Mikrobiell konvertering av lignocellulosa: Nuvarande användningsområden och framtida utmaningar

Transkript

1 Mikrobiell konvertering av lignocellulosa: Nuvarande användningsområden och framtida utmaningar Ulrika Rova, Biokemisk och kemisk processteknik Luleå Tekniska Universitet Bioenergi 2012 Piteå 15 November

2 1. Förbehandling 2. Hydrolys 3. Fermentering 4. Separation Drivmedel Plattformsmolekyler Flexibel och effektiv nyttjande av råvara Tolerans mot hög osmolalitet Tolerans mot inhibitorer Tolerans mot hög produktkoncentration Genetisk förändring ska vara möjlig Hög produktivitet GRAS

3 Bioraffinaderi en hörnsten i en biobaserad ekonomi Biobaserad ekonomi Bioraffinaderi Hållbar produktion och effektiv användning av biomassa Ett ökat förädlingsvärde av biomassa, med minimal energiåtgången där näring och energi tas tillvara från slutprodukterna. Smartare produkter och smartare användning av råvara Bi och avfallsprodukter blir råvaror, Nya produkter Bioraffinaderier. Råvara Processer (termokemiska, kemiska, biokemiska och mekaniska processer) Plattformar Produkter (t.ex. energibärare, kemikalier och material)

4 Plattformsmolekyler Byggstens kemikalier från biomassa Molekyler med flera funktionella grupper med potential att förädlas till en rad applikationer via termiska, biologiska och kemiska processer Processkostnader likvärdiga för biobränslen och biobaserade kemikalier, MEN kemikalier har ett högre marknadsvärde funktion vs mängd Biobränsle drivna bioraffinaderier för samproduktion av både förädlade produkter (kemikalier, material, livsmedel, foder) och biobränslen från biomassa Nuvarande globala biobaserade kemikalie och polymerproduktion uppskattas till ca 50 milj. ton 113 milj. ton Främst PLA, bio etylen Den globala petrokemiska produktion av kemikalier och polymerer uppskattas till ca 330 miljoner ton Marknaden för biobaserade kemikalier beräknas till 6,8 miljarder USD 2015

5 Topp 12 C 3 3 hydroxypropionic acid Glycerol C 4 1,4 diacids (Succinic, Fumaric, Malic) 3 hydroxybutryoloacetone Aspartic acid C 5 C 6 Glutamic acid Levulinic acid Itaconic acid Xylitol/arabinitol 2,5 furan dicarboxylic acid Glucaric acid Sorbitol Nuvarande och potentiella produktionsvägar Marknadspotential Kemisk funktionalitet Relevans för nuvarande eller framtida bioraffinaderier

6 Produktion av bio baserade kemikalier 31 anläggningar 5 miljoner ton biobaserade kemikalier/år (2015) Beroende av socker från jordbruksgrödor, tex majs eller sockerrör NatureWorks NE USA ton PLA Majssocker Bioplast Gevo MN & SD USA 2012 & milj milj. liter isobutanol Socker, biomassa Bioplast, lösningsmedel, flygbränsle, smörjmedel, etc. DuPont/Tate & Lyle TE USA ton 1,3 Propanediol, Majssocker Polymerer, kosmetik, Sorona Solazyme IL USA milj. liter olja från alger Majssocker Kosmetik Braskem Brasilien ton polyetylen via etanol Rörsocker Plast ZeaChem OR USA liter etanol, ättiksyra, etyl acetat Hybridpoppel Färger, lacker och lösningsmedel, bränslen

7 Planerad &pågående produktion av biobaserad SA BASF/Purac Spanien ton Socker, biomassa Bioplast, intermediat, lösningsmedel BioAmber, Mitsui MI USA 2013 BioAmber Thailand ton Socker Kosmetik, livsmedel smak och färg, smörjmedel, special kemikalier ton Rörsocker Biobaserad polybutylen succinat BioAmber Frankrike ton Socker från vete Kosmetik, livsmedel smak och färg, smörjmedel, special kemikalier Myriant Technologies LA USA 2013 q ton SA samt PLA Durra Polymerer, detergenter, fibrer, tensider Reverdia (DSM/Roquette) Italien ton Majsstärkelse Lösningsmedel, pigment, biobaserade polymerer (polybutylensuccinat) ton/år, varav 5% grön SA Marknadspotential ton/år SA baserade polymerer 25 milj. ton/år Reverdia (DSM/Roquette) Frankrike 2010 Test Majsstärkelse Lösningsmedel, pigment, biobaserade polymerer (polybutylensuccinat)

8 Bärnstenssyra LTU Syntetsikt Glukos Mannos Fruktos Tot 80 g/l Y P/S 0,85 g/g Q P 2,95 g/l h Hydrolysat Barrved SEKAB/Domsjö 40 g/l; Y P/S 0,75 g/g Q P 1,1 g/l h Svartlut, Björk Smurfit Kappa Galaktos Xylos Arabinos Tot 40 g/l Y P/S 0,60 g/g Q P 1,50 g/l h Vattenextraktioner Björk, Smurfit Kappa 17 g/l; Y P/S 0,85 g/g Q P 0,3 g/l h

9 Från labskala till verifiering.. i Bioraffinaderi Demon Ö vik Påskynda utveckling, verifiering och kommersialisering av nya biobaserade kemikalier Möjlighet till demonstration av nya produkter som kan integreras i ett bioraffinaderi 5 st m 3 reaktorer m 3 råvara per år Skogsråvara (flis från gran, tall, björk resp asp, sågspån, GROT, kemisk massa o fiberslam) Agroråvara (sockerrörsbagass, vetehalm, majskolvar och majsblast) 180 driftdygn/år

10 Verifiering Pilot Demo Produktion l/år 2000 timmar Ej kontinuerlig drift Ej komplett logistikkedjan Möjligheten att verifiera utvalda tekniska steg Produkten behöver ej marknadsföras l/år 3000 timmar Kontinuerlig produktion Kontinuerlig drift Hela produktions processen/logistikkedjan Produkten marknadsförs Anläggning får inte drivas under ekonomiska mål l/år timmar Kontinuerlig produktion med hög tillgänglighet Anläggning drivs med ekonomiska mål Produkten marknadsförs

11 Smörsyra, n butansyra Karboxylsyra naturligt i mjölk, smör och ost Allmänt betraktad som säker livsmedeltillsatts Direkt användning Smaktillsats i light produkter samt djurfoder Läkemedelsindustrin anticancer Plattformsmolekyl Cellulosaacetatbutyrat (100% biobaserad) mjukgörare Biobränsle butanol Butylacetat lösningsmedel 4 heptanon, 4 heptanol och heptan lösningsmedel, smakämne, arom, mjukgörare ton kommersiell produktion (USA) produktion av cellulosaacetatbutyrat Sverige importerades ca 272 ton av gruppen Butansyror samt salter och estrar av butansyror Nederländerna stod för 80 % av importerad andel. Aromämnen Smörsyreestrar och aldehyder

12 Produktion Produceras industriellt petro kemiskt via propylen som oxideras till smörsyra eller butanol. Extraktion från smör (2 4% smörsyra) Fermentering Utmaningar Råvara Flexibilitet Kostnad Utbyte Fermentering Inhibitorer Skala Separation Online Minimal energi Produkt Kvalitet/funktion Marknad & efterfrågan Framtida marknads segment Konkurrens

13 Storskalig jäsning av lignocellulosa för produktion av smörsyra vid EPAB:s demoanläggning i Örnsköldsvik Finanisering Energimyndigheten 3,9 MSEK Syftet med detta projekt är att skala upp och utvärdera jäsning av lignocellulosa till smörsyra Det första storskaliga försöket med bakteriejäsning i anläggningen och en startpunkt för att göra andra kemikalier än etanol från lignocellulosa. Utvärdera användning av demoanläggningen i ett s.k. bioraffinaderikontext. 2 4 butansyra fermenteringar SSF hydrolyserade majskolvar

14 Gran Majs Vete Förbehandling majskolv/vetehalm/gran Svavelsyra (ph 1,5 1,7) vid 187 C, 8 min Samtidig hydrolys och jäsning (SSF) Start volume 400 ml, 1% YE & 10% slurry, ph 6.0, 37 C, N 2 (g) Cellic CTec2 Clostridium tyrobutyricum Clostridium acetobutylicum Glukos 5,8% timmar, fed batch, totalt 40/60% slurry Arabinos 4,4% Galaktos 1,8% Mannos 0,5% Furfural 2,1% Ättiksyra 4,4% HMF 1,0% Xylos 32,6% Majskolvsslurry SS 47,4% Xylan 4,7% Glukan 42,3% Man/Arab 0,4%

15 25 C. tyrobutyricum majskolv C. tyrobutyricum vetehalm Concentrations (g/l) Acetic acid Butyric acid Concentrations (g/l) Ferm14 (Butyric) Ferm14 (acetic) Fermentation time (h) Fermentation time (h) C. acetobutylicum 25 Produktivitet Butyric acid conc (g/l) Spruce Slurry Corn Cob slurry Wheat Straw slurry Fermentation time (h) Total amount produced (g) C.tyrobutyricum C. acetobutyricum Fermentation time (h)

16 Tack! Dr. Magnus Sjöblom Tekn. Lic. Adam Jaros Tekn. Lic. Jonas Helmerius Prof. Kris Berglund Smurfit Kappa SEKAB Energimyndigheten VINNOVA Bio4Energy