Ethanol from Softwood - Process Development Based on Steam Pretreatment and SSF

Detta är en avhandling från Kerstin Stenberg, Chemical Engineering, Lund University

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Denna avhandling handlar om hur bränsleetanol kan produceras från barrved för att användas som ersättning för bensin. Den största fördelen med detta är att genom att använda etanol tillverkad av råmaterial från växtriket ökar vi inte växthuseffekten. Den koldioxid som frigörs vid förbränningen av etanolen tas åter upp av växtligheten och vi får ett slutet kretslopp. Andra fördelar med etanol är att den kan produceras från inhemska råvaror och att kolväteutsläppen blir lägre än då bensin används. Etanol kan produceras från olika stärkelseprodukter som potatis eller säd, där stärkelsen enkelt bryts ned till socker som sedan kan jäsas med jäst. Men om etanolen ska konkurrera i kostnad med bensinen måste man utgå från billigare råvaror. Billigast är olika former av avfall och rester från skogsindustrin och jordbruket. Gemensamt för dessa råmaterialen är att de innehåller cellulosa och hemicellulosa som kan brytas ned till socker. En process baserad på cellulosa blir mer komplicerad än när stärkelse är råvara. I Sverige utgörs den största råvarumängden av barrved och därför är den här avhandlingen koncentrerad på denna råvara. Tyvärr är det svårare att göra etanol från barrved än från lövträd och jordbruksavfall. Nedbrytningen av cellulosa till socker kan ske antingen med en syra eller med enzymer, dvs proteiner som fungerar som biokemiska katalysatorer. Den enzymatiska processen är mer specifik i omvandlingen av cellulosa och har därför större förutsättning att ge högre utbyte. Det är denna process som avhandlingen handlar om. Den enzymatiska processen består av fyra huvudsteg: förbehandling, hydrolys, jäsning och destillation. I förbehandlingen behandlas träet med ånga vid högt tryck för att bryta ned fiberstrukturen i träet och frilägga cellulosan. En liten mängd sur katalysator i form av svavelsyra eller svaveldioxid tillsätts också. Förbehandlingen är nödvändig för att enzymerna senare ska kunna komma åt cellulosan. Under förbehandlingen bryts hemicellulosan ned till enkla sockerarter och det bildas också en del biprodukter, bl a nedbrytningsprodukter från sockret och ligninet. En del av de här biprodukterna är skadliga för enzymerna i hydrolysen och jästen i fermenteringen. De två första artiklarna som avhandlingen baseras på behandlar förbehandlingen och hur den ska utföras för att vara så effektiv som möjligt. Nästa steg i processen är hydrolysen där enzymer bryter ned cellulosan till glukos. Enzymerna produceras av en rötsvamp, Trichoderma reesei. Hydrolysen är en ganska långsam process som tar några dygn. Ett problem med hydrolysen är att den är produktinihiberad, dvs ju mer socker som bildas desto långsammare går hydrolysen. Ett annat problem är att barrved i sig är svårnedbrytbar. Hydrolysen följs av jäsningen där vanlig bagerijäst jäser hexossockren, däribland glukos, till etanol. Hemicellulosan innehåller också en del pentossocker som vanlig bagerijäst inte kan jäsa. Därför pågår arbete med att gentekniskt modifiera jästen så att den kan jäsa även pentoser. Det återstår dock en del arbete innan en sådan jäst kan användas i en industriell process. Därför är det en fördel med barrved jämfört med lövved att andelen pentoser från hemicellulosan är låg. Sockerlösningen från jäsningen måste koncentreras. Detta görs med konventionell destilleringsteknik så att man får en etanolhalt på 94 viktsprocent. Den går bra att använda om man ska köra bilar på endast etanol. Använder man etanolen som inblandning i bensinen, vilket är möjligt upp till ungefär 15%, måste etanolen först absoluteras. Hydrolysen och jäsningen kan integreras och utföras samtidigt i en reaktor. Detta kallas SSF, (simultaneous saccharification and fermentation). Fördelen med SSF är att glukosen som bildas i hydrolysen direkt omvandlas till etanol av jästen. På så sätt minimeras produktinhiberingen och produktiviteten i processen ökar. Artikel 3 och 4 i avhandlingen behandlar SSF. En etanolprocess producerar stora avloppsströmmar som inte bara kan släppas ut. Istället måste avloppsströmmarna recirkuleras och användas som ersättning för färskvatten i olika processteg. Detta medför att de skadliga biprodukterna ackumuleras i processen. För att kunna studera hur detta påverkar hydrolysen och jäsningen har en bänkskaleanläggning, någonting emellan labskala och pilotskala, byggts. I denna anläggning har hela processen, från trä till etanol, körts och inflytandet av recirkulering studerats. Resultaten av detta redovisas i artikel 5. Etanolprocessen måste optimeras inte bara tekniskt utan även ekonomiskt. Den sista delen av avhandlingen behandlar hur recirkulering och olika processkonfigurationer påverkar produktionskostnaden för etanol.

  Denna avhandling är EVENTUELLT nedladdningsbar som PDF. Kolla denna länk för att se om den går att ladda ner.