ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ"

Ἑστία Φλέσσας
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ Ι. Δόγαρης, Ο. Γκούντα, Δ. Μαμμά, Ε. Καλογερής, Δ. Κέκος

2 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ Στόχοι Ε.Ε.: 2% μέχρι 05, 5.75% μέχρι δις λίτρα παγκοσμίως (07) Μειωμένες εκπομπές CO & ΝΟ x Μίγματα έως 10% χωρίς μετατροπή κινητήρα Άφθονο & φτηνό ανανεώσιμο υλικό Ανακύκλωση CO 2 Σακχαρούχες σακχαροκάλαμα, σακχαρότευτλα, μελάσα Αμυλούχες αραβόσιτος, σιτάρι, ρύζι, κόνδυλοι 1 ης γενιάς βιοκαύσιμα Λιγνινοκυτταρινούχες υπολείμματα αγροτικά, υλοτομίας, βιομηχανίας χάρτου, βιομηχανίας ζάχαρης, ενεργειακές καλλιέργειες 2 ης γενιάς βιοκαύσιμα

3 ΔΟΜΗ ΛΙΓΝΙΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΩΝ ΥΛΩΝ Κυτταρικό τοίχωμα Πλέγμα Μικροϊνιδίων Δομή μικροϊνιδίων Φυτικό κύτταρο Μικροϊνίδιο Ημικυτταρίνη παρακρυσταλλική κυτταρίνη Κρυσταλλική κυτταρίνη Δομικές μονάδες κυτταρίνης Κρυσταλλική κυτταρίνη Γλυκόζη Κελλοβιόζη Πηγή: Genomics:GTL Roadmap, U.S. Department of Energy Office of Science,

4 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΛΙΓΝΙΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Φυτική βιομάζα Προκατεργασία Χημικές (οξύ, άλκαλι) Μηχανικές (τεμαχισμός, άλεση) Φυσικοχημικές (υδροθερμική, έκρηξη με ατμό,έκρηξη με αμμωνία) Ενζυμική Υδρόλυση Εξόζες (Γλυκόζη) Πεντόζες (Ξυλόζη, Αραβινόζη) Κυτταρινάσες (ενδογλουκανάση, εξωγλουκανάση, β-γλυκοζιδάση) Ημικυτταρινάσες (ενδοξυλανάση, β- ξυλοζιδάση) Αλκοολική Ζύμωση Αιθανόλη Βακτήρια (Zymomonas, Clostridium) Ζύμες (Saccharomyces, Candida, Pichia, Pachysolen) Μύκητες (Fusarium, Neurospora, Monilia)

5 ΠΡΩΤΗ ΥΛΗ ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ Γλυκό σόργο Sweet sorghum (Sorghum bicolor (L) Moench) Εκχύλιση ζυμώσιμων σακχάρων Αιθανόλη Ξήρανση στερεού υπολείμματος (Sorghum bagasse, SB) Λιγνινοκυτταρινούχο υλικό Χαμηλό ποσοστό λιγνίνης Ενζυμική υδρόλυση (απουσία παρεμπόδισης λόγω σακχάρων) Προκατεργασία (χωρίς καταστροφή των σακχάρων) Συστατικά % w/w (ξηρή βάση) Κυτταρίνη 40.4 ± 1.0 Ημικυτταρίνη 35.5 ± 0.9 Πηκτίνη 4.3 ± 0.1 Βαγάσση σόργου Λιγνίνη 3.9 ± 0.3

6 ΣΚΟΠΟΣ Βαγάσση σόργου Παραγωγή ενζύμων Ενζυμική υδρόλυση Neurospora crassa DSM 1129 Fusarium oxysporum F3 Ζύμωση σακχάρων Βιοαιθανόλη CBP Ενοποιημένη Βιοδιεργασία (Consolidated BioProcess) Προκατεργασία και ζύμωση με υψηλό φορτίο στερεών Προκατεργασία σε νωπό υλικό (>15% w/v ή 85% υγρασία) Βιομετατροπή με υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης (>3% w/v) Οικονομικότερη διεργασία (απόσταξη αιθανόλης)

7 ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ «κατεργασία της φυτικής βιομάζας σε νερό, σε υψηλές θερμοκρασίες» Αυτοϋδρόλυση του υλικού, καταλύτης: οξικές ομάδες της ημικυτταρίνης Υδρόλυση της ημικυτταρίνης με καλές αποδόσεις Χαμηλή παραγωγή παραπροϊόντων & παρεμποδιστικών ενώσεων Προσθήκη αραιού οξέος: ενίσχυση υδρόλυσης Συνθήκες υδροθερμικής προκατεργασίας Θερμοκρασία ( ο C) 160, 180, 0, 210 Χρόνος (min) 10 Προσθήκη θειικού οξέος (g/100g υλικού) 0, 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4 speedwave MWS-2, BERGHOF

8 ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΟΞΕΟΣ Υδρόλυση ημικυτταρίνης ΣΤ. Υδρόλυση ημικυτταρίνης Ποσοστό % Υδρόλυση κυτταρίνης Ε. Υδρόλυση κυτταρίνης Ποσοστό υδρόλυσης κυτταρίνης % Ποσοστό υδρόλυσης ημικυτταρίνης % Θερμοκρασία ( ο C) Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) Θερμοκρασία ( ο C) Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) 4.0

9 ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΟΞΕΟΣ Συγκέντρωση πεντοζών (g/l) Θερμοκρασία ( ο C) Υδρόλυση ημικυτταρίνης πεντόζες (ξυλόζη, αραβινόζη) Δ. Απελευθέρωση πεντοζών 2% οξύ Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) (g/l) Συγκέντρωση γλυκόζης (g/l) Θερμοκρασία ( ο C) Υδρόλυση κυτταρίνης 160 Γ. Απελευθέρωση γλυκόζης 0.0 γλυκόζη Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) 4.0

10 ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΟΞΕΟΣ Αποικοδόμηση πεντοζών Φουρφουράλη Γ. Φουρφουράλη (g/l) Αποικοδόμηση γλυκόζης 5-υδροξυμεθυλ- Δ. 5-υδροξυμεθυλ-φουρφουράλη (HMF) Συγκέντρωση φουρφουράλης (g/l) % οξύ Συγκέντρωση 5-υδροξυμεθυλφουρφουράλης (g/l) Θερμοκρασία ( ο C) Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) Θερμοκρασία ( ο C) Προσθήκη οξεός % (g/100g SB) 4.0

11 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Αερόβια ανάπτυξη μυκήτων N.crassa DSM 1129 F. oxysporum F3 (Παραγωγή ενζύμων και βιομάζας) Βιομετατροπή προς αιθανόλη Καλλιέργεια μυκήτων (κύτταρα + ένζυμα) Ζύμη Saccharomyces cerevisiae 2541 ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ Χωρίς κατεργασία 8% w/v Αλκοολική Ζύμωση Αιθανόλη 16% w/v Εμπορικές κυτταρινάσες (Celluclast 1.5L + Novozyme 188) ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΟΡΓΟΥ Υδροθερμική προκατεργασία (υγρή + στερεή φάση) 8% w/v Αλκοολική Ζύμωση Αιθανόλη

12 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Υδροθερμικά προκατεργασμένη βαγάσση σόργου απουσία οξέος N. crassa DSM Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) 10 Ποσοστό % επί θεωρητικής 5 0 Ακατέργαστο Θερμοκρασία υδροθερμικής προκατεργασίας ( ο C) Χρόνος προκατεργασίας: 10 min

13 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Υδροθερμικά προκατεργασμένη βαγάσση σόργου παρουσία οξέος N. crassa DSM χωρίς προσθήκη προσθήκη Ακατέργαστοεμπορικών χωρίς προσθήκη προσθήκη εμπορικών Θερμοκρασία κυτταρινασώνυδροθερμικής προκατεργασίας κυτταρινασών( ο C) Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) Ποσοστό % επί θεωρητικής Ποσοστό % με επίβάση τους θεωρητικής αδιάλυτους υδατάνθρακες Χρόνος προκατεργασίας: 10 min

14 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Προσθήκη εμπορικών κυτταρινασών (Celluclast 1.5L + Novozyme 188, 5:1 v/v) N. crassa DSM FPU/g υλικού

15 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Υδροθερμικά προκατεργασμένη βαγάσση σόργου παρουσία οξέος Προσθήκη κυττάρων ζύμης S. cerevisiae N. crassa DSM 1129 F. oxysporum F3-50% +250% Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) Απόδοση αιθανόλης (g/100g SB) Ποσοστό % επί Ποσοστό θεωρητικής % επί με βάση θεωρητικής τους αδιάλυτους υδατάνθρακες 5 0 χωρίς προσθήκη προσθήκη απουσία εμπορικών προσθήκη ζύμης κυτταρινασών ζύμης χωρίς προσθήκη απουσία ζύμης προσθήκη εμπορικών προσθήκη κυτταρινασών ζύμης Συνθήκες προκατεργασίας: 210 ο C, 10 min, οξύ 2 g/100g SB

16 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Υδροθερμικά προκατεργασμένη βαγάσση σόργου παρουσία οξέος Προσθήκη εμπορικών κυτταρινασών (Celluclast 1.5L + Novozyme 188, 5:1 v/v) 90 N. crassa DSM 1129 F. oxysporum F3 80 S. cerevisiae % Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) % Ποσοστό % επί θεωρητικής με βάση τους αδιάλυτους υδατάνθρακες 10 0 χωρίς προσθήκη προσθήκη εμπορικών κυτταρινασών χωρίς προσθήκη προσθήκη εμπορικών κυτταρινασών Συνθήκες προκατεργασίας: 210 ο C, 10 min, οξύ 2 g/100g SB

17 ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΑΓΑΣΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Βαγάσση σόργου Χωρίς κατεργασία Υδροθερμικά προκατεργασμένη με οξύ Υδροθερμικά προκατεργασμένη με οξύ + κύτταρα ζύμης Υδροθερμικά προκατεργασμένη με οξύ + εμπορικές κυτταρινάσες Υδροθερμικά προκατεργασμένη + κύτταρα ζύμης + εμπορικές κυτταρινάσες Συγκέντρωση αιθανόλης (g/l) Απόδοση αιθανόλης (g/100g υλικού) Ποσοστό % επί θεωρητικής (υδατάνθρακες) Προκατεργασία: 210 ο C, 10min, θειικό οξύ 2g/100g υλικού 6 FPU/g SB Celluclast 1.5L+Novozyme 188, 5:1 v/v N. crassa DSM 1129 F. oxysporum F3

18 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Υδροθερμική προκατεργασία παρουσία αραιού οξέος Υψηλή συγκέντρωση στερεών (16% w/v) Υδρόλυση ημικυτταρίνης, Χαμηλή παραγωγή παρεμποδιστών Ταυτόχρονη αξιοποίηση υγρής-στερεής φάσης, χωρίς επιπλέον στάδια έκπλυσης-αποτοξικοποίησης, περιβαλλοντικά φιλική, χαμηλότερο κόστος Διεργασία βιομετατροπής της βαγάσσης σόργου (1) Υδροθερμική προκατεργασία παρουσία αραιού οξέος (210 ο C, 10min, θειικό οξύ 2 g/100g υλικού [0.03 Μ]) (2) Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση σε αιθανόλη Ενίσχυση με εμπορικές κυτταρινάσες (6 FPU/g υλικού) Ν. crassa: C EtOH = 27.6 g/l, 82.3% θεωρητικής απόδοσης F. oxysporum S. cerevisiae: C EtOH = 13.6 g/l, 40.5% θεωρητικής απόδοσης

19 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Σχολή Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας Πρόγραμμα ΠΕΝΕΔ 03 Μέτρο 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα Γ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης.

Σχετικά έγγραφα

EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ. Ι. Δόγαρης, Ε. Παλαιολόγου, Δ. Μαμμά, Π. Χριστακόπουλος, Δ.

EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Ι. Δόγαρης, Ε. Παλαιολόγου, Δ. Μαμμά, Π. Χριστακόπουλος, Δ. Κέκος Στόχοι Ε.Ε. : 2% μέχρι 2005, 5.75% μέχρι 2010 ~30 δις λίτρα