Introduktion til Sektion for Bæredygtig Bioteknologi Mette Lübeck Mette Lübeck 1
Sektion for Bæredygtig Bioteknologi Sektionens forskning kombinerer moderne bioteknologi med procesteknologi til udvikling af biomasse baserede systemer til bæredygtig produktion af kemikalier, biobrændstoffer, foder, fødevareingredienser og farmaceutiske produkter. Omdrejningspunktet for sektionens forskning er bioraffinaderier. Bachelor og kandidat uddannelse i Bæredygtig Bioteknologi
Olieproduktion siden år 0 0 500 1000 1500 2000 2500
Olie som råmateriale Brændstof Raffinaderi Råolie Læge midler Plastik Kemikalier Kosmetik artikler
Hvilken vej skal vi gå???? Samfund baseret på kul og olie? Bæredygtigt samfund?
Transportsektoren i EU bidrager med 20-30% af den totale CO 2 emission
Hvilke alternativer findes for olie som råmateriale?? Vindkraft Vandkraft? Solenergi Bioenergi
Hvilke alternativer findes for olie som råmateriale? Vindkraft Vandkraft El Solenergi Varme Biomasse Biobrændstof Kemikalier
Bioenergi Hvad er bioenergi/biobrændstoffer? Bioenergi = Energi fra biomasse Biobrændstoffer = Brændstoffer fra biomasse (Bio-ethanol, bio-diesel, bio-gas, bio-brint, bio-butanol etc.)
Biomasse til bil- og flytransport???
Hvor kommer bioenergien fra? Fotosyntese = lysenergi bundet i biomasse Lys 6 H 2 O + 6 CO 2 -> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Glukose Stivelse cellulose hemicellulose lignin
Bioethanol 1. generations teknologi Stivelsesbaseret ethanol Biomasse: Majs, korn, sukkerrør 2. generations teknologi Ethanol fra planterester (lignocellulose) Biomasse: Majsstængler, halm, udpressede sukkerrør, træ Mette Lübeck 12
2. generations bioethanol fremstilling Udnyttelse af rester fra fødevareproduktion og græsser lignocellulosen På nuværende tidspunkt produceres 2. generations bio-ethanol kun begrænset på kommerciel basis. Mette Lübeck 13
Biomassesammensætning - plantevæg Amorph phenolpolymer ic - Lignin Microfibrilles of crystalline cellulose Hemicellulose, binds cellulose and lignin
Biomasse til 2.-generations bioethanol produktion Hvede halm Pil Kaffe planter Majs stængler Eukalyptus træ Ris Halm Udpressede sukkerrør Etc
Cellulose Planters strukturkomponenter er primært cellulose. Cellulose er en polymer lavet af glukoseenheder. (C 6 H 12 O 6 )n Molekylet er meget langt og stift, og er en vigtig del af planternes cellevægge. Cellulose består af 7,000-15,000 glukose molekyler per polymer. Mette Lübeck 16
Hemicellulose Hemicellulose: flere forskellige sukker enheder: glucose, xylose, mannose, galactose, rhamnose og arabinose Hemicellulose er indlejret i planternes cellevæg, bla. i kæder der forbinder cellulose kæder og forbinder pectin og cellulose. Hemicellulose består af kæder på 500-3000 sukker enheder. Derudover er hemicellulose i modsætning til cellulose en forgrenet polymer. Mette Lübeck 17
3 væsentlige trin i bioethanol fremstilling 1. Forbehandling der bryder cellevægstukturen 2. Enzymatisk hydrolyse, hvor enzymer (proteiner) bryder kemiske bindinger mellem cellevægskomponenter 3. Fermentering hvor den nedbrudte biomasse ved en mikrobiologisk proces forgæres til ethanol Gælder for både 1. og 2. generations bioethanol produktion.
Typisk sammensætning af lignocellulose Lignin Cellulose 5-35% 35-50% Hemicellulose 20-40% primært C5 sukker polymer C6 sukker polymer
2.-generations bioethanolproduktion Lignin Hemicellulose 5-35% 20-40% 35-50% Forbehandling primært C5 sukker polymer Cellulose Enzymer C6 sukker polymer glukose Gær Ethanol Specielle bakterier Enzymer xylose, arabinose, galactose, mannose
2.-generations bioethanolproduktion 1 ton halm Lignin Hemicellulose 5-35% 20-40% 35-50% Forbehandling primært C5 sukker polymer Cellulose Enzymer C6 sukker polymer 220 L +140 L glukose Gær Ethanol Specielle bakterier Enzymer xylose, arabinose, galaktose, mannose
Olie som råmateriale Brændstof Raffinaderi Råolie Læge midler Plastik Kemikalier Kosmetik artikler
Biomasse som råmateriale Brændstof Bioraffinaderi Forbehandlet Biomasse Læge midler Plastik Kemikalier Kosmetik artikler
Testanlæg i pilot-skala Biogasol koncept: The Carbon Slaughter House Forbehandling Xylose Fermentation LIGNIN BY-PRODUCTS Biogas proces C5 fermentering Distillering Enzymatisk hydrolyse + C6 fermentering
Classes of enzymes Several classes of enzymes are needed in a synergistic collaboration for degradation of the plant cell wall. These are: Cellulases Hemicellulases Pectinases (primary cell wall) Ligninases Pretreatment using wet-oxidation of wheat straw removes lignin and hemicellulose from cellulose Wheat straw contains approximately 40 % cellulose, 32 % hemicellulose, 18% lignin and no or limited amount of pectins!
Cellulases b-glucosidase Cellobiohydrolase Endoglucanase Cellobiohydrolase Cellulose Cellobiohydrolase b-glucosidase
Synergistic action of cellulases
Eksperiment: Enzymatisk hydrolyse af forbehandlet biomass (hvedehalm). Tilsætning af tre forskellige kommercielle enzymer (cellulaser) til forbehandlet hvedehalm: Novozym188 - primært beta-glucosidase aktivitet Celluclast - primært cellobiohydrolase og endocellulase aktivitet CellicCTec2 kombination af cellobiohydrolase, endocellulase og beta-glucosidase aktiviteter Hydrolysen skal inkuberes 2-3 dage ved 50 o C, og efterfølgende skal der måles for frigjorte sukre (glucose, cellobiose, xylose og arabinose) vha. HPLC analysis Derefter kan beregnes hydrolyse effektivitet