Bioethanol1 til brændstofbrug fremstilles i dag primært ud fra sukkerrør eller stivelsesholdige afgrøder. En stor vækst i bioethanolproduktionen kræver overgang til råmaterialer såsom halm, papiraffald og træ. Disse råmaterialer er svært nedbrydelige og deres udnyttelse til ethanolproduktion er en teknologisk udfordring.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2005 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Rasmus Devantier og Sven Pedersen, Novozymes A/S og Lisbeth Olsson, Center for Mikrobiel Bioteknologi, BioCentrum-DTU
Ethanol er et af mange mulige alternativer til fossile brændstoffer. Ethanol fremstillet ud fra plantemateriale reducerer CO2-udledningen, idet den mængde CO2, der dannes ved forbrænding, modsvares af den mængde, der fikseres af de anvendte planters fotosyntese [1]. Den mest energieffektive udnyttelse af plantemateriale ville være industriel forbrænding i et kraftværk, men som transportabelt brændstof egner ethanol sig godt. Ethanol kan bruges som en oktanhæver og erstatte f.eks. det forurenende MTBE (methyltertiærbutylether) ved tilsætning af 5-10% til almindelig benzin. En blanding alle biler kan køre på uden ændringer. Ved mindre ændringer af motoren kan de fleste biler køre på blandinger med op til 85% ethanol. Tilsætning af ethanol giver en renere forbrænding med lavere emission af carbonmonoxid, flygtige organiske forbindelser, hydrocarboner og NOx; sidstnævnte dog kun ved blandinger over 50% ethanol. Politisk er der på verdensplan stigende fokus på bioethanol, hvilket også kan aflæses af, at verdens produktion af bioethanol til transportbrug fra 2000 til 2003 er steget med 65% til 29 mio. m3 [1]. En fortsat stor vækst kræver overgang til andre råmaterialer såsom halm, papiraffald, træ mm. Som det ses i figur 1 produceres der relativt lidt ethanol i EU, men EU-Kommissionen har vedtaget et direktiv, der foreskriver at 2% af benzin og diesel skal være erstattet med biobrændsel inden udgangen af 2005 og 5,75% i 2010 [2]. Der blev i EU i 2002 brugt omkring 120 mio. ton benzin til transport [3], så 2% svarer til 2,4 mio. ton eller 3 mio. m3 ethanol, hvilket næsten er det dobbelte af bioethanolproduktionen i EU i 2003 på 1,7 mio. m3 (figur 1). Mht. biodiesel blev der i EU i 2003 produceret 1,6 mio. m3 svarende til 1% af EU’s dieselforbrug [1]. Da transportsektoren samtidig er i vækst, kræves der en ret stor vækst i produktionen af biobrændsel for at nå direktivets mål.
Hvordan fremstilles bioethanol i dag?
I Brasilien er den nuværende produktion baseret på sukkerrør, mens den i USA hovedsageligt er baseret på majs. Der findes to hovedtyper af majsbaserede processer, vådformaling og tørformaling. I vådformalingsprocessen separeres kim, fiber, protein og stivelse. Under de senere års mange nybygninger af ethanolfabrikker, har tendensen været at satse på tørformaling, idet etableringsomkostningerne er mindre som følge af simplere procesudstyr.
Ved tørformaling formales majsen til en partikelstørrelse på omkring 1 mm og opslæmmes i vand. Opslæmningen opvarmes til over stivelsens forklistringstemperatur (65-90°C) og tilsættes en varmestabil α-amylase, der hydrolyserer stivelsen til en kortere kædelængde og derved reducerer viskositeten. For at gøre al stivelse tilgængelig for α-amylasen jet-koges blandingen nu ved 105-120°C. Jet-kogningen bevirker store forskydningskræfter, der er med til at frigøre stivelsen fra fibre og proteiner. Den høje temperatur inaktiverer dog også α-amylasen, så en ny dosis tilsættes i den sekundære forflydning (figur 2). I den forflydigede mæsk vil stivelsen nu være omsat til oligosaccharider med forskellige kædelængder. Pga. et relativt højt tørstofindhold er mæsken dog stadig nærmest at sammenligne med majsgrød (figur 3). Jo højere tørstofindhold mæsken har, desto større kapacitet vil en fabrik med et givet tank-volumen have. Derfor har der været en stadig udvikling mod højere tørstofindhold, så man nu typisk opererer med 33-37% w/w tørstof, også kaldet »very high gravity« (VHG)-teknologi. Disse høje tørstofindhold kræver bl.a. en meget effektiv α-amylase, der er i stand til at nedsætte viskositeten i den primære forflydning (figur 2), for at mæsken overhovedet kan pumpes, jet-koges osv.
I næste trin nedbrydes oligosacchariderne med glucoamylase til glucose, som gær (Saccharomyces cerevisiae) omsætter til ethanol. De to processer udføres normalt samtidig, det kaldes da SSF (simultaneous saccharification and fermentation/samtidig forsukring og forgæring). Denne proces varer typisk 2 døgn. Et eksempel, på hvordan oligosaccharider (dextrin) nedbrydes enzymatisk, maltose og glucose dannes og forbruges, og gær, ethanol og glycerol produceres gennem en SSF-gæring, kan ses i figur 4. De høje tørstofniveauer gør, at også den anvendte gærstamme må være tolerant over for de høje koncentrationer af glucose og maltose i starten af gæringen og den følgende høje koncentration af ethanol i slutningen af processen [4]. Samtidig forsukring og forgæring har nogle fordele frem for at køre de to processer separat: For det første spares et procestrin (en tank), for det andet holdes niveauet af hydrolyseprodukterne – glucose og maltose – nede ved gærens samtidige forbrug. Derved bremses enzymreaktionen ikke af høje produktkoncentrationer, og gæren udsættes ikke for så høje glucose- og maltosekoncentrationer, at de giver anledning til at gæren påvirkes af osmotisk stress.
I et samarbejdsprojekt mellem Novozymes og Center for Mikrobiel Bioteknologi ved BioCentrum-DTU er et system til karakterisering af disse gæringer sat op (figur 4). Det er bl.a. konstateret, at gærstammen skal være stresstolerant for at kunne omsætte al substratet til ethanol. Selv stresstolerante stammer stresses dog i nogen grad af de høje koncentrationer af maltose og glucose, men denne stress fører faktisk til en højere ethanoldannelseshastighed. Det er også vist, at omkring halvdelen af ethanolen dannes efter at gæren er overgået til stationær fase (figur 4). At gæren ikke fortsætter med at vokse under hele gæringen øger andelen af substrat, som omsættes til ethanol ift. gær-biomasse og derved fås et højere ethanoludbytte. De næste skridt i projektet er måling af intracellulære metabolitters koncentration og ekspressionsniveau af samtlige gener for at opnå yderligere forståelse af gærens fysiologi under disse gæringer og derved blive i stand til at optimere procesbetingelserne og/eller gæren.
Efter gæringen destilleres ethanolen fra. Nogle fabrikker opsamler den dannede carbondioxid, som renses og sælges. De uopløselige dele i bærmen (destillationsresten, på engelsk »stillage«) fjernes ved centrifugering. Den resterende væske inddampes, og koncentratet sprayes på de uopløselige dele under tørring af disse. Derved fås »distiller’s dried grains with solubles« (DDGS), der sælges som et fiber- og proteinrigt foder. Det vand, som fjernes ved inddampningen, genbruges ved at føre det tilbage i processen til opslæmningstrinnet. Ofte er inddamperen ikke dimensioneret til at håndtere hele strømmen, og en del »thin stillage« returneres ligeledes som »backset stillage«.
Fremtidens ethanolproduktion fra fiberholdige råmaterialer
En fortsat vækst i ethanolproduktionen kan ikke kun baseres på stivelsesholdige afgrøder, bl.a. fordi afgrøderne også har andre anvendelser (fødevarer og foder), så prisen vil stige med efterspørgslen. Fiberrige affaldsprodukter såsom halm, papiraffald, træ (flis, spåner) er tilgængelige i store mængder, de er billige og har ikke mange alternative anvendelsesmuligheder. Lignocellulose er en fællesbetegnelse for de vigtigste bestanddele af plantefibre: Cellulose, hemicellulose og lignin. Cellulose er lange kæder af glucoseenheder. Hemicellulose er et heterogent polysaccharid, som består af både pentoser (xylose, arabinose) og hexoser (glucose, galactose og mannose). Lignin er polymerer af forskellige aromatiske forbindelser [6]. Det er monosacchariderne, som fås ved hydrolyse af cellulose og hemicellulose, der kan omdannes til ethanol. Det er dog ikke ligetil, idet lignocellulosen er svært nedbrydelig, og der findes ikke en mikroorganisme, der effektivt kan omsætte alle monosacchariderne til ethanol. Derfor forskes der rundt om i verden intenst i både effektiv hydrolyse af plantefibre og effektive mikroorganismer til omdannelse af de forskellige monosaccharider, bl.a. ved Novozymes og Center for Mikrobiel Bioteknologi.
Tre hovedudfordringer ved fiberbaseret ethanolproduktion
Hovedudfordringerne ved at anvende lignocelluloseholdige råmaterialer til ethanolproduktion er forbehandling, enzymatisk hydrolyse og forgæring [7,8].
Forbehandling
Forbehandlingen har til formål at gøre lignocellulosens struktur modtagelig for enzymatisk nedbrydning. Forbehandling af lignocellulose kræver en noget hårdere behandling end ved forflydning af stivelse. Efter findeling af råvaren er der flere muligheder, f.eks. behandling med fortyndet syre ved høj temperatur (180-230°C), koncentreret syre tæt ved stuetemperatur, dampeksplosion, ammoniak-fryseeksplosion eller vådoxidering. Hver af disse har fordele og ulemper mht. processens kompleksitet, genanvendelse af dyre reagenser, nedbrydning af monomerer og dannelse af inhibitorer for de enzymer og mikroorganismer, der skal bruges senere. Eksempelvis sker dampeksplosion ved dampopvarmning til 160-250°C under tryk og pludselig trykudligning. Hemicellulose hydrolyseres herved delvist, og lignin redistribueres og fjernes delvist fra cellulosen. Lignin er dog stadig en fysisk barriere for enzymerne og kan også irreversibelt adsorbere dem, så det skal helst fjernes. I Danmark har Forskningscenter Risø og DTU udviklet vådoxidering, som ved tilsætning af 10-12 bar ilt og opvarmning til 170-200°C gør processen exoterm. Herved opløses en stor del af ligninen og hemicellulosen, og ved at holde processen basisk mindskes dannelsen af inhibitorer [7].
Cellulose optræder delvist krystallinsk og er derfor den sværest nedbrydelige del af lignocellulose. Et helt sæt af cellulaser (endoglucanaser, exoglucanaser/cellobiohydrolaser og β-glucosidaser) er nødvendige for at nedbryde cellulose til glucose. Endoglucanaser kløver tilfældigt inde i cellulosekæder i den amorfe del og frigør derved flere ender, som cellobiohydrolaser kan frigøre cellobiose fra. Cellobiohydrolase kan desuden frigøre cellobiose fra enderne af krystallinsk cellulose. Cellobiose hydrolyseres til glucose af β-glucosidase. Cellobiohydrolaserne er inhiberet af cellobiose, så hydrolysen af cellobiose er vigtig for cellobiohydrolaseaktiviteten. Samspillet mellem cellulaserne er komplekst og endnu langt fra forstået [7]. Der findes kommercielle cellulaseprodukter, men deres høje pris har hidtil været en væsentlig forhindring for en rentabel ethanolproduktion. Et større forskningsprogram under USA’s Department of Energy (DOE) har ved kontrakt med bl.a. Novozymes reduceret prisen på cellulaser til ethanolproduktion med en faktor 20, hvilket er et stort skridt på vejen mod en rentabel ethanolproduktion fra lignocellulose [9].
Forgæring
For at udnytte substratet skal både glucose og pentoserne fra hemicellulosen omsættes til ethanol. S. cerevisiae, der er den mest velkendte mikroorganisme til ethanolproduktion, kan omsætte hexoser, men ikke pentoser. Det har man forsøgt at råde bod på ved at indsætte gener for pentoseudnyttelse fra andre mikroorganismer i S. cerevisiae og termotolerante gær eller ved at udvikle genetisk modificerede stammer af bl.a. Zymomonas mobilis, E. coli eller termofile bakterier. Man er kommet langt i denne udvikling, men endnu er produktiviteten (ethanol dannet pr. tid og volumen) kun på 25-50% af, hvad man i dag opnår med S. cerevisiae under industrielle forhold [7].
Andre vanskelige aspekter ved fiberbaseret ethanolproduktion
Ud over de beskrevne hovedudfordringer ved fiberbaseret ethanolproduktion kan man ved sammenligning med den beskrevne tørformalingsproces, der er optimeret gennem mange år, finde andre udfordringer. F.eks. kan man ikke umiddelbart arbejde med så høje tørstofniveauer, da lignocellulose giver endnu højere viskositet end stivelse. Det har konsekvenser for kapaciteten af procesanlæg og for vand- og energiforbruget. Muligheden for genanvendelse af vand kan også begrænses af dannede inhibitorer. Der skal findes en passende måde at komme af med restprodukter på. En realistisk måde er forbrænding på stedet til delvis dækning af processens energibehov.
Alt i alt er der en lang række teknologiske vanskeligheder, som skal overvindes, inden fiberbaseret ethanolproduktion kan ske kommercielt og i stor skala. Det forklarer, hvorfor udviklingen ikke går hurtigere, og hvorfor investorer er tilbageholdende [10]. Med moderne værktøjer inden for bioteknologi er det bestemt muligt at overvinde vanskelighederne, men integrationen til en robust og rentabel proces vil stadig tage tid. I Danmark er der flere lokale initiativer, der arbejder for denne procesintegration. Ved Elsam i Odense er der som en del af et større EU-projekt opført et stort pilotanlæg. En del EU-støttede forskningsprojekter inden for biobrændstof har også dansk deltagelse af Elsam, Novozymes, DTU, Risø og KVL.
For nylig er Danish Center for Biofuels ( http://www.biofuels.dk ) dannet som et fælles forum for forskningsgrupper på DTU, Risø og KVL, for at fremme viden og udviklingen inden for biobrændstoffer.
Fodnote
1)Med bioethanol menes der her ethanol til transportbrug (fuel ethanol) fremstillet ud fra ethvert biologisk materiale. I andre sammenhænge anvendes bioethanol kun om ethanol, der er fremstillet ud fra fiberholdige råmaterialer såsom halm, papiraffald, træ og ikke fra stivelses- eller sukkerholdige afgrøder.
Referencer
1. http://library.iea.org/dbtw-wpd/Textbase/speech/2004/lf_biofuels_iea.pdf (29-10-2004)
2. Europarådets direktiv 2003/30/EF om fremme af anvendelsen af biobrændstoffer og andre fornyelige brændstoffer til transport.
3. http://epp.eurostat.cec.eu.int/pls/portal (02-11-2004)
4. Ingledew,W.M. 1993. Yeasts for Production of Fuel Ethanol. I: The Yeasts. Vol. 5. Yeast Technology, 2nd edition. Red: Rose, A.H., Harrison, J.S. Academic Press, Redding, England.
5. Novozymes A/S 2000. Liquozyme SC/Termamyl SC for whole-grain liquefaction. Anvendelsesblad nr. 2000-13157-01. Novozymes A/S, Bagsværd.
6. Jørgensen, H., Olsson, L. 2002. Produktion af lignocellulosenedbrydende enzymer i skimmelsvampe. Dansk Kemi, 11, 20-24.
7. Olsson, L., Jørgensen, H., Krogh, K., Roca, C. 2004. Bioethanol production from lignocellulosic material. Kapitel 42, pp 957-993 i: Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility, 2nd edition. Red: Dumitriu, S. Marcel Dekker, Inc., New York.
8. Wheals, A.E., Basso, L.C., Alves, M.G.D., Amorim, H.V. 1999. Fuel ethanol after 25 years. TIBTECH 17, 482-487.
9. Novozymes A/S 2004. Novozymes og NREL melder om fremgang inden for biomasse-til-ethanol-projektet. Pressemeddelelse af 26. april 2004.
10. Bungay, H.R. 2004. Confessions of a bioenergy advocate. TIBTECH 22 (2), 67-71.
Novozymes – Unlocking the magic of nature
Novozymes er en af de førende bioteknologiske virksomheder inden for enzymer og mikroorganismer. Firmaets løsninger er baseret på naturens egen teknologi. Målet er hele tiden at udvide grænserne for, hvordan biologiske løsninger kan fremme industriens muligheder over hele verden.
Mottoet er Better lives on a greener Earth! Aldrig har efterspørgslen efter bioethanol været større, end den er i dag. Der arbejdes til stadighed på nye enzymteknologier, som vil gøre det muligt at producere bioethanol fra organiske affaldsprodukter som halm, træspåner og majsstængler.
Figurtekster:er
Figur 1. Produktionen af bioethanol i 2003 (mio. m3). Data fra [1].
Figur 2. Proces til ethanolfremstilling ved tørformaling af majs. Se teksten for detaljer. DDGS: distiller’s dried grains with solubles. Modificeret efter [5].
Figur 3. Opsætning til karakterisering af ethanolgæringer fra tørformalet majs. Mæsken er grødagtig med opslæmmede grove partikler.
Figur 4. Eksempel på koncentrationerne af oligosaccharider (dextrin), maltose, glucose, gær, ethanol og glycerol gennem en SSF-gæring af majsmæsk med 35% total tørstof bestemt i laboratorieopsætningen i figur 3.
