Med den ovenfor beskrevne struktur af lignocellulose træder selve essensen af andengenerations bioethanolanlæg frem: Nedbrydningen af lignocellulose til fermenterbare sukre. Dette trin udgør det mest komplicerede af alle i processen og har derfor været målet for intensiv forskning. Hvordan kan man på den energimæssigt billigste måde opbryde den stærke kemiske struktur i lignocellulosen og derved få frigivet de værdifulde monosakkarider (hexoser og pentoser) i cellulosen og hemicellulosen? Dette spørgsmål er helt centralt at besvare, før andengenerations bioethanolanlæg kan realiseres i praksis.

Et stort antal metoder er beskrevet af forskningsgrupper over hele verden; således er brugen af mekanisk opskæring, syrer, baser, oxygen, højt tryk og høj temperatur forsøgt. I alle tilfælde er der tale om input af energi til at bryde kovalente kemiske bindinger, og dette tab af energi skal absolut minimeres for at skabe et positivt energiregnskab for processen som helhed (E_{kemisk,produkt} – E_tab,proces > 0). Læs mere. 

I IBUS bidrager fire faktorer til at opnå en tilfredsstillende forbehandling af halm. Først skæres halmen til stykker med en længde på 1-5 cm og lægges så i blød i vand. Dernæst indføres denne suppe i en skråstillet koger med en roterende snegl, hvorved halmen presses opad og møder vand i modstrøm. Herved koges halmen under højt tryk (190-200 °C, 13-18 bar) i en opholdelsestid på 10-15 minutter (jf. Figur 9). Bemærk, at den nødvendige energi til kogning, tryksætning og hydraulik tilføres fra det kraftvarmeværk, ved hvilket anlægget er opstillet (jf. Figur 6). 
 

Figur 9: Billede af den skrå koger i testopstilling. Via særlige pumper entrer den skårne iblødsatte halm kogeren til venstre og drives opad af en indre mekanisk snegl. I kogeren er der højt tryk og temperatur og den er isoleret for at mindske varmetab (DONG Energy 2006).

Ved processen opnås en åbning af den tætte lignocellulose-matrix, idet behandlingen slider materialet itu og tilfører tilstrækkelig energi til at bryde kemiske bindinger. Resultatet er fibre med forøget porøsitet og dermed større overfladeareal (jf. Figur 10). Den indeholdte lignin i halmen er stort set intakt, hvorimod hemicellulose og cellulose er væsentligt nedbrudt. Den lille mængde væske, som løber ud fra bunden af kogeren, indeholder opløste pentoser fra hemicellulosen. Ved at inddampe denne rest fås melasse, som kan anvendes i husdyrfoder (jf. Figur 6).

Figur 10: Skåret og forbehandlet halm. Det kan anes at strukturen af de forbehandlede fibrene er mere fin og åben. Overfaldearealet og porøsiteten er øget. Den brune farve fremkommer som følge af kogningen (Ph.D. Henning Jørgensen, 2006).

De forbehandlede fibre er porøse, sådan at der er fysisk adgang for vand og enzymer til de indeholdte poly- og oligosakkarider. Efter kogeren overføres suppen af fibre derfor til en såkaldt forflydningstank, og der tilsættes enzymer. Forflydning af suppen betyder, at fiberklumperne langsomt nedbrydes, sådan at suppen bliver mere homogen og flydende uden klumper. Hvis du behøver en gennemgang af protein/enzym-struktur og -funktion kan du finde en her. De anvendte enzymer er vidt forskellige mht. deres virkemåder og substrater, men virker overordnet ved, på synergisk koordineret vis, at nedbryde cellulose og hemicellulose til monosakkarider – primært glukose og xylose. At enzymerne virker synergisk koordineret, betyder, at de så at sige samarbejder om nedbrydningen. Se en animation af nedbrydningen af cellulose på Figur 11 nedenfor.

Enzymerne er resultatet af intensiv forskning, idet de to danske biotek-virksomheder Novozymes og Danisco til stadighed forsøger at forbedre enzymerne mht. aktivitet, effektivitet og holdbarhed. Produktionen af enzymerne sker på industriel skala i genetisk manipulerede mikroorganismer, f.eks. svampen Trichoderma (Rosgaard et al. 2005). Forflydningen med enzymer kan ses som et finere forbehandlingstrin, hvor de, i halmen, indeholdte sukre endelig kan frigives i vandig opløsning.

Figur 11: De tre enzym-typer som virker til nedbrydning af cellulose. Endoglukanaser EG, exoglukanaser (cellobiohydrolaser CBH) og β-glukosidaser βG. Der er flere typer (I/II) af EG og CBH. De fleste EG (EG I) virker bedst i amorfe regioner af cellulosen. CBH virker enten i den reducerende ende R (CBH I) eller i den ikke-reducerende ende IR (CBH II), jf. Figur 7. Modificeret fra (Rosgaard et al. 2005).

Enzymatisk hydrolyse af cellulose kræver tre typer cellulaser: Endoglukanaser EG, exoglukanaser (cellobiohydrolaser CBH) og β-glukosidaser βG. Figuren ovenfor viser en skematisk animation af enzymernes virkning på cellulosen. Endoglukanaser hydrolyserer β-1,4’-glycosidbindinger mellem D-glukosemonomerer fortrinsvis i amorfe områder, hvilket skaber nye ender på cellulose-fibrillen. Cellobiohydrolaser angriber de tilgængelige ender og spalter cellobiose-enheder af. Disse hydrolyseres af β-glukosidaser til to glukose molekyler.

Hemicellulose nedbrydes ligeledes ved en koordineret procedure af flere hemicellulaser, især xylanaser (xylan er det mest udbredte kulhydrat i hemicellulose). På grund af lignins komplekse og udefinerede struktur (jf. afsnittet Lignocellulose) er hydrolyseringen vanskelig at beskrive. Dog kendes mindst to grupper af nedbrydende enzymer: Peroxidaser og laccaser. Lignins nedbrydning er langsom og medfører mange forskellige nedbrydningsprodukter (Colberg 1988).

LÆS MERE 

Fra halm til alkohol
Forskere ved DTU og Novozymes arbejder målrettet på at udvikle bedre enzymer til nedbrydning af lignocellulose. En rigtig god artikel. 

Om proteiners struktur og funktion

I et andet Biotech Academy projekt om bioinformatik og antimikrobielle peptider er proteiners struktur og funktion gennemgået med flot grafisk materiale.

Positivt energiregnskab for dansk bioetanol

I 2006 opstillede folkene bag IBUS-projektet et samlet energiregnskab for hele processen – og der er grønne tal på bundlinjen.