Fra halm til bioethanol

Introduktion: DONG Energy A/S og Institut for Systembiologi byder dig velkommen til dette projektarbejde om fremstilling af bioethanol fra halm.  Formålet med projektet er at vise dig, at uddannelsen som ingeniør i bioteknologi er et spændende og godt valg med et væld af muligheder. Projektet vil give dig et indblik i den nyeste forskning og udvikling i en dansk bioteknologi virksomhed, og herigennem vil du se, hvordan biologiens fantastiske verden kan udnyttes og bevares ved at vi mennesker udvikler de rette teknologier. Vi tror på, at den bedste måde hvorpå vi kan vise, hvordan det er at være bioteknologi ingeniør, er ved at lade dig selv få lov til at prøve det!

 

I en verden, hvor vi hver eneste dag benytter enorme mængder fossile brændsler til at dække verdensbefolkningens behov for varme, føde, materialer, elektricitet og transport, er det nødvendigt, at vi tænker fremad og overvejer vores adfærd. Hvor længe vil vi have kul og olie nok til at drive vores nuværende levevis? Og hvilke alternativer har vi, hvis vi ønsker at udvikle miljøvenlige teknologier og bæredygtige samfund? – Disse spørgsmål beskæftiger ingeniører verden over, og i dette projekt vil du få lov at være med!

Forskere indenfor energi, bioteknologi, kemi, mekanik og fysik undersøger i dag utallige muligheder for alternative grønne energikilder. Brintbiler, solfangere og solceller, vindmøller, bølgekraft og meget mere, listen over vore kreative forsøg på at skabe vedvarende energi er lang. På listen er, foruden de viste, også biomasse. Biomasser er plantematerialer, som er energiholdige og kan afbrændes eller omdannes til værdifulde brændstoffer, f.eks. bioethanol. I historiske tider, før kul og olie blev dominerende, samt i primitive samfund var brugen af træ og andre plantematerialer til opvarmning, madlavning og konstruktion helt central. Måske skal vi nu igen til at udnytte planterne på denne direkte vis for at sikre bæredygtighed.

Nye planter vokser vha. solens lys og CO2, så biomasse er en vedvarende og lettilgængelig energikilde, som der samtidig er ekstremt store mængder af på Jorden. Af denne grund har man de seneste årtier forsket intensivt i teknologier til at omdanne den kemiske energi, som er bundet i træ, halm, græsser, til nyttige energiformer. I de seneste år har flere forskergrupper opnået lovende resultater med omdannelse af biomasse til bioethanol, og i dette projekt vil du lære meget mere om netop det. Du vil introduceres til DONG Energys forskningsprojekt IBUS, som handler om teknologier til at lave bioethanol fra halm – såkaldt andengenerations bioethanol. Du vil skulle læse om den kemiske opbygning af halm og derigennem forstå, hvordan mikroorganismer kan omsætte sukre i halm til bioethanol, som er en miljøvenlig biobenzin, der kan drive motorer.

Teori:

Tilgå teorien ved at trykke på knapperne nedenfor.

Øvelser og relevante artikler:

  • Øvelsen

    Øvelsen – fremstilling af bioethanol

    Lav selv bioethanol af halm!

    Formålet med denne laboratorieøvelse er at fremstille bioethanol ud fra halm eller andre celluloseholdige substrater som papir. Som beskrevet i afsnittet: ”Nedbrydning af lignocellulose” her på projektet, er nedbrydningen af lignocellulose til monosaccharider en vanskelig og energisk krævende proces. Der kræves en grov forbehandling af halmen, før enzymer kan udføre det finere arbejde med at nedbryde polymerer af glukose og andre monosaccharider. Disse ting vil du her selv få lejlighed til at prøve af.

    I øvelsen får du således mulighed for selv at simulere hele processen fra halm til bioethanol. Et substrat klippes eller blendes i småstykker og koges i syre. Hernæst tilsættes de rette industrielle enzymer til suppen, og den, over tid, frigivne glukose måles. Når substratet er nedbrudt, er det tid til at fermentere glukosen til ethanol – hertil vil gæren Saccharomyces cerevisiae anvendes. Under den anaerobe vækst omdanner gæren langsomt glukose til ethanol, CO2 og energi til egen vækst. Du vil kunne følge dannelsen af bioethanol via gaschromatografi. Endelig destilleres den dannede ethanol fra, og derefter kan du finde udbyttet i forhold til det teoretisk mulige.

     

    Faglig forberedelse

    Før øvelsen udføres er det vigtigt, at du har et kendskab til kulhydraters opbygning og en forståelse for, hvordan cellulose kan nedbrydes. Du vil nemlig få mulighed for i praksis at bruge enzymer til nedbrydning af halm eller papir, ligesom du vil prøve at følge anaerob gærvækst. Endelig vil der skulle arbejdes med kemiske reaktionsligninger for at beregne udbyttet af bioethanol. Hvis man har særlig lyst til at bruge gaschromatografi, giver øvelsen ligeledes mulighed for det. Der henvises til den teori om lignocellulose, enzymer, forgæring og bioethanol som er tilgængelig på dette projekt samt på følgende andre steder på sitet.

     

    Praktiske informationer

    Såfremt det af økonomiske, tidsmæssige eller andre årsager ikke er muligt at gennemføre hele forsøget fra start til slut, kan de enkelte delmomenter snildt tilpasses til at stå alene. Alt efter mulighederne, kan man vælge til og fra blandt de beskrevne muligheder for målinger og også køre øvelsen i flere forskellige sværhedsgrader.

    Dokumenterne “Bioethanol øvelse” og dataark anvendes i øvelsen. Det vil være smartest at downloade og printe øvelsesvejledningen, mens Dataark.xls skal downloades og bruges til at lave databehandling på computeren. Et dokument med opgaver (Rapportspørgsmål), der kan bruges i diskussion og rapportering, er ligeledes inkluderet. Bemærk at enzymer og et antiskummiddel skal bestilles i forvejen, og et glukometer med tilhørende målesticks skal købes på apoteket.

    Hvis du har spørgsmål af enhver art til øvelsen, er du meget velkommen til at kontakte forfatterne. Så vil vi forsøge at hjælpe bedst muligt, hurtigst muligt.

    Rigtig god fornøjelse!

    Øvelsesvejledningen til dette projekt hentes her

    Rapportspørgsmål hentes her

    Lærervejledning hentes her

    Svar til rapportspørgsmålene kan findes på https://www.biotechacademy.dk/undervisning/laerervejledninger/. Adgang kræver et password, der tilsendes efter forespørgsel hos biotech@bio.dtu.dk .

  • Artikler

    Nedenfor ses der en oversigt over tidsskrifter, hvori der er bragt relevante artikler i forhold til projektet.

    Gener fra Islands varme kilder brygger grøn benzin

    I Islands varme kilder har forskere fra DTU isoleret interessante termofile bakterier. Disse bakterier lever ved høj temperatur og har fra naturens hånd gener for enzymet xylanase. Ved at indsplejse disse gener i kornplanter kan man få planterne til at nedbrydes ”automatisk” ved at hæve temperaturen.

    Dysten om fremtidens biobrændstof

    Læs om de forskellige danske forskningsinitiativer inden for 2. generations bioethanolproduktion på DTU, KVL, Risø og i industrien.

    Forsker-tænketank: Vi skal have biobenzin nu

    Et hjemmemarked for bioethanol er afgørende, hvis Danmark skal blive storeksportør af teknologi til at fremstille grøn benzin, konkluderer en rapport fra ATV i februar 2007.

    Positivt energi-regnskab for dansk bioetanol

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

    Gensplejsning og bioethanol bør gå hånd i hånd

    Planteforsker Birger Lindberg Møller forsker i brugen af cassavaplanten. Denne er en rodplante, som i roden oplagrer stivelse ligesom kartofler. Da stivelse er langt lettere at nedbryde end cellulose endsige lignocellulose er dette et interessant substrat for bioethanol produktion. Super landbrugsplanter på hidtil ubeplantede arealer; en fremtidsudsigt?

    Fuld tryk på bioethanol

    Senioringeniør Jan Larsen omtaler her den teknologi som Inbicon/Dong Energy har udviklet med forbehandling af halm i en trykkogning ved 15 bar. Fra demonstrationsanlægget i Skærbæk på 1 ton halm i timen skalerer Dong Energy nu processen op: I november 2009 skal et større anlæg ved Asnæsværket i Kalundborg behandle 4 ton halm i timen, og det i en kontinuerlig proces. Anlægget kan herved fremvises i forbindelse med Klimatopmødet i København 2009.

    Fremstilling af bioethanol 

    En udmærket oversigtsartikel som ridser de væsentlige ufordringer op i forbindelse med bioethanol fra halm, papir og træ.

    Eksperter i cellefabrikker

    Danske Fluxome Sciences er eksperter indenfor industriel bioteknologi og udvikler innovative og kosteffektive bioprocesser vha. metabolic engineering. Firmaet har blandt andet foretaget dybdegående analyser af ethanol dannelsen i gær – i en såkaldt genome scale model – og har derved kunnet forbedre udbyttet med 5% (hvilket er meget for denne proces).

    Fra halm og affald til morgendagens brændstof til biler

    Denne artikel er forfattet af nogle af forskerne bag udviklingen af IBUS-systemet. Den giver et godt indtryk af de tekniske undersøgelser, som er nødvendige for at optimere processen fra halm til bioethnanol. Desuden viser den nogle af de resultater, som forskerne har opnået i demonstrationsanlægget.

    Så er der bio-biler til danskerne

    I foråret 2007 sker det så: De såkaldte Flexifuel biler kommer på det danske marked. Ford lancerer en Focus model som kan køre på benzin/ethanol blandinger op til E85.

    Fra halm til alkohol

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

Kildehenvisning:
Dette projekt blev udgivet i september 2010. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

null

Jan Larsen er senioringeniør i DONG Energy og har været sparringspartner på denne artikel.

Jan Larsen

null

Niels Henriksen er direktør for DONG Energys bioethanoldatterselskab Inbicon.

Niels Henriksen

Maj Østergaard Petersen er forsker hos DONG Energy og har været sparringspartner på denne artikel.

Maj Østergaard Petersen

Frank Krogh Iversen er projektingeniør i DONG Energy og har været sparringspartner på denne artikel.

Frank Krogh Iversen

null

Institut for Systembiologi har Danmarks største biovidenskabelige og bioteknologiske forskning på universitetsniveau.
Instituttet har været partner og sponsor på projektet.

Institut for Systembiologi