Enzyme und Enzympräparate für den definierten Abbau von ... · Kinetik der Cellulose-Hydrolyse in...

1

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

4

• 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

9

Kinetik der Cellulose-Hydrolyse:Günstige Einsatzbedingungen für die Cellulasen

1. Quellfähige Substrate

2. Abbau/Abfuhr der Hydrolyseprodukte

3. Lange Wirkungszeit

10

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

Wei

zens

troh

Grünf

utte

r

Raps

Maiss

ilage

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

11

Enzyme im Biogasprozess : Substrate

Substrate: die Zusammensetzung von Maissilage

NSP (51%)

Lignin (2%)Eiweiß (8%)

Fett (2%)

Stärke (37%)

NSP = Nicht - Stärke - Polysaccharide

12

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

13

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

14

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

17

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

20

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 Berlinwww.biopract.deeuler@biopract.depelenc@biopract.de

Schlussfolgerungen:

21

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

22

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

23

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

24

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