Nedbrydning af lignocellulose

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).

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 11). Bemærk, at den nødvendige energi til kogning, tryksætning og hydraulik tilføres fra det kraftvarmeværk, ved hvilket anlægget er opstillet.

Figur 11. 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 12). 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.

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.

Figur 12. 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).