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Enzyme und Enzympräparate für den definierten Abbau von Biomassen
Vincent Pelenc & Matthias Gerhardt
Deutscher Bioraffinerie-Kongress 2007, Berlin, 12-13.09.2007
2
Enzyme und Enzympräparate für den definierten Abbau von Biomassen
1. Biopract GmbH2. Kinetik der Cellulose-Hydrolyse3. Enzyme im Biogasprozess4. Ergebnisse der MethaPlus® - Feldversuche 5. Schlussfolgerungen
3
Biopract GmbH
• Mittelständisches Biotechnologieunternehmen in Berlin-Adlershof, 1992 gegründet
• Forschung, Entwicklung und Produktionhydrolytischer Enzyme
• Marktführer im Bereich der Enzymanwendungen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen – zur Zeit etwa 300 Anwender in D und A
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• Langjährige Bemühungen zur Hydrolyse der Lignocellulose• Bisher kein kommerzielles Verfahren etabliert
Fa. Novozymes, 2007http://biomass.novozymes.com/, see FAQ
• „Research into the processing of (lignocellulosic) biomass into fermentable sugars that can ultimately be converted into ethanol is still in its infancy.“
-> Was ist in der Hydrolyse der Lignocellulose so schwierig ?
Kinetik der Lignocellulose-Hydrolyse
5
Filterpapier und Cellulase von Trichoderma reeseipH 4,8; Temperatur 50 °C
Kinetik der Cellulose-Hydrolyse in Batch-Reaktionen
0 %
20 %
40 %
60 %
80 %
100 %
120 %
0,0 d 2,0 d 4,0 d 6,0 d 8,0 d 10,0 d 12,0 d
0 ppm
8.400 ppm
28.000 ppm
84.000 ppm
280.000 ppm
924.000 ppm
3.080.000 ppm
Abbaugrad
Vollständige Hydrolyse bei • mehrtägiger Wirkungszeit und • beträchtlichem Enzymeinsatz
Extrem drastische Verlangsamung der Reaktion
Reaktionszeit
Enzymmenge
6
Kinetik der Cellulose-Hydrolyse bei Entfernung der Reaktionsprodukte über eine UF-Membran
V1 = 13 ml V2 = 211 ml
Freie Diffusion
Substrat Filterpapier
Enzyme = Cellulase + ß-Glucosidase
Produkt = reduzierende Zucker (Cellobiose, Glucose)
UF-Membran = 8.000 D cutoff / Polyethersulfon
Legende:
7
Filterpapier und Cellulase von Trichoderma reeseipH 4,8; Temperatur 40°C; 44.000 ppm Cellulase + ß-Glucosidase
Kinetik der Cellulose-Hydrolyse bei Entfernung der Reaktionsprodukte
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 ,00d 2 ,00d 4 ,00d 6 ,00d 8 ,00d 10 ,00d 12 ,00d 14 ,00d 16 ,00d 18 ,00d
UF-Reaktor
Batch-Reaktor
Vollständige Hydrolyse bei• mehrtägiger Wirkungszeit und • mäßigem Enzymeinsatz (44 g Enzympräparat für 1 kg Cellulose)
Abbaugrad
Reaktionszeit
8
Kinetik der Cellulose-Hydrolyse
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 ,00d 2 ,00d 4 ,00d 6 ,00d 8 ,00d 10 ,00d 12 ,00d 14 ,00
UF-Reakto
Batch-Rea
Lineare Kinetik• Enzyme stabil• Substrat Filterpapier kinetisch homogen
Reaktionsgeschwindigkeiten im Vergleich :
2290 % UF4,8 / 40°CF. Papier
354 % Batch4,8 / 40°CF. Papier
1.200 - 24000,5 %5,0 / 40°CLöslich
Geschwind.,µmol/min.g Präparat
AbbaupH, Temp.Substrat
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Kinetik der Cellulose-Hydrolyse:Günstige Einsatzbedingungen für die Cellulasen
1. Quellfähige Substrate
2. Abbau/Abfuhr der Hydrolyseprodukte
3. Lange Wirkungszeit
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Enzyme im Biogasprozess : Substrate
Potenzieller / tatsächlicher Biogasertrag aus verschiedenen Substraten
Potenziell : Stochiometrisches Potenzial für die BiogasbildungTatsächlich: KTBL (Ed.). 2005. Gasausbeute in landwirtschaftlichen Biogasanlagen.Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. Darmstadt
Gras
(Nov
embe
r)
Rind
ergü
lle
Schw
eine
gülle
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zens
troh
Grünf
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r
Raps
Maiss
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Grass
ilage
Wei
zen
Potenziell
Tatsächlich
0 Nm3/t
200 Nm3/t
400 Nm3/t
600 Nm3/t
800 Nm3/t
1.000 Nm3/t
1.200 Nm3/t
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Enzyme im Biogasprozess : Substrate
Substrate: die Zusammensetzung von Maissilage
NSP (51%)
Lignin (2%)Eiweiß (8%)
Fett (2%)
Stärke (37%)
NSP = Nicht - Stärke - Polysaccharide
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Enzyme im Biogasprozess : Substrate
NSP im Prozess der Biomasse-Hydrolyse
• NSP sind Polysaccharide, die einen enzymatischenAufschluss zu Oligomeren / Monomeren erfordern
• NSP verhindern den Abbau leicht abbaubarer Stoffe (Käfig-Effekt)
• NSP erhöhen die Viskosität des Mediums und beschränken damit die Raumbelastung
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Enzyme im Biogasprozess :Abbau der Reaktionsprodukte /Lange Wirkungszeit
Hydrolytische Enzyme
• Produktionsstamm: Trichoderma reesei
• Aktivitäten:– Cellulase– ß-Glucanase– Xylanase– Chitinase– Pectinase– etc.
Enzymzugabe
Spaltung der Polysaccharide
Freisetzung der Spaltprodukte
Mikrobieller Abbau zu Biogas
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Preserved Strain
Shaker Culture
Inoculation Culture
Fermentation
Cell Removal
Concentration
Stabilisation
Fluid Product
Drying
Solid Product
MethaPlus® - Produktion aus Trichoderma reesei
15
Steigerung des Biogasertrages(Kaiser, 2004, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft)
+ 15 % Gas
MethaPlus® im Biogasprozess
16
Deutliche Senkung der Viskosität im anaeroben Fermentationsmedium
42 % Niedrigere Viskosität nach 2 Std.
MethaPlus® im Biogasprozess
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
Inkubationszeit, min
Visk
ositä
t, m
Pa.
s
unbehandeltmit 200 ppm Enzym
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Space time load in main fermentor
Min: 1 kg oDM/m3 dMax: 15 kg oDM/m3 dAverage: 5 kg oDM/m3 d
Residence time in main fermentor
Min: 11 daysMax: 99 daysAverage: 42 days
Feldversuche: die teilnehmenden Biogasanlagen
30 Biogasanlagen in der Studie
30 Biogas plants in the field trial
Durchschnitt
HauptfermenterBHKW 210 kWTägliche Substratzugabe 3,0 t TM/TagTemperatur 41,6 °C
0 kW
100 kW
200 kW
300 kW
400 kW
500 kW
600 kW
700 kW
800 kW
900 kW
1.000 kW
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Biogasanlage
18Gemessene Gasmenge: tatsächlich produziertes Gas Erwartete Gasmenge: aus oTS errechneter Gasertrag (KTBL)
Biogas Anlage #10057: 760 m3 Hauptfermenter, 145 kWel.
Feldversuche: die praktische MethaPlus® - Anwendung
Akkumulierte Gasproduktion
Wochen
+ 127 g Enzym / t oTS x d+ 20 %Biogas
Gemessene Gasmenge
Erwartete Gasmenge
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
19
Steigerung des Biogasertrages
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Biogasanlagen
Durchschnitt: + 18 %
Feldversuche: die praktische MethaPlus® - Anwendung
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Die Anwendung von MethaPlus® in Biogas-anlagen ergab: • Im Durchschnitt 18% höheren Biogasertrag • Einsatz lohnte sich in allen getesteten Anlagen• Höhere Produktivität der Anlagen
Die Reaktionsgeschwindigkeit:• 18% höheren Biogasertrag bei Anwendung von 200 ppm
Enzympräparat und Verweilzeit von 42 Tagen ergibt:ca. 80 µmol / min . g Präparat
Kontakt:Jörg P. EulerBIOPRACT GmbHMagnusstraße 1112489 [email protected]@biopract.de
Schlussfolgerungen:
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Raum-Zeit-Belastung im Hauptfermenter
Min: 1 kg oTS/m3 dMax: 15 kg oTS/m3 dDurchschnitt: 5 kg oTS/m3 d
Verweilzeit im Hauptfermenter
Min: 11 TageMax: 99 TageDurchschnitt: 42 Tage
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
0 d
10 d
20 d
30 d
40 d
50 d
60 d
70 d
80 d
90 d
100 d
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
Feldversuche: die praktische MethaPlus® - Anwendung
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Beispiele: Gasertrag
Position Anlage A Anlage B
Hauptfermenter 1.000 m³ 1.500 m³
Substrat (TS) 1.430 t/a 2.845 t/a - Rindergülle 35 t/a - Maissilage 594 t/a 2.090 t/a - Sonstiges 801 t/a 755 t/a
Enzymzugabe 470 kg/a 310 kg/a
Gasertrag unbehandelt 740.000 m³/a 1.900.000 m³/a
Gasertrag mit MethaPlus ® 900.000 m³/a 2.200.000 m³/a
Steigerung der Gasproduktion 22,6% 16,5%
Feldversuche: die praktische MethaPlus® - Anwendung
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Position Anlage A Anlage B
Vergütungssatz (gemäß EEG) 0,115 EUR/kWh 0,115 EUR/kWh
Stromeinspeisung unbehandelt 1.857 MWh/a 3.117 MWh/a
Stromeinspeisung mit MethaPlus ® 2.276 MWh/a 3.629 MWh/a
Mehrerlös 48.000 EUR/a 59.000 EUR/a
Enzymkosten 14.000 EUR/a 9.000 EUR/a
Netto-Mehrerlös 34.000 EUR/a 50.000 EUR/a
Feldversuche: die praktische MethaPlus® - Anwendung
Beispiele: Netto-Mehrerlös
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Reaktionsgeschwindigkeit:
• 1 kg Substrat zu 18 % abgebaut = 180 g freigesetzten Zucker = 1.000.000 µmol
• Über 42 Tage x 24 x 60 = 60.480 min• Mit 0,2 g Enzympräparat
• Geschwindigkeit = 1.000.000 / 60.480 / 0,2= 82 µmol / min / g Präparat