EOS Biobutanol. Resultaten en bevindingen van project. Datum 2009 Status Definitief

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project EOS Biobutanol Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 2009 Status Definitief Wageningen UR-Food&Biobased Research, e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon EOS Biobutanol Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT02036 Wageningen UR-Food & Biobased Research Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 EOS Biobutanol Biobutanol: Productie van ABE uit lignocellulose biomassa Openbaar Eindrapport EOS LT02036 Auteurs: R.Bakker, A. López-Contreras, V.Eisner, C. Daza*, H. den Uil* Wageningen UR-Food & Biobased Research * EnergieonderzoeksCentrum Nederland Dit rapport is gratis te downloaden op de volgende internet sites: en Contactpersoon voor meer informatie: Dr ir R.Bakker Wageningen UR-Food&Biobased Research Postbus AA Wageningen Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door SenterNovem. 1

5 1. Samenvatting van de uitgangspunten en de doelstelling van het project In de bio-based economy - ofwel de groene economie - staat het gebruik van biomassa voor non-food toepassingen centraal. Non-food toepassingen zijn bijvoorbeeld transportbrandstoffen, chemicaliën, materialen, elektriciteit en warmte. Om de bio-based economy te realiseren, dient biomassa optimaal verwaard te worden. Dat houdt in dat door middel van bioraffinage alle delen van de plant, ook nieteetbare delen volledig benut worden. Door tegelijkertijd in te zetten op producten met een hoge toegevoegde waarde, zoals bioplastics en chemicaliën, en biomassa tevens in te zetten voor transportbrandstoffen, elektriciteit en warmte, wordt de biomassa optimaal benut. Om die optimale benutting te realiseren, moeten innovatieve processen ontwikkeld worden waarmee biomassa tot hogere waarde kan worden gebracht. Het doel van dit project is om een efficiënt en duurzaam proces te ontwikkelen voor fermentatieve productie van butanol, een vervanger van zowel benzine als diesel, en een grondstof in de chemie, op basis van biomassa. Dit onderzoeksproject is voornamelijk gericht op de inzet van in Nederland voorkomende, laagwaardige biomassa-reststromen, die rijk zijn aan ligno-cellulose. Voor Nederland biedt namelijk vooral het gebruik van deze reststromen kansen in de bio-based economy. Het onderzoek is echter tevens relevant voor biomassa grondstoffen die in andere EU landen, of buiten de EU, beschikbaar zijn. Het project is gericht op het ontwikkelen en toepassen van een aantal innovaties in de conversie van lignocellulose biomassa naar butanol. Specifieke doelstellingen van dit project zijn (1) het bepalen van de geschiktheid van laagwaardige, hout-achtige biomassa reststromen voor butanolproductie, (2) het identificeren van geschikte voorbehandelingstechnieken voor deze reststromen, (3) het testen van de fermenteerbaarheid van ontsloten biomassa stromen, (4) het toepassen van nieuwe scheidingstechnieken op butanolfermentatie, en (5) het maken van een systeem-voorontwerp voor integrale conversie van biomassa naar butanol. Tevens is onderzocht welke economische pluspunten het proces heeft, en welke ecologische voordelen de inzet van de gebruikte biomassastromen biedt. Hierdoor draagt het project bij aan de ontwikkeling en stimulering van de bio-based economy in Nederland. Het project is uitgevoerd in de periode , door Wageningen UR-Food & Biobased Research (voorheen Agrotechnology & Food Innovations b.v.), in nauwe samenwerking met het Energieonderzoeks Centrum Nederland (ECN). Tevens is er in de loop van het project contact geweest met relevante bedrijven, o.a. biobrandstofproducenten, producenten van platformchemicaliën, procesontwikkelaars, en leveranciers van houtachtige biomassa, en zijn enkele experimenten uitgevoerd in nauwe samenwerking met enkele bedrijven. 2

6 2. Beschrijving van de behaalde resultaten, de knelpunten en het perspectief voor toepassing Samenvattend heeft het project Biobutanol de volgende resultaten behaald: Lignocellulose Grondstoffen en Ontsluiting Tarwe stro en (beheers-)gras zijn volwaardige, koolhydraat-rijke grondstoffen voor ABE (aceton, butanol, ethanol) fermentatie. De twee in het project toegepaste voorbehandelingsmethoden zijn technisch haalbaar voor enzymatische hydrolyse van gras en stro. Vooral alkalische voorbehandeling is goed toepasbaar voor ABE fermentatie. Mild-zure voorontsluiting is minder geschikt, met name door de vorming van remmende stoffen die de fermenteerbaarheid negatief beïnvloeden. Butanol Fermentatie De geproduceerde hydrolysaten uit alkalische voorbehandeling zijn fermenteerbaar naar butanol zonder dat verwijdering van remmende stoffen nodig is, hetgeen een verbetering t.o.v. wat bekend is uit de beschikbare literatuur. Tevens zijn in dit project de eerste butanol fermentaties op basis van inzet van gras als grondstof, uitgevoerd. Verder is gebleken dat ook de voorbehandelingsmethode invloed heeft op aanwezige nutriënten in het hydrolysaat: sommige hydrolysaten zijn toepasbaar voor ABE fermentatie zonder dat verdere toevoeging van nutriënten nodig is. Dit kan de kosten van butanolfermentatie verlagen. Toepassing nieuwe scheidingstechnologie In samenwerking met twee bedrijven zijn een aantal commerciële membraansystemen uitgetest voor het verwijderen van gesuspendeerde celbiomassa tijdens de butanol fermentatie. Deze technieken blijken alleen toepasbaar bij lage gehalten aan gesuspendeerde delen, hetgeen niet realistisch geacht wordt voor ABE fermentatie. Aanpassing van de bestaande systemen is technisch mogelijk, maar zou een omvangrijke inspanning vergen. Toepassing van hollow-fibre membranen in butanol fermentatie is de meest innovatieve techniek t.o.v. state of the art technieken, die in dit project is uitgevoerd. Resultaten laten een lage membraanvervuiling zien en een relatief hoge cel viabiliteit, hetgeen in vergelijking met wat bekend is uit de literatuur een belangrijke verbetering inhoudt. In de loop van het project is een nieuwe techniek op lab-schaal ontwikkeld en uitgetest voor combinatie van cel-retentie en in-situ ABE verwijdering, twee systeeminnovaties die de productiviteit van butanolfermentatie drastisch kunnen verhogen. Economische evaluatie en energetische efficiency Er zijn in dit project twee systeem-voorontwerpen gemaakt voor conversie van biomassa naar butanol: een productiesysteem op kleine schaal (500 ton ABE/j), en een productiesysteem op grote schaal ( ton ABE/j). Butanol productie op kleine schaal, op basis van inzet van gras als biomassa grondstof, leidt tot hoge productiekosten hetgeen niet economisch haalbaar geacht wordt. Echter, butanol productie op grote schaal waarbij tarwestro wordt ingezet als grondstof, leidt tot productiekosten die economisch haalbaar zijn. De haalbaarheid van dit systeem wordt voordelig beïnvloed doordat naast butanol een omvangrijke hoeveelheid duurzame elektriciteit (135MWe) wordt geproduceerd, deze kan aan het elektriciteitsnet geleverd worden. De energetische efficiëntie van de productiesystemen varieert van 25% (productie kleine schaal) tot 38% (grote schaal). Bij nuttig gebruik van de geproduceerde afvalwarmte zal de energetische efficiëntie nog hoger liggen. Ecologische evaluatie De resultaten van de levenscyclus analyse (LCA) van butanol productie uit lignocellulose reststromen zijn gedeeltelijk positief en gedeeltelijk negatief. Voor de meeste impactcategorieën is productie van butanol uit biomassa milieuvriendelijker in vergelijking met butanol productie uit aardolie. Om de ecologische impact van butanolproductie te verbeteren, zijn verbeteringen nodig op verschillende vlakken in het productiesysteem, zoals de bemesting, het gebruik van enzymen tijdens de voorbehandeling, en het gebruik van nutriënten tijdens fermentatie. 3

7 3. Aanbevelingen Dit project heeft geleid tot nieuwe inzichten in de geschiktheid van lignocellulose als grondstof voor butanolproductie, nieuwe inzichten in de toepassingsmogelijkheden nieuwe membraantechnologie, en inzicht in de economische en ecologische impact van butanolproductie uit lignocellulose. De volgende aanbevelingen worden gedaan door het projectteam: 1. Verder onderzoek en ontwikkeling in procestechnologie voor butanol productie zou gericht moeten zijn op de volgende gebieden: a. verbeteringen in de voorbehandelingstechnieken voor biomassa die leiden tot hogere concentraties aan fermenteerbare suikers, b. ontwikkeling van nieuwe systemen voor continu verwijdering van eindproducten (aceton, ethanol, butanol) uit de butanol fermentatie, c. ontwikkeling van goedkope en efficiënte methoden voor winning van de eindproducten, en d. verbetering van het gebruik van niet-fermenteerbare bijproducten, zoals lignine. 2. De selectie van nieuwe bacteriële stammen voor butanol fermentatie zou gericht moeten worden op de volgende gebieden: a. het efficiënter gebruik van lignocellulose hydrolysaten, b. hogere opbrengst van eindproducten en verbetering van de verhouding van geproduceerde eindproducten, ten gunste van butanol, c. een verbetering van de productiviteit van bestaande bacteriële stammen in continue fermentatie. 3. In de huidige systeemevaluatie is het effect van watergebruik op de proceskosten en efficiency niet geëvalueerd. Het hergebruik van water in het proces is een zeer belangrijk aspect dat in verder onderzoek en procesoptimalisatie meegenomen moet worden. 4. Verder onderzoek en een meer gedetailleerde analyse van optimale condities voor gasstrippen is aan te bevelen. 4. Beschrijving van de bijdrage van het project aan de doelstellingen van het Programma (duurzame energiehuishouding, versterking van de kennispositie) Bijdrage aan duurzame energiehuishouding Het project "Biobutanol" richtte zich op de ontwikkeling van een bioraffinage proces voor conversie van lignocellulose naar butanol met co-productie van elektriciteit en warmte en maximale inzet van overige nevenproducten en reststromen. Butanol uit lignocellulose vormt met name een alternatieve biobrandstof voor biodiesel uit plantaardige oliën, maar kan voor zowel inmenging in fossiele diesel als benzine gebruikt worden. Bovendien is butanol een platform molecuul dat een brede toepassing kent in de chemische industrie. Ook de chemische industrie streeft naar een vervanging van de fossiele brand-/grondstofinput door hernieuwbare alternatieven. Daar biomassa dé duurzame alternatieve grondstof is voor de chemische industrie de inzet van biomassa is min of meer CO2-neutraal, mits verantwoord geteeld en toegepast resulteert 10% substitutie in de chemische industrie in 2020 in een substitutie van ruim 65 PJth aan fossiele inzet. Ontwikkeling van bioraffinage technologie is essentieel om aan de groeiende vraag naar duurzame alternatieven te voldoen en voor het zo optimaal mogelijk benutten en valoriseren van biomassa. Het project Biobutanol richtte zich op bioraffinage van in totaal zo'n 4,5 M ton (droge basis) aan natte, houtachtige biomassa stromen die in 2020 in Nederland decentraal beschikbaar komen door 4

8 landschapsbeheer, inkrimping van de veestapel, en intensivering van het gebruik van de groene ruimte. Door het verspreide aanbod en het soms hoge vochtgehalte komen deze stromen niet in aanmerking voor grootschalige verwerking. Uit deze stromen kan ca. 57 PJth aan biobrandstof in de vorm van butanol worden geproduceerd.. Daarnaast levert deze stroom ca. 17 PJth aan niet fermenteerbaar materiaal (m.n. lignine) voor geïntegreerde elektriciteits- en warmteproductie voor het productieproces, en externe levering aan het net. Hieruit resulteert een totaal vermeden fossiele inzet van 74 PJth /jaar. Als naast de genoemde natte biomassastromen ook andere biomassa stromen die in Nederland beschikbaar zijn met het nieuwe proces worden omgezet stijgt de vermeden fossiele inzet naar ca. 114 PJth/jr. De potentie van deze bioraffinage technologie in de EU als geheel wordt geraamd op minimaal enkele 100 en PJth per jaar. Concreet heeft het project Biobutanol geresulteerd in de volgende resultaten: - een volledige integratie van biomassa voorbehandelingstechnieken met fermentatieve productie van butanol, en thermische conversie van niet-fermenteerbare deelstromen; - integratie van secundaire bioraffinage met nieuwe scheidingstechnologieën voor in-situ verwijdering van het eindproduct; - een innovatief systeemontwerp waarbij energie uit niet-gefermenteerde delen (met name lignine) wordt omgezet in warmte en elektriciteit die in het bioproces gebruikt wordt Bijdrage aan de versterking van de kennispositie van Nederland De positie van Nederlandse kennisinstellingen in internationaal perspectief heeft tijdens dit project een belangrijke impuls gekregen door de organisatie van het internationaal congres Clostridium 10: The 10 th international workshop on the genetics and physiology of acid- and solvent-producing Clostridia in Wageningen van 28 september tot 1 Oktober deelnemers uit alle werelddelen bezochten dit congres. Het congres is deels gefinancierd uit het kennisdisseminatie van dit project. Het congres vormt het belangrijkste congres in de wereld op het gebied van bioprocessen d.m.v. Clostridium stammen. ABE is een van de belangrijkste toepassingen hiervan. Resultaten van dit project zijn reeds ingebracht in nieuwe internationale en nationale projecten waarin de kennisinstellingen Wageningen UR-FBR (voorheen A&F) en ECN, aan deelnemen. In het Integrated Project BioSynergy (onderdeel van het zesde kaderframework) bijvoorbeeld, spelen Wageningen UR en ECN een leidende rol, en wordt nauw samengewerkt met belangrijke buitenlandse partijen op het gebied van lignocellulose voorbehandeling en ABE fermentatie, zoals het Institut Francois du Petrol, en Abengoa. Daarnaast is er een nieuw EOS-LT project gestart o.l.v. ECN, waarin ontwikkelde technieken verder ontwikkeld en toegepast worden op nieuwe biomassa grondstoffen, zoals macro-algen/zeewieren. Tot slot zijn er in de loop van het project nieuwe onderzoeksvoorstellen ingediend, in nauwe samenwerking met het bedrijfsleven. 5. Spin off binnen en buiten de sector Mogelijke verdere spin-offs van dit project voor verder onderzoek en ontwikkeling in Nederland, zijn te verwachten in de volgende onderzoeksgebieden: - simultane fermentatie van ethanol en butanol, waarbij C6 suikers worden omgezet in ethanol, en C5 suikers in butanol, - simultane fermentatie van butanol en waterstof, - koppeling van biobutanol fermentatie aan nieuwe thermische conversie technieken, waarbij ook het lignine residu in hoogwaardige energiedragers of chemicaliën wordt omgezet - ontwikkeling van membraantechnologie voor extractie van andere alcoholen dan butanol, zoals ethanol en methanol. 5

9 Op het gebied van de butanol fermentatie is er samenwerking geweest met het Laboratorium van Microbiologie van de Wageningen Universiteit, in het kader van het B-Basic programma. Binnen de looptijd van het project zijn nieuwe contacten gelegd met een groot aantal bedrijven t.a.v. ABE fermentatie en inzet van lignocellulose stromen, o.a. DSM, diverse membraanproducenten, Paques, Cener (E), en Itochu (Japan). In het algemeen hebben Nederlandse bedrijven veel interesse in ABE fermentatie en de technologische ontwikkelingen daarin, echter er zijn, voor zover ons bekend, nog geen concrete initiatieven van de Nederlandse industrie om ABE fermentatie op industriële schaal te gaan uitvoeren. 6. Overzicht van openbare publicaties over het project (publicaties zijn verkrijgbaar bij de uitgever, of via de website Ana M. López-Contreras, Robert R. Bakker, Hetty van der Wal, Bwee Houweling-Tan and Pieternel A. M. Claassen. Poster presentatie met titel "Biobutanol from wheat straw", Clostridium 10: The 10th international workshop on the genetics and physiology of acid- and solvent-producing Clostridia, in Wageningen van 28 September tot 1 Oktober Ana M. López-Contreras, Robert R. Bakker, Claudia Daza, H. den Uil, Hetty van der Wal, Bwee Houweling-Tan and Pieternel A. M. Claassen. Poster at 15th European Biomass Conference & Exhibition, Hamburg, June 2009 and 6th motor Biofuels forum, Rotterdam, January Biobutanol: butanol production from lignocellulosic biomass Robert Bakker Book Chapter 11 Advanced Biofuels from Lignocellulosic Biomass in The Biobased Economy Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era, edited By Hans Langeveld, Marieke Meeusen and Johan Sanders, Earthscan (in press) López-Contreras, A. M., Kuit, W., Siemerink, M. A. J., Kengen, S. W. M., Springer, J., and Claassen, P. A. M. (2010), "Production of longer-chain alcohols from biomass butanol, isopropanol and 2,3- butanediol," in Bioalcohol production, ed. K. Waldron, London: Woodhead Publishing Ltd, (in press). Claudia Daza and Herman den Uil, Bio-Butanol Production from Lignocellulosic Biomass, Energy research Centre of the Netherlands (ECN),The Netherlands. Presentation at BioEnergy 2009 Sustainable Bioenergy Business Conference, August-September 2009, Jyväskilä. Robert Bakker, Lezing Pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuels TCA Technische commissie anaerobie, , Maastricht Ana M. López Contreras. Oral presentation bij de "F.O. Licht's Second generation Biofuels congres' in Munich, Februari Titel van de presentatie: Scientific Advances in Butanol Fermentation for the Production of Biofuels. Robert Bakker, Lezing Tweede generatie biobrandstoffen - de stand van de technologie Gave Netwerkdag 18 November 2008, Utrecht. n.asp Er is een website opgezet, met een publiek toegankelijk gedeelte. 6