Etanol och biogas ur cellulosarika avfall Mohammad Taherzadeh Ingenjörshögskolan Högskolan i Borås Centrum för optimal resurshantering av avfall www.wasterefinery.se Utbildning om Resursåtervinning Masterutbildning: Resource Recovery- Industrial Biotechnology Resource Recovery- Sustainable Engineering Forskarutbildning: Resource Recovery 1
Forskningsprofil Resursåtervinning Avfall och biprodukter (Hushålls, jordbruk, skog, verksamhet.) Förbränning Processer Förgasning & Pyrolys Biologiska processer Polymerer & Fibrer Kyl Värme El. Bensin Kemikalier Diesel Biogas Hållbart Samhälle Etanol Biopolymerer Textilier Plast Kompositer papper Internationalisering (Waste Recovery) 2
1:a och 2:a generationer etanol Socker Spannmål Cellulosa Mat Massa- och pappersindstri Bränsle Etanol Eten Plast Lignocellulosa struktur Hemicellulose Lignin Cellulose chains 3
Etanol process? Socker Stärkelse Cellulosa Återstående separation Förbehandling??? Avfall 3:e generationen Hydrolys Jäsning Destillation /uttorkning Etanol Biogas process? Socker Stärkelse Cellulosa Avfall Återstående separation Förbehandling??? Bakteriell hydrolys Rötning Uppgradering Biogas 4
(Hemi)cellulosa i skogrestprodukter Sockerpoymerer (%) Material Glucan Mannan Galactan Xylan Lövved Al 40.5 1.5 0.8 16.1 Asp 43.2 2.2 0.5 15.1 Björk 40.7 1.7 0.7 20.0 Barrved Tall 42.4 11.8 1.9 4.7 Gran 41.6 11.5 2.0 4.7 Avfall från cellulosa: Ved + Metaller + färger = Pall 5
Avfall från cellulosa: Toxiska cellulosa hemicellulose hemicellulose pectin Limonen ca 0.5% Textilavfall i världen (Utmaningar: Blandning & svåra nedbrytbara)! Natural fibers Synthetic fibers Natural silk Ramie Flax Jute Wool Cotton Cellulose Others Polyacrilonitrile Polyamide Polypropylene Polyester 92 201 721 3222 1357 349 2715 2742 3905 5913 X1000 tons/year 20623 (26,270 in 2007) 20956 0 5000 10000 15000 20000 25000 Ref: Aizenshtein, E.M., 2004. World production of textile raw materials in 2002. Fibre Chem. 36, 1 6 6
Förbehandling? Ta bort forhinder (tex lignin) Minska kristallinitet Tillhandahålla tillräckligt tillgänglig yta att absorbera enzymer Många metoder för förbehandling Physical methods Chemical & Physicochemicals Biological milling: - Ball milling - Two-roll milling - Hammer milling - Colloid milling - Vibro energy milling irradiation: - Gamma-ray irradiation - Electron-beam irradiation - Microwave irradiation Others: - Hydrothermal - High pressure steaming - Expansion - Extrusion - Pyrolysis Explosion: - Steam, Ammonia, CO 2, SO 2, Acids Alkali: - NaOH, NH3, (NH4)2SO3 Acid: - Sulfuric, Hydrochloric & Phosphoric acids Gas: - ClO2, NO2, SO2 Oxidizing agents: - Hydrogen peroxide - Wet oxidation - Ozone Solvent extraction of lignin: - Ethanol-water extraction - Benzene-water extraction - Ethylene glycol extraction - Butanol-water extraction - Swelling agents Organosolves/ Ionic liquids Fungi and actinomycetes 7
Ethanol yield (g/g) 2010-10-01 Vi jobbar på olika material Etanol produktion från hög kristallin cellulosa 50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Dissolved cellulose Ref. (untreated cellulose) Ref. (glucose) 8
CH4/g carbohydrate 2010-10-01 Förbättrad biogas (CH4) produktion efter förbehandling 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Vårt koncept för en testprocess! 9
Sammanfattning Olika cellulosa avfall kräver olika förbehandlingar, men resten av processen är praktiskt taget densamma, Avfallsflöden kan integreras i framtida etanol anläggningar, Biogas från cellulosa avfall kan framställas av en två-stegs process inklusive förbehandling och rötning. Tack! Frågor? 10