Mikrobiell konvertering av lignocellulosa: Nuvarande användningsområden och framtida utmaningar Ulrika Rova, Biokemisk och kemisk processteknik Luleå Tekniska Universitet Bioenergi 2012 Piteå 15 November
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 http://pubs.acs.org/cen/coverstory/86/8649cover2.html
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)
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 2050. 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
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 http://www1.eere.energy.gov/biomass/pdfs/35523.pdf
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 2002 158 800 ton PLA Majssocker Bioplast Gevo MN & SD USA 2012 & 2013 68 milj. + 150 milj. liter isobutanol Socker, biomassa Bioplast, lösningsmedel, flygbränsle, smörjmedel, etc. DuPont/Tate & Lyle TE USA 2006 45 000 ton 1,3 Propanediol, Majssocker Polymerer, kosmetik, Sorona Solazyme IL USA 2012 2 milj. liter olja från alger Majssocker Kosmetik Braskem Brasilien 2010 200 000 ton polyetylen via etanol Rörsocker Plast ZeaChem OR USA 2012 946 000 liter etanol, ättiksyra, etyl acetat Hybridpoppel Färger, lacker och lösningsmedel, bränslen
Planerad &pågående produktion av biobaserad SA BASF/Purac Spanien 2013 25 000 ton Socker, biomassa Bioplast, intermediat, lösningsmedel BioAmber, Mitsui MI USA 2013 BioAmber Thailand 2014 34 000 ton Socker Kosmetik, livsmedel smak och färg, smörjmedel, special kemikalier 65 000 ton Rörsocker Biobaserad polybutylen succinat BioAmber Frankrike 2010 3 000 ton Socker från vete Kosmetik, livsmedel smak och färg, smörjmedel, special kemikalier Myriant Technologies LA USA 2013 q1 13 600 ton SA samt PLA Durra Polymerer, detergenter, fibrer, tensider Reverdia (DSM/Roquette) Italien 2012 10 000 ton Majsstärkelse Lösningsmedel, pigment, biobaserade polymerer (polybutylensuccinat) 2009 30 000 ton/år, varav 5% grön SA Marknadspotential 245 000 ton/år SA baserade polymerer 25 milj. ton/år Reverdia (DSM/Roquette) Frankrike 2010 Test Majsstärkelse Lösningsmedel, pigment, biobaserade polymerer (polybutylensuccinat)
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
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 10 000 m 3 reaktorer 100 150 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
Verifiering Pilot Demo Produktion 10 000 100000 l/år 2000 timmar Ej kontinuerlig drift Ej komplett logistikkedjan Möjligheten att verifiera utvalda tekniska steg Produkten behöver ej marknadsföras 100 000 500 000 l/år 3000 timmar Kontinuerlig produktion Kontinuerlig drift Hela produktions processen/logistikkedjan Produkten marknadsförs Anläggning får inte drivas under ekonomiska mål 500 000 l/år 4000 5000 timmar Kontinuerlig produktion med hög tillgänglighet Anläggning drivs med ekonomiska mål Produkten marknadsförs
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 1988 1991 24 000 ton kommersiell produktion (USA) produktion av cellulosaacetatbutyrat Sverige 2007 2011 importerades ca 272 ton av gruppen Butansyror samt salter och estrar av butansyror Nederländerna stod för 80 % av importerad andel. Aromämnen Smörsyreestrar och aldehyder
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
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
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% 50 70 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%
25 C. tyrobutyricum majskolv C. tyrobutyricum vetehalm 20 25 Concentrations (g/l) 15 10 5 Acetic acid Butyric acid Concentrations (g/l) 20 15 10 5 Ferm14 (Butyric) Ferm14 (acetic) 0 0 50 100 150 200 Fermentation time (h) 0 0 50 100 150 200 Fermentation time (h) C. acetobutylicum 25 Produktivitet Butyric acid conc (g/l) 20 15 10 5 0 Spruce Slurry Corn Cob slurry Wheat Straw slurry 0 50 100 150 200 Fermentation time (h) Total amount produced (g) 20 15 10 5 0 C.tyrobutyricum C. acetobutyricum 0 50 100 150 200 Fermentation time (h)
Tack! Dr. Magnus Sjöblom Tekn. Lic. Adam Jaros Tekn. Lic. Jonas Helmerius Prof. Kris Berglund Smurfit Kappa SEKAB Energimyndigheten VINNOVA Bio4Energy