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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

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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

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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

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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

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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:

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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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Grünf

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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

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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

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Steigerung des Biogasertrages(Kaiser, 2004, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft)

+ 15 % Gas

MethaPlus® im Biogasprozess

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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 Berlinwww.biopract.deeuler@biopract.depelenc@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