Production of Ethanol from Spruce at High Solids Concentrations - An Experimental Study on Process Development of Simultaneous Saccharification and Fermentation

Abstract: Popular Abstract in Swedish Intresset för förnybara bränslen har ökat stadigt under de senaste åren. Att byta ut fossila mot förnybara bränslen kan minska utsläppen av växthusgaser till atmosfären och därmed minska klimatpåverkan av dessa men även minska vårt beroende av olja. Biobränslen som t.ex. etanol, biodiesel eller biogas, räknas till förnybara bränslen eftersom de inte bidrar till en ackumulering av koldioxid i atmosfären då koldioxid som bildas vid deras förbränning tas upp vid bildning av ny biomassa som används för tillverkning av nya biobränslen. Det är viktigt att kunna framställa etanolen på ett effektivt sätt till en rimlig kostnad. Detta arbete har bidragit till att effektivisera processen för tillverkning av etanol från gran. Etanol till fordonsbränsle görs idag av vete, majs och sockerrör (så kallad biomassa). Dessa innehåller i huvudsak druvsocker i form av stärkelse eller socker. Så står etanolframställningen i konkurrens till matproduktion. Även cellulosa, som utgör en stor del av biomassan i träd, halm och gräs, består i huvudsak av druvsockermolekyler. För att minska konkurrensen av biobränsleframställning med matproduktion och för att minska produktionskostnaden, har man på senare år därför börjat titta på framställning av etanol från cellulosa. Då används enzymer (biologiska katalysatorer) som kan bryta ner cellulosa till enskilda druvsockermolekyler i en så kallad hydrolys. Dessa kan sedan jäsas till etanol av vanlig bagerijäst. När man utför hydrolys och jäsning samtidigt, är det möjligt att få ut mer etanol ur råmaterialet. Efter jäsning koncentreras etanolen med hjälp av destillation. Jäsning av socker till etanol som öl och vin har gjorts sedan urminnes tider. I cellulosa finns sockret dock bundet i en struktur som är svår att bryta ner. Som råmaterial i detta arbete har gran använts för framställning av etanol. En stor kostnad i framställningen av etanol är destillationen. Denna kostnad minskar avsevärt när etanolkoncentrationen är hög redan efter jäsningen. Därför är det viktigt att ha en hög koncentration av fast råmaterial redan under hydrolysen och jäsningen. Målet med mitt doktorandprojekt har varit att studera hur höga koncentrationer av fast råmaterial påverkar tillverkningsprocessen. Arbetet har även syftat till att uppnå en hög etanolkoncentration efter jäsningen. Processen för framställning av etanol från gran fungerar väl så länge det inte finns för hög halt av biomassa i reaktorn. Veden som har förbehandlats inför hydrolysen och jäsningen är en tjock massa, som snabbt blir svår att röra om och hantera när den inte späs ut med mycket vatten. Dessutom har det visat sig att inte lika mycket druvsocker och etanol kan produceras när processen körs vid högre koncentration av fast material. Detta har i mina studier visats bero på både omrörningssvårigheter men även ökade koncentrationer av ämnen som påverkar jästen när koncentrationen av biomassa ökas. Dessa ämnen finns redan i veden eller frigörs under produktionsprocessen. Jag har visat att det är möjligt att uppnå höga koncentrationer av etanol även vid högre utgångskoncentrationer av fast råmaterial när man låter enzymerna bryta ner cellulosan redan innan man tillsätter jästen. Detta har gjorts tidigare för andra råmaterial, men man har förklarat den positiva effekten med att det blir lättare att röra om materialet när enzymerna har fått bryta ner det, vilket gör materialet mer flytande. I denna avhandling har jag dock kunnat visa att jästen även arbetar mer effektivt i kontakt med redan nedbrutet material. Resultaten antyder att det inte enbart är koncentrationen av fast material som påverkar hur mycket etanol jästen kan framställa, men även till vilken grad cellulosan är nedbruten. En etanolkoncentration på 4-5% brukar anses vara det som måste uppnås för att kunna producera etanol från lignocellulosa till en konkurrenskraftig kostnad. I optimeringen i denna avhandling har jag framställt etanol från gran i koncentrationer upp till 6,5%. Under den senaste tiden har ett antal demonstrationsanläggningar för cellulosabaserad etanol byggts runt om i världen och de första anläggningar som producerar etanol från cellulosa i kommersiell skala förväntas sättas i drift inom detta eller nästa år. Forskning som den presenterad i denna doktorsavhandling är därför ytterst aktuell och central för att minska tillverkningskostnaden och göra cellulosabaserad etanol konkurrenskraftig med fossila bränslen.