Bioethanol produktion, del 1

Det Danske Bioethanol Koncept (DBK) er et koncept, der er udviklet i samarbejde mellem Danmarks Tekniske Universitet og Forskningscenter RISØ. Konceptet bygger på, at etanol og biogas produceres fra landbrugsaffald (hvedehalm) og gylle med en næsten komplet udnyttelse af biomassen. Hvedehalm og gyllefibre vådoxideres, og de frigivne sukre omsættes til etanol. Væskefraktionen af gyllen bliver sammen med de resterende stoffer fra etanolfermenteringen efterfølgende omsat til metan i en termofil UASB reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor). Projektet indeholder forsknings aktiviteter inden for alle områderne af konceptet, som sigter efter at optimere de anvendte teknologier og herved sikre en kommercialiserbar proces. Denne rapport præsenterer de resultater, der er opnået i første del af fire-delt forskningsprojekt. Forbehandling og karakterisering af produkter blev udført på RISØ. For at nedbringe ethanolproduktionsomkostninger blev det udersøgt om vådoxidations processen kunne gøres billlig ved at substituere ilt med atmosfærisk luft. Yderligere blev effekten af at udbløde fibrene med H_2_02 inden forbehandling undersøgt. Det blev vist, at den optimale forbehandling af hvedehalm blev opnået ved 12 minutters behandling ved 195 grader C med 4 g/L Na_2C0_3 og 12 bar ilt eller ved udblødning i 1% H_20_2 i 15 minutter ved 50 grader C kombineret med 24 bar luft samt 2 g/L Na_2C0_3. For at undersøge den ligninrelaterede enzymatiske hæmning i det forbehandlede hvedehalm (hydrolysat) blev der udført en række eksperimenter med kombination af enzymatisk hydrolyse og mikrobielle fermenteringer. Det blev vist, at ved lave enzymkoncentrationer, nødvendige for en økonomisk rentabel proces, blev de resulterende etanoludbytter lavere end det teoretisk mulige. Del 1 af forskningsprojektet inkluderede også en screening for termofile (70 grader C) anaerobe mikroorganismer fra DTU's stammesamling for at identificere potentielle kandidater til produktion af termofile hydrolytiske enzymer. Screeningen blev foretaget på hvedehalmshydrolysat og omfattede 48 udvalgte kandidater. Fra forsøgene blev 3 stammer udvalgt på baggrund af deres evne til at leve og producere ethanol fra hvedehalmshydrolysatet. Det blev ydermere vist at de tre stammer var i stand til at producere xylanolytiske termofile enzymer. Genetiske værktøjer til stammeforbedring af termofile bakterier eksisstere i meget begrænset omfang ikke og det har derfor været nødvendig, som en del af projektet, at udvikle disse metoder. Dette er gjort gennem screening af termofiler for plasmider til brug for kromosal integration eller fjernelse (deletion) samt gennem udvikling af metoder til overekspression af gener. Det blev fundet, at Anaerocellum thermophilum indeholder to plasmider af henholdsvis 3653 og 8294 basepar. Disse plasmider blev sekventeret og analyseret. Undersøgelserne viste at de to plasmider indeholdt henholdsvis 10 og 17 potentielle gener kodende for peptider med mere en 70 aminosyre. Da begge plasmider er relativt små vurderes det at de potentielt kan anvendes som del af shuttle vectors. Det mindste af plasmiderne blev succesfuldt indsat i en E. coli lav-kopivekor som første trin til at fremstille en virkelig E. coli termofil bakterievektor. For at opnå god procesøkonomi gennem maksimering af ethanoludbyttet, er det nødvendigt at omsætte alle sukkerfraktioner, hermed også xylosen i hydrolysatet. Dette løses i det Danske Bioethanol Koncept ved at implementere af et ekstremt termofilt UASB xylosefermenteringstrin, som er en ny teknologi i forbindelse med ethanolproduktion. Det blev vist, at UASB systemet ved ekstreme organiske belastninger (243 gCOD/(L*d)) havde en næsten komplet substratomsætning (99,4%) og en meget høj etanolproduktivitet. Anvendelse af alternative næringskilder som supplement til mikrobiel vækst blev undersøgt ved forsøg med gylle og corn steep liquer (CSL). Det blev vist at S. cerevesiae var i stand til at vokse uden inhibering i både CSL gyllevand uden tilsætning af gærekstrakt - normalt anvendt som kilde til vitaminer, næringsstoffer og spormetaller. Forsøg med den termofile stamme T. mathranii viste at CSL som erstatning for gærekstrakt ikke var tilstrækkeligt til at opnå tilfredsstillende ethanol produktiviteter. Ydermere blev det vist at den termofile fermentering blev hæmmet signifikant ved gyllevandskoncentrationer over 50%. Det forventes at T. mathranii kan adapteres til gyllevand ved brug af adaptionsteknikker udviklet på DTU