var 24 timer.
Novozym 435 er dog et dyrt enzym relativt til andre lipaser. For at reducere omkostningerne kan man blande lipaser, hvilket kan give en synergistisk effekt ved f.eks. at bruge Novozym 435 sammen med et billigere enzym såsom Lipozym TL IM. Med den blanding er der opnået et 95 % udbytte efter 12 timers reaktion. Udbytter for enzymerne benyttet enkeltvis var 85 % med Lipozym TL IM (20 vægt%) og 90 % med Novozym 435 (2 vægt%). Andre synergistiske effekter er endvidere dokumenteret af Wu [14]og Lee [15].
Tabel 2: Enzymatisk katalyse af biodiesel.
* baseret på oliens vægt, ** baseret på reaktionsblandingens vægt
Krav om forbedringer
Der ses lovende tendenser indenfor brug af lipaser til biodieselproduktion, men forskning er krævet for at optimere på lipasernes ydeevne. Det er især enzymstabiliteten, som skal forbedres, og methanolinhibering, som skal reduceres. En lang række parametre er vigtige, når enzymer skal benyttes i stedet for basisk og sur biodieselproduktion i industriel skala (se
Tabel 3).
Tabel 3: Basiske og enzymatiske katalysatorer til biodieselproduktion.
Enzymernes reaktionshastighed, pris og stabilitet skal forbedres, og der er behov for udvikling af forbehandling af biomassen og af den rette blanding af lipaser, før enzymerne kommer tættere på industriel anvendelse til biodieselproduktion. Enzymer har et stort potentiale for at mindske miljøpåvirkningerne, og teknologien vil reducere antallet af enhedsoperationer i et givent procesanlæg og derved forbedre procesøkonomien.
Referencer
[1] REUTERS NEWS SERVICE, 2007.
[2] M.A.Dube, A.Y.Tremblay, J.Liu, Bioresource Technology 98 (2007) 639.
[3] K.-T.Lee, T.A.Foglia, K.-S.Chang, Journal of the American Oil Chemists’ Society 79 (2002) 191.
[4] H.Fukuda, A.Kondo, H.Noda, Journal of Bioscience and Bioengineering 92 (2001) 405.
[5] M.Mittelbach, C.Remschmidt, Biodiesel – the comprehensive handbook. 2006.
[6] Y.Chisti, Biotechnology Advances 25 (2007) 294.
[7] F.T.Orthoefer, G.R.List, Oil Mill Gazetteer 113 (2007) 3.
[8] A.Kumar Tiwari, A.Kumar, H.Raheman, Biomass and Bioenergy 31 (2007) 569.
[9] M.Canakci, Bioresource Technology 98 (2007) 183.
[10] J.V.Gerpen, Fuel Processing Technology 86 (2005) 1097.
[11] Y.Watanabe, P.Pinsirodom, T.Nagao, A.Yamauchi, T.Kobayashi, Y.Nishida, Y.Takagi, Y.Shimada, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 44 (2006) 99.
[12] C.Carraretto, A.Macor, A.Mirandola, A.Stoppato, S.Tonon, Energy 29 (2004) 2195.
[13] T.Samukawa, M.Kaieda, T.Matsumoto, K.Ban, A.Kondo, Y.Shimada, H.Noda, H.Fukuda, Journal of Bioscience and Bioengineering 90 (2000) 180.
[14] W.H.Wu, T.A.Foglia, W.N.Marmer, J.G.Phillips, Journal of the American Oil Chemists’ Society 76 (1999) 517.
[15] D.H.Lee, J.M.Kim, H.Y.Shin, S.W.Kang, S.W.Kim, Biotechnology and Bioprocess Engineering 11 (2006) 522.
[16] L.Li, W.Du, D.Liu, L.Wang, Z.Li, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 43 (2006) 58.
