SRP: Fremstilling af 2. generations bioethanol

Fremstilling af 2. generations bioethanol

Abstract

This project concerns bioethanol as a viable source of energy, and its ability to replace fossil fuels as benzene. The project investigates the construction and function of enzymes and their part in producing 2. generation bioethanol. Furthermore an understanding of the reaction speed is going to contribute to the overall comprehension of the enzymes purpose in 2. generation bioethanol production, and whether it is a necessary link. Through looking at environmental and human right problems as the access to clean drinking water, the study looks at 2. generation bioethanol production and whether or not this source of energy is viable, and what has to be done in order to avoid complications such as using clean African drinking water for fuel purposes.

Indledning

I det samfund vi lever i, er der skabt et behov for et enormt energiforbrug, og det er ikke ligegyldigt, hvor den energi kommer fra. Alt efter hvad energien skal bruges til, er det heller ikke ligegyldigt i hvilken form den oplagres, og hvordan den udnyttes. I transportsektoren er det især vigtigt at kunne transportere energikilden med sig, såfremt transportmidlet ikke har direkte forsyning af energi andetsteds fra end transportmidlets eget energilager i modsætning til især sporvogne og toge, der kører med konstant forsyning af elektricitet fra et elnet. Energikilden i transportsektoren er oftest bestående af fossile brændstoffer, som pumpes op af undergrunden. Disse er særdeles energirige og fungerer glimrende som energikilder. Men alle ting har deres fordele og ulemper, og en af ulemperne ved fossile brændstoffer er bl.a. deres bæredygtighed eller mangel på samme.

Ikke blot er fossile brændstoffer i undergrunden en meget begrænset kilde, det er også en meget forurenende kilde, da afbrænding af disse resulterer i et stort CO₂ udslip. Hvilket i sidste ende kan påvirke ozonlaget og en stor del af klodens levende organismers levevilkår, i og med gennemsnitstemperaturen stiger støt¹. Med den, snart højere og højere, gennemsnitstemperatur er det ikke til at forudsige, hvad der skal blive af verdenen, som vi kender den. Men en ting er sikker, verden kommer til at forandre sig for både dyr og mennesker.

Derfor er det vigtigt at finde alternativer til fossile brændstoffer. Brændstoffer med en bæredygtig fremtid, som skal kunne erstatte de fossile, som fx benzin. Et af alternativerne er bioethanol, som fremstilles ved fermentering af afgrøder, der tidligere i deres livscyklus optog CO₂ fra atmosfæren. Der kan næsten altid dyrkes afgrøder, så længe der tilføres lys, vand og gødning i rette mængder, og afbrændingen af disse afgrøder udleder ikke nyt CO₂ til atmosfæren i den forstand, at den i forvejen kom fra atmosfæren indenfor afgrødens levetid. Kan bioethanol ud fra disse præmisser siges at være en bæredygtig løsning? Det skulle man umiddelbart tro, og det vil der i denne opgave blive vurderet på med inddragelse af forskellige perspektiver ved dyrkning, nedbrydning, fermentering og destillation.

I opgaven vil der kort blive redegjort for begreberne 1. og 2. generations bioethanol, samt forklaret opbygningen og funktionen af enzymer, hvorefter der lægges fokus på de hastighedsrelaterede elementer i fremstillingen af bioethanol. Ved fremstillingen af 2. generations bioethanol vil enzymernes rolle ydermere blive diskuteret med inddragelse af resultaterne fra egne forsøg, og der gives til slut en vurdering af perspektiverne om, hvorledes bioethanol kan erstatte benzin, som en bæredygtig løsning med inddragelse af artiklen ’En tankfuld benzin koster Afrika 5.000 liter vand’.

1. og 2. generations bioethanol

1. generations bioethanol

generations bioethanol dækker over produktionen af bioethanol ud fra afgrøder med relativ let tilgængelige sukkermolekyler, afgrøder som har status af potentiel menneskeføde, hvorimod 2. generations bioethanol tager udgangspunkt i plantemateriale, der ikke naturligt kan nedbrydes i menneskers fordøjelsessystem, og dermed undgås de etiske problemstillinger ved fremstilling af brændsel fra menneskeføde, når der stadig findes folk i verden, som sulter.

Fremstillingen af bioethanol starter med en afgrøde, som i 1. generation kunne være korn. Efter kornet er blevet høstet findeles og hakkes det, hvorefter der tilsættes vand, og massen opvarmes. Det gør, at stivelsen i kornet bliver lettere tilgængelig for enzymerne, der spalter stivelsen. Herefter tilsættes enzymerne til kornmassen, og den omrøres under opvarmning for mere effektiv nedbrydning af kornmassen.

Efter stivelsen er blevet spaltet til frie sukkermolekyler, glukose, fermenteres disse af gærceller, som tilsættes i denne proces. Gærcellerne omdanner glukose under en gæring, hvormed der frigives energi, uorganisk materiale som kuldioxid og organisk materiale, ethanol, hvor ethanolen er det ønskede produkt. Under gæringen sker kun en delvis forbrænding af glukose, hvilket betyder, al energien ikke er blevet udnyttet, og at der produceres et organisk restprodukt, som stadig er energirigt. Fermenteringen foregår efter nedenstående reaktionsskema:

Fermenteringen kan fortsættes til ethanolindholdet når op omkring 14 %, herefter vil fermenteringen stoppes, da ethanol i så høje koncentrationer virker giftigt. Efter fermenteringen opvarmes massen til 78,3 °C i destillationsprocessen, hvor ethanolen skilles fra resten ved fordampning. Ethanolen nedkøles igen efter at være blevet ført væk fra bærmen og kondenseres, så mest muligt vand fjernes. Ethanolen opbevares herefter, og der kan tilsættes denaturant, hvilket gør, at ethanolen bliver ukvalificeret for indtagelse.²

Ethanol er ikke det eneste energirige produkt. Bærmen, som er destillationsresten, kan bruges som kreaturfoder, efter den er blevet tørret og presset.³ Kuldioxiden fra destillationen kan også oprenses og bruges i andre industrier, så udledningen af kuldioxid i atmosfæren bliver mindst mulig.

2. generations bioethanol

Fremstillingen af 2. generations bioethanol adskiller sig ikke synderligt fra fremstilling af 1. generation, hovedprincipperne er de samme, men fordi plantematerialet her er mere komplekst, kræver det mere energi og flere forskellige enzymer at spalte. Et af de steder, hvor der er brug for mere energi, er ved findelings- og opvarmningsprocesserne, da plantematerialet, fx halm, er mere hårdfør end afgrøderne i 1. generation. Den mekaniske spaltning kan også foregå under tryk for nemmere at ødelægge halmens struktur og dermed frilægge områder, hvor enzymerne kan arbejde videre med spaltningen til mindre molekyler. På grund af halmens komplicerede struktur er det nødvendigt at tilsætte mange forskellige enzymer, så de lange kæder af polysaccharider kan blive udnyttet ved at blive spaltet til monosaccharider og fermenteret af gærcellerne.

Monosaccharidet glukose er ikke det eneste resultat af spaltningen, der fremkommer også andre monosaccharider med forskellig struktur fra glukose, derfor er det også nødvendigt at tilsætte flere forskellige slags gærceller for at kunne udnytte halmen bedst muligt, da almindelige gærceller ikke ville kunne fermentere monosaccharider af andre typer.⁴

Ligesom ved fremstillingen af 1. generation bioethanol bliver 2. generationen destilleret under samme vilkår. Affaldsprodukter fra hele fremstillingen kan genbruges til opretholdelse af systemet, fx kan tørret planteaffald bruges til fyring, og vand kan filtreres og genbruges.⁵

Enzymers opbygning og funktion

Enzymer består næsten udelukkende af proteiner, som består af lange kæder af aminosyrer, hvor de enkelte aminosyrer er bundet sammen af peptidbindinger. Ud over proteiner kan nogle enzymer også indeholde cofaktorer, cofaktoren kan være en metalion, et organisk molekyle, mineraler og/eller vitaminer, som hjælper enzymet med at katalyserer kemiske reaktioner. Reaktioner som ellers ikke ville have forløbet med samme hastighed uden enzymernes tilstedeværelse. Enzymer er altså katalyserende biomolekyler med en indviklet opbygning, som vil blive beskrevet herunder.

Opbygningen

Proteiners struktur kan opdeles i flere niveauer primær-, sekundær, tertiær- og kvaternærstruktur. Nedenfor vil de forskellige strukturer blive gennemgået samt betydningsbærende biologiske processer og kemiske bindinger.

Primærstruktur, aminosyrer og proteinsyntese

Primærstrukturen kaldes den orden, som aminosyrerne sidder i peptidkæden. Som nævnt ovenfor bindes aminosyrerne sammen af peptidbindinger. En peptidbinding opstår mellem to aminosyrer, når der fraspaltes en hydroxygruppe, OH, fra carboxylsyregruppen, -COOH, fra den ene aminosyre og et hydrogenatom fra aminogruppen, -NH₂, fra den anden aminosyre.⁶ Produkterne er et dipeptid og vand. Når aminosyrer bindes sammen i kortere kæder, kaldes de oligopeptider, mens det ved længere kæder kaldes et polypeptid.⁷ En aminosyre er opbygget af et carbonatom med fire kovalente bindinger, de optages af følgende, en aminogruppe, et hydrogenatom, en carboxylsyregruppe og et radikal. Det er radikalet, der definerer den enkelte aminosyre, og eftersom der findes rigtig mange radikaler, er det ikke svært at forestille sig, at der også må findes rigtig mange aminosyrer. Dog findes der kun 20 forskellige aminosyrer i levende organismer.

Forskellige aminosyrer har forskellige egenskaber alt efter deres radikaler, nogle er hydrofobe grundet en stor upolær radikal, men aminosyren i sig selv er hydrofil. I et neutralt miljø optræder aminosyren som en dipol⁸ amfolyt⁹, hvilket betyder, at den let binder sig til andre polære molekyler som fx vand, og at aminosyren kan agere som en syre og en base, da den både kan optage en hydron eller afgive en hydron. Man kan også kalde aminosyrer for zwitterioner, hvilket dækker over ovenstående forklaringer.¹⁰

Ved proteinets dannelse i ribosomerne fastlægges primærstrukturen, når mRNA’et translateres i proteinsyntesen. Et kodon, bestående af tRNA med en aminosyre vedhæftet i enden, baseparrer med 3 nukleotider på mRNA-strengen ad gangen, en triplet, hvorefter aminosyren danner en peptidbinding med den tidligere tilkomne aminosyre i ribosomet. Herved fastlægges rækkefølgen af aminosyrer i peptidkæden og dermed proteinets primærstruktur.¹¹

Sekundærstruktur

Radikalernes orientering og hydrogenbindinger mellem forskellige aminosyrer er det, der hjælper med at folde peptidkæderne og dermed sikrer proteinets sekundærstruktur. Fx i α-helix, som er et eksempel på en sekundærstruktur, er der hydrogenbindinger mellem den ene aminosyres carboxylsyregruppe og den anden aminosyres aminogruppe fire led længere oppe i kæden. På den både foldes peptidkæden op i en lang spiral med radikaler og hydrogenatomer orienteret væk fra spiralens midte holdt sammen af hydrogenbindinger mellem led i samme kæde.

Et andet eksempel på en sekundærstruktur er et β-foldeblad. β-foldebladet er bygget op af udstrakte peptidkæder, som ligger ved siden af hinanden og danner hydrogenbindinger mellem kæderne. Hydrogenbindinger sker igen mellem hhv. en carboxylsyregruppe fra en kæde og en aminogruppe fra en anden kæde, således dannes der lange brede bånd af polypeptidkæder. I β-foldebladet er radikaler skiftevis orienteret opad og nedad.¹²

Tertiærstruktur og intermolekylære bindinger

Når de sekundære strukturer er opbygget, bindes de sammen og struktureres af interaktioner mellem aminosyrernes radikaler. Radikalernes egenskaber er således afgørende for, hvilke bindinger der etableres mellem radikalerne på tværs og i mellem peptidkæderne. De fleste interaktioner består af intermolekylære bindinger, altså bindinger mellem forskellige molekyler, her radikaler.

En af de intermolekylære bindinger, der kan findes sted, er hydrogenbindinger, som også nævntes i sekundærstrukturen. Hydrogenbindinger kan opstå, når et meget elektronegativt atom, som har uparrede elektronpar, tiltrækker en forbindelse mellem hydrogen og et andet elektronegativt atom. Pga. polariteten i de to molekyler tiltrækkes de af hinanden, og en hydrogenbinding opstår. Hydrogenbindinger er relativt stærke intermolekylære bindinger.¹³ Eksempelvis kan hydrogenatomet i hydroxygruppen i radikalet hos aminosyren serin lave en hydrogenbinding med oxygenatomet i radikalet hos glutamin, da dette har et ledigt elektronpar.

En anden intermolekylær binding er en ionbinding. Ionbindingerne kan opstå mellem modsat ladede radikaler som er enten syrer eller baser. Ionbindingen kaldes også en saltbro, og den kan fx opstå mellem det negativt ladet glutamat og det positivt ladet lysin. ¹⁴

Dipol-dipolbindinger finder sted mellem polære molekyler, hvor polerne i molekylet tiltrækkes af de modsatte poler i et andet polært molekyle. Bindingerne mellem dem kaldes dipol-dipolbindinger.¹⁵

Polære og ladede radikaler er dog ikke de eneste, der interagerer med hinanden i den tertiære struktur. Ikke-polære hydrofobe radikaler vil ofte søge ind mod proteinets midte¹⁶ for at gå sammen med andre hydrofobe radikaler, således at der dannes en hydrofob lomme næsten uden tilstedeværelsen af vand. Den hydrofobe lomme afskærmer for vandet, så radikalernes kontaktflade med vandet bliver mindst mulig. Lommen af hydrofober forstærkes af London-bindinger mellem radikalerne, som er endnu en intermolekylær binding.¹⁷ London-bindingerne opstår, når elektronfordelingen i det enkelte molekyle forskydes. Dermed opstår en kortvarig polaritet, som påvirker de omkringliggende molekylers elektronfordeling. På den måde skabes der hele tiden kortvarige polariteter og modsatrettede poler i forskellige molekyler tiltrækker hinanden. Jo flere elektroner molekylet består af, jo større bliver forskellen i elektronfordelingen, når den forskydes, og dermed bliver polariteten også større, hvilket styrker London-bindingerne.¹⁸

Den sidste vigtige interaktion i tertiærstrukturen er dannelsen af svovlbroer. Svovlbroer eller disulfidbindinger er kovalente bindinger mellem to svovlatomer. Svovlatomerne kommer fra thiogruppen i aminosyren cystein, og disse kan let erstatte deres binding til hydrogen med en binding til et andet svovlatom. Kovalente bindinger er stærkere end intermolekylære, grundet deres elektronpardeling, og derfor er svovlbroerne meget vigtige i proteinets tertiærstruktur.¹⁹

Svovlbroerne udgør altså sammen med de intermolekylære bindinger grundlaget for proteinets overordnede form efter den sekundære struktur er blevet foldet.

Kvaternærstruktur

Efter den overordnede struktur er sat på plads i tertiærstrukturen, er det potentielt et færdigt protein. Mange proteiner er dog et resultat af flere proteiner, der er gået sammen og dannet ét. Den måde hvorpå proteinerne går sammen og danner nye proteiner kaldes kvaternærstrukturen. Kvaternærstrukturen opbygges ved hjælp af de samme bindinger som i tertiærstrukturen. Fx kan proteinets underenheder bindes sammen af svovlbroer og tiltrækningen mellem hydrofobe grupper i proteinerne. Endvidere kan proteiner optage en prostetisk gruppe, som er et organisk molekyle, der hjælper proteinet med at binde andre molekyler eller ioner. Hæm-gruppen i hæmoglobinproteinet er en prostetisk gruppe, som danner en kompleksbinding²⁰ med jern(II)ionen, der hjælper proteinet med at binde iltmolekyler, hvilket sikrer ilttransporten i blodbanen.²¹

Funktion

Enzymers funktion er at katalysere kemiske reaktioner. Normalt vis katalyserer enzymer metaboliske processer i levende organismer, men det interessante i fremstillingen af 2. generations bioethanol er at bruge enzymerne til formål uden for værtsorganismen, nemlig til spaltning af cellulose og hemicellulose, så produkterne kan fermenteres og destilleres til bioethanol.

Enzymernes struktur gør det muligt for det specifikke substrat at binde sig til enzymet og danne et enzym-substrat-kompleks. Substratet bindes til enzymets reaktive center, som typisk er en hydrofob hulning i enzymet konstrueret under foldningen af proteinets primære struktur, som er beskrevet ovenfor.²² Bindingen af substrat i det reaktive center sker ved intermolekylære bindinger mellem substratet og aminosyrerne i centret. Fordi enzymet og dets reaktive center har en unik tredimensionel struktur, er enzymet meget særegent for den specifikke type substrat, som har evnen og formen til at binde sig til enzymet. Efter dannelsen af enzym-substrat-komplekset kan enzymet ændre struktur efter substratet, hvilket kaldes induced fit.

Induced fit optræder ofte ved kataboliske processer, hvor molekyler spaltes. Således udnyttes enzymets bevægelse til at belaste de bindinger i substratet, der skal brydes, indtil de til sidst vrides fra hinanden, og der opstår to produkter. ²³

Enzymer kan inddeles en seks overordnede kategorier, alt efter hvilke reaktioner de katalyserer, og navngivningen bygger på enzymets substrat. De seks kategorier kan nævnes som, oxidoreductaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser og ligaser. Fælles for navngivningen inden for kategorierne er, at enzymets navn ofte ender på –ase.²⁴

En bestemt type hydrolaser kaldet cellulaser er speciel interessante at se på, da disse, som det fremgår af navnet, spalter cellulose ved en hydrolyse. Polysacchariderne cellulose og hemicellulose er netop de substrater, som skal nedbrydes i halmen for at få fermenterbare monosaccharider i fremstillingen af 2. generations bioethanol. Nedenfor vil funktionen af tre typer af cellulaser blive gennemgået med henblik på hydrolyse af cellulose.²⁵

Cellulosehydrolyserende cellulaser

De tre typer cellulaser kaldes endoglukanaser, exoglukanaser eller cellobiohydrolaser og β-glukosidaser. Endoglukanaserne hydrolyserer β-1,4-glucosidbindinger mellem to glukosemolekyler i tilfældige områder på et langt polysaccharid, således at polysaccharidet åbnes, og der dannes nye ender.²⁶ Enzymet spalter altså den kovalente brintbinding, der går fra det ene glukosemolekyles carbonatom nummer 1, til det andet glukosemolekyles carbonatom nummer 4, således at oxygenatomet bliver siddende på den ene monomer, mens bindingen fra oxygenatomet til den anden monomer brydes. Hydrolysen af brintbindingen resulterer i, at vand bliver spaltet sideløbende, og hydroxygruppe fra vand bindes til carbon i monomeren, hvor brintbindingen blev brudt, mens hydrogen fra vand bindes til oxygen på den anden monomer, og dermed opstår en hydroxygruppe på hver af monomererne, hvor β-1,4-glucosidbindingen sad før.²⁷

Exoglukanaser frigør disaccharidet cellobiose fra celluloseenderne, deraf navnet cellobiohydrolase. To typer af exoglukanaser spalter i hver deres ende af cellulosefibrillen, type I spalter i fibrillens reducerede ende, mens type II spalter i den ikke-reducerede ende. β-glukosidaserne spalter cellobiose til to fermenterbare glukosemolekyler.²⁸

De tre cellulaser spalter altså cellulose til glukose i tre trin. Først åbnes cellulosen af endoglukanaserne, så spalter exoglykanaserne åbningerne og producerer cellobiose, og til sidst hydrolyseres cellobiose til glukose af β-glukosidaserne. Hermed er døren blevet åbnet, for at gærceller kan begynde at fermentere monosacchariderne frigjort fra cellulose. Påvirkende faktorer på reaktionshastigheden under bioethanol-fremstilling

Under fremstillingen af bioethanol kræver hver proces forskellige miljøer, hvor tryk, temperatur og pH har stor indflydelse på reaktionshastigheden under de forskellige processer. I Dong Energys IBUS anlæg i forbehandlingen af halm koges den ved ca. 200 °C under ca. 15 bars tryk, for at belaste og bryde de kovalente bindinger i lignocellulose, så det åbner sig og blotter cellulose- og hemicellulosefibrillerne, der senere kan spaltes yderligere enzymatisk.²⁹

For at stoffer skal kunne reagere i kemiske reaktioner, er det vigtigt at forstå, at det kræver en hvis energi, før reaktionen aktiveres, hvilket kaldes aktiveringsenergien. Ved forøgelse af temperaturen forsøges også den kinetiske energi for molekylerne, den hastighed hvormed de bevæger sig, og reaktionshastigheden stiger, eftersom chancerne for at danne det aktiveret kompleks stiger.³⁰

Når reaktanter befinder sig i hver deres fase, kalder man reaktionen mellem dem for en heterogen reaktion. Således kan man kalde reaktionen mellem lignocellulose og vand for en heterogen reaktion, da det komplekse lignocellulose er en fast struktur, mens mediet og den anden reaktant i reaktionen er vand på flydende form. I den heterogene reaktion er det kun overfladen af den faste reaktant, der reagerer med den anden reaktant i mediet. Derfor kan man øge reaktionshastigheden ved at øge overfladearealet på den faste reaktant. Det gøres i forarbejdningsprocessen, i og med biomassen bliver hakket, blendet, stødt og/eller kogt, evt. under tryk, øges overfladearealet, da dele af strukturen brydes og åbner sig. Jo større overfladeareal den faste reaktant har, jo hurtigere kan reaktionen også forløbe, indtil der til sidst er tale om en homogen reaktion, såfremt det faste stof skilles så meget ad, at det opløses i mediet og kommer på samme form som den anden reaktant.³¹

Enzymoptimum

Der er dog en undtagelse, det er nemlig ikke altid, at reaktionshastigheden stiger i takt med temperaturen. I de enzymkatalyserede processer er det vigtigt, at temperaturen ikke bliver for høj, da den høje temperatur kan være med til at hæmme enzymernes aktivitet ved at denaturere dem. Denatureringen opstår, når der sker brydninger i enzymets struktur, således at dets aktivitet forringes. Strukturbrydningerne er med til at ændre enzymets unikke form, så bindingensstederne i det reaktive center ikke længere er tilgængelige for substratet.³² Denatureringen kan i mild form være reversibel, mens hvis der sker en større ændring af de ydre faktorer bliver denatureringen irreversibel. Det skyldes, at der under strukturændringen opstår nye intermolekylære bindinger i proteinerne, og dermed er det ikke muligt at gå tilbage til enzymets oprindelige struktur efter en irreversibel denaturering.

Både temperatur, tryk og pH er nogle af de faktorer, som kan få enzymer til at denaturere, derfor er det helt essentielt, at man kender enzymernes optimum for temperatur og pH, når man skal udnytte deres katalyserende effekt for at opnå den hurtigst mulige reaktionshastighed.

Koncentration

Det er ikke kun de ydre faktorer, som har indflydelse på reaktionshastigheden. Koncentrationen af både substrat, katalysator og produkt kan også have indvirkning på reaktionshastigheden.

Substratkoncentrationen kan øges for at få en hurtigere reaktionshastighed indtil en hvis grænse. Ved en stigende substratkoncentration vil flere og flere af de katalyserende enzymer være aktive uden afbrydelse. Den øgede mængde substrat vil nemlig binde sig hurtigere til enzymerne, end enzymerne kan nå at omdanne det til produkt. Substratkoncentrationen vil derfor bevirke at reaktionshastigheden stiger proportionalt med den indtil det punkt, hvor flere og flere enzymer er optagede, og der derfor vil ske en ophobning af substrat, da enzymerne har nået der maksimale omsætningshastighed.

Enzymkoncentrationens indvirkning på reaktionshastigheden har i modsætning til substratkoncentrationen ingen øvre hastighedsgrænse. Så længe der tilføres nok substrat kan reaktionshastigheden blive ved med at stige i takt med forøgelse af enzymkoncentrationen. En sådan stigning kaldes ligefrem proportional, da hastigheden stiger en bestemt mængde pr. forøgelse af enzymkoncentrationen, hvilket teoretisk set kan fortsætte i en uendelighed. Den eksakte hastighedsforøgelse pr. tilsatte enzym, kan beskrives ved enzymets turnover, hvilket dækker over den mængde af substrat et enzym kan omdanne pr. sekund.³³

Produktkoncentration kan også have en betydning på reaktionshastigheden, men det er oftest en negativ effekt, hvis produkterne har toksiske egenskaber. Ethanol er for eksempel giftigt i høje koncentrationer, derfor stopper fermenteringen ved en koncentration på omkring 15-16 procent ethanol, da den høje ethanolprocent dræber gærcellerne.

Enzymers rolle i fremstilling af 2. generations bioethanol

Som det er beskrevet i afsnittet ’2. generations bioethanol’, har udnyttelsen af enzymernes kataboliske aktivitet betydning for at få mest muligt ud af det energirige plantemateriale. Men enzymernes opgave kunne teoretisk set godt erstattes af en trykkoger samt mekanisk hakning, da reaktionen der forløber er den samme, nemlig hydrolyse af cellulose og hemicellulose. Men da denne proces kræver, at der bliver tilført en masse energi, kan det ikke betale sig, da energiforbruget for fremstillingen af bioethanol vil overstige energiudbyttet, hvilket bestemt ikke er en bæredygtig løsning. Derfor søger man efter at finde løsninger på, hvordan man nedbringer energiforbruget, så man med fordel kan fremstille bioethanol som alternativ til fossile brændstoffer.

Her kommer enzymernes rolle ind, de kan nemlig, ved forholdsvis lave temperatur, spalte cellulose og hemicellulose, og på den måde kan man spare energi på forbehandlingen af plantematerialet, da formålet med forbehandlingen reduceres til kun at skulle spalte lignocellulosestrukturen.

Egne forsøg

Ved egne forsøg blev betydningen af enzymtilsætningen og betydningen af forbehandlingsprocessen med trykkogning undersøgt. Der blev opstillet tre prøver, en autoklaveret(trykkogt) prøve med normal³⁴ tilsætning af enzymer, en kontrol prøve der ikke blev autoklaveret med normal tilsætning af enzymer og en prøve med dobbelt tilsætning af enzymer, som ikke blev autoklaveret. De eksakte målinger, beregninger og en oversigt over bioethanol-fremstillingen kan ses i henholdsvis Bilag 1:, Bilag 2: og Bilag 3: for de tre forskellige prøver.

Som grafen i bilag 3 viser, er bioethanolproduktionen klar størst efter 28 dage, når der trykkoges i forbehandlingsprocessen. Den autoklaverede prøve havde et ethanolindhold på ca. dobbelt så mange gram i forhold til kontrolprøven og prøven med dobbelt enzymtilsætning. Trykkogning af biomassen må altså siges at have en signifikant betydning, for den senere produktion af bioethanol ud fra den trykkogte biomasse. Tilsvarende er det dog en meget energikrævende proces, som helt blev undgået i de to andre prøver, derfor er det ikke sikkert, at denne metode gavner det overordnede energiregnskab.

Set i forhold til kontrolprøven, har prøven med den dobbelte enzymtilsætning efter 28 dage produceret 11,83 mg mindre ethanol, mens hvis man ser på produktionen efter 7 dage, er der produceret 104,675 mg ethanol mere end kontrolprøven og præcis den samme mængde, hvis man sammenligner med den autoklaverede efter 7 dage. Det kunne tyde på, at enzymernes hydrolytiske effekt inden for de første 7 dage, var lige så stor som den hydrolytiske effekt af autoklaveringen, da gærcellernes aktivitet da ville være begrænset af lige store mangler på substrat i den autoklaverede prøve som i prøven med dobbelt enzymtilsætning. Men måske er det mere sandsynligt, at gærcellernes aktivitet slet ikke er substratbegrænset de første 7 dage, og derfor ses en ligelig produktion af ethanol, da der blev tilsat gær af lige store mængder i alle prøverne. Gærcellerne er også af samme type, og derfor burde forskellige omsætningshastigheder heller ikke være tilfældet.

Det forklarer midlertidig ikke de 104,675 mg ethanol forskel fra dobbelt enzym- og autoklaveprøven til kontrolprøven efter 7 dage. Her må der være tale om monosaccharidernes tilgængelighed for gæren, eftersom kontrolprøven, i modsætning til de to andre, ikke blev yderligere forbehandlet, som tilfældet med autoklavering og med dobbelt enzymtilsætning.

At dobbelt enzym-prøven efter 28 dage har produceret mindre ethanol end den normale prøve er ikke i overensstemmelser med, hvad man ville forvente, da den øgede enzymmængde burde spalte mere cellulose end ved den normale enzymmængde, og dermed skabe grundlag for flere fermenterbare monosaccharider og større produktion af ethanol. Denne afvigelse kunne skyldes det faktum, at der under filtreringsprocessen af dobbelt enzym-prøven kom unødigt væske med i prøven, da filteret blev tilstoppet og filtreringen afbrudt. Udregningen af voluminet af denne prøve bygger altså på en antagelse af den ekstra mængde væske, der blev tilført under filtreringen, og derfor formodes der at være en hvis usikkerhed omkring prøvens resultater.

Fejlkilder

Udregningerne i Resultatbehandling, bilag 2, er endvidere baseret på forskellige målte data fra måling til måling, hvorefter omberegninger er foretaget. Denne metode er langt fra optimal, da der må antages at være sammenhæng mellem de målte data³⁵, hvilket giver en blanding af faktiske og teoretiske data. I teorien burde det ikke være noget problem, men praktisk betyder det, at sammenligningen af faktisk og teoretisk bliver urealistisk. Alligevel anslås der, at det er en nødvendighed, for ikke kun at kunne udlede enkeltstående data fra forsøget.

Flere målinger gennem forsøget generelt ville give et mere nuanceret billede af enzymaktiviteten samt bioethanolproduktionen, hvor enzymernes rolle ville kunne observeres yderligere.

Betydning

Uden enzymernes tilsætning i den nuværende produktionsmetode af bioethanol ville det ikke være rentabelt at satse på 2. generations bioethanol, da det er disse små biokatalysatorer, som får det hele til at hænge sammen på en snart mere og mere bæredygtig metode end hidtil set.

Bioethanol som bæredygtig erstatning for benzin

Der er efterhånden en udbredt forståelse, at det er nødvendigt at nedbringe forbruget af benzin og fossile brændstoffer generelt, og her er en løsning, der kan få det til at ske, nemlig bioethanol. Eller kan bioethanol overhovedet siges at være den rette løsning?

Nye løsningsmodeller – større energiudbytte

24 forskere fra et tværfagligt forskningsprojekt, Ceesa, mener ikke at bioethanol er vejen frem mod en bæredygtig erstatning af fossile brændstoffer i Danmark. Med nøgleord som fleksibilitet og energieffektivitet forslog de i november sidste år (2011) energipolitikere, at man i stedet burde satse på fremstilling af biomethanol ved forgasning af biomasse fra træ. Denne metode inddrager også elektricitet fra vindmøller, som energiforsyning til elektrolyse af brint, der skal tilsættes forgasningen af biomassen for at producere methanol.³⁶

I oktober sidste år skete der midlertidigt en revolution inden for produktionsmulighederne af bioethanol. Det lykkedes for en gruppe forskere at gensplejse en gærcelle med et gen fra plankton, der gør planktonet i stand til at nedbryde cellulose fra alger til monosaccharider. Denne nye gærtype vil altså være i stand til at producere sine egne cellulaser, og dermed overflødiggøres tilsætningen af cellulaser inden fermenteringsprocessen, og de to processer forenes.

Den nye gærtype kan få bioethanol-anlæggene til at være uafhængige af udefrakommende energi, og man vil kunne få et overskud på 80-90 procent af den producerede bioethanol, da de sidste 10-

20 procent, går til anlæggets eget energiforbrug. ”Med den nye gærtype kan man omdanne cellulose i planterester til ethanol langt bedre og helt uden tilførsel af energi udefra,” siger ph.d. John Nieland fra Ingeniørhøjskolen.

Ydermere er den samme forskergruppe i gang med at udvikle en destillationsproces, der bygger på ethanols evne til at binde sig til fedt. Processen gør det muligt at destillere samtidig med fermentationen, da den producerede ethanol vil binde sig til et filter af hørfrøolie. Dermed fastholdes den lave ethanolprocent, og gærcellerne kan fortsætte fermenteringen, hvor de tidligere blev hæmmet af en for høj ethanolprocent.³⁷

Hvor skal biomassen komme fra?

Fælles for de to ovenstående metoder til fremstilling af bæredygtig bioenergi er behovet for en biomasse. Hvor skal denne biomasse så produceres henne, lyder spørgsmålet. Ifølge Helle Munk Ravnborg, som er seniorforsker på DIIS med specialviden inden for vandforvaltning og fattigdom, er EU på vej til at øge importen af bioethanol fra andre verdensdele i fremtiden. EU lande importerer allerede en stor del af den bioethanol der forbruges især fra Brasilien. Men Brasilien er ikke det eneste sted, hvor der kan anes en fordelagtig produktion af bioethanol. Udenlandske investorer bakker op om, at bioethanol-fremstillingen bl.a. skal flyttes til Afrika, da der her er kæmpe landbrugsmuligheder. Danske pensionskasser har blandt andre udvist interesse som opkøber af afrikansk jord med fremstilling af bioethanol for øje.³⁸

Den stigende interesse for produktion af bioethanol virker umiddelbart som en god ting, men når produktionen flyttes til Afrika, opstår der nogle etiske problemer, som Ravnborg mener man bør overveje. Det er nemlig ikke kun den potentielle landbrugsjord, som optages til bioenergifremstilling, dyrkningen af biomasse kræver nemlig også store mængder vand, der kun kan skaffes ved kunstvanding. Ravnborg mener, at sandsynligheden for, at vandfordelingen mellem industri og lokale indbyggere bliver til industriens fordel, er stor, da det er set så mange gange før, at det er de mest indflydelsesrige, der har lettest og billigst adgang til rent drikkevand. Derfor må vandforvaltningen styrkes i disse lande, hvis ikke bekostningerne skal være, at man kører rundt på virtuelt potentielt drikkevand for afrikanske familier.³⁹

Bæredygtigt? Og under hvilke vilkår?

Der er ingen tvivl om, at den nye genmodificerede gærtype vil være en oplagt mulighed for fremstilling af bioethanol i fremtiden. Lidt sværere er det at sige, hvilken fremtid biomethanol-fremstillingen går i møde, da forskerne i Ceesa hovedsageligt bygger deres teorier på beregninger, og at man har brug nogle store projekter, i stil med dem der er i gang for bioethanol, før man kan begynde at realisere denne form for bioenergi. Indtil da må der satses på bioethanol.

Med et bioethanol-anlæg bygget op om metoden med den genmodificerede gærtype og destillation ved hjælp et oliefilter, er der gode muligheder for effektivisering af de 2. generations bioethanol-projekter, vi ser nu som for eksempel Dong Inbicons bioethanol-anlæg.⁴⁰ Ved brugen af den gensplejsede gærtype sættes der nye standarder for udnyttelsen af energi fra biologisk nedbrydelige materialer.

Rent teknisk vil biler i Danmark godt kunne erstatte ca. 10 procent af benzinen med bioethanol, hvis det er en bil med en almindelig benzinmotor, hvor en flexifuel-bil vil være i stand til at køre med op mod 85 procent bioethanol.⁴¹ Virksomheden Statoil tilbyder da også benzin med 5 procent 2. generations bioethanol fremstillet i Danmark⁴², så på realplanet sker der også noget, men det er vigtigt ikke at sætte sig tilfreds med de 5 procent, for ikke at stoppe udviklingen, men komme op på niveau med Brasilien⁴³. Indtil videre er de 5 procent givet godt ud, da biler kører lige så langt på literen med 5 procent ethanol som uden. Det er positivt, fordi ethanol har en lavere brændværdi end benzin, og dermed kører biler, der udelukkende kører på bioethanol, 30-40 procent mindre på literen. Men med iblandingen af de 5 procent tilføres en øget mængde ilt, som gavner forbrændingen ved at opveje den lavere brændværdi.⁴⁴

Produktionen af 2. generations bioethanol ser altså ud til at blive fuld bæredygtigt med de nye metoder, og den praktiske udskiftning af benzin frem for bioethanol er da også så småt på vej. Dyrkningen af afgrøder til fremstilling af 2. generations bioethanol er dog ikke så let, som skulle tro. Det har nemlig stor betydning, hvor afgrøderne dyrkes og bioethanolen produceres. Som nævn ovenfor i afsnittet ’Hvor skal biomassen komme fra?’ er der gode muligheder for storstilet industriel fremstilling af 2. generations bioethanol i Afrika. Problemet er bare, at man ved at flytte produktionen til Afrika, risikerer at bruge den lokale befolknings rene drikkevand til at dyrke afgrøder som bruges til brændstof. Med mindre en større industriel aktivitet resulterer i lettere adgang til rent drikkevand for både industrien og de lokale indbyggere, samt flere arbejdspladser til de lokale. Hvis industrien med andet end bare profit for øje kunne etablere vandingsanlæg til afgrøderne, hvor vandet ikke stammer fra potentielt rent drikkevand. Det modsatte viser sig beklageligt nok at være tilfældet i tidligere sager, og derfor mener Helle Munk Ravnborg, at vandforvaltningen bør styrkes i de lande, hvor bioethanolproduktionen har et stort potentiale.

”Ellers risikerer vi at gøre os skyldige i et globalt vandtyveri af dimensioner.” siger Ravnborg.

Konklusion

Forklaringen af enzymers opbygning og funktion har lagt grundlag for en forståelse af de vigtige hastighedsrelaterede elementer under bioethanol-fremstillingen, som temperatur og pH, da disse faktorer denaturerede enzymerne og dermed inaktiverede katalysen. Denatureringen af enzymet skyldtes brud på intermolekylære bindinger og etableringen af nye. Enzymernes rolle i fremstillingen af 2. generations bioethanol blev diskuteret med inddragelse af resultater fra egne forsøg, og det må siges, at enzymerne har en helt central rolle i forhold til at gøre 2. generations bioethanol rentabelt og bæredygtigt. Til slut blev flere perspektiver inden for bioethanol som bæredygtig erstatning til benzin vurderet, hvormed det kunne konkluderes, at den nye gensplejsede gærtype, skal spille en afgørende betydning i at få 2. generations bioethanol helt op på toppen, hvad angår energiudnyttelse. Endvidere er det vigtigt, at der bliver skredet til handling i de potentielle produktionslande med hensyn til forvaltningen af rent drikkevand, da søgen efter bæredygtig energi meget vel kan ende med tyveri af rent drikkevand fra de lokale indbyggere, hvis vandforvaltningen ikke styrkes. Således skal fremtidens 2. generations bioethanol altså bibeholdes som en bæredygtig energikilde, ved effektivisering af produktionsmetoderne og etiske overvejelser ved dyrkning af den biologiske masse.

Litteraturliste

Andersen, M. M. (10. 6 2009). Danmarks Meteorologiske Institut. (M. M. Andersen, Redaktør) Hentede 11. 12 2012 fra www.dmi.dk: http://www.dmi.dk/dmi/index/klima/drivhuseffekten_2008.htm

Bidstrup, B. B., & Bugge, C. S. (2010). Bioteknologi 3 (1. udgave, 1. opslag udg.). (M. Frøsig, Red.) Århus C, Danmark: Nucleus Forlaget ApS.

Bugge, C. S., Torp, K. C., & Wiener, S. V. (2010). Bioteknologi 2 (1. udgave, 1. opslag udg.). (M. Frøsig, & K. C. Torp, Red.) Århus C, Danmark: Nucleus Forlag ApS.

Jensen, L. G. (10. 10 2009). Ingeniøren. Hentede 13. 12 2012 fra www.ing.dk: http://ing.dk/artikel/103135-saadan-virker-dong-inbicons-bioetanol-anlaeg

Larsen, S. U., & Madsen, K. H. (15. 10 2008). LandbrugsInfo. Hentede 20. 12 2012 fra www.landbrugsinfo.dk: https://www.landbrugsinfo.dk/Planteavl/Afgroeder/Energiafgroeder/Sider/Generelt_om_ethanol.aspx

Mygind, H. (1995). Kemi 2000 B-niveau (1. udgave, 12. opslag 2005 udg.). Holstrebro, Danmark: P. Haase & Søns Forlag as.

Norn, C., & Poulsen, S. G. (26. 6 2008). Biotech Academy. Hentede 13. 11 2012 fra www.biotechacademy.dk: http://www.biotechacademy.dk/upload/institutter/bio/ba/%C3%B8velsesvejledninger/fra%20halm%20til% 20bioethanol/halmbioeth%C3%B8velse60.pdf

Petersen, B. L., Damager, I., Egelund, J., Clausen, H., Bach, I. C., & Ulvskov, P. (18. 1 2007).

PLANTEFORSKNING.DK. Hentede 17. 12 2012 fra www.planteforskning.dk:

http://www.planteforskning.dk/artikler/plantecellen/da_planterne_gik_paa_land

Petersen, M. Ø. (13. 6 2011). Biotech Academy. Hentede 17. 12 2012 fra www.biotechacademy.dk: http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/bioethanol/teori/nedbrydning.aspx

Ravnborg, H. M. (21. 11 2012). Ingeniøren. Hentede 18. 12 2012 fra www.ing.dk:

http://ing.dk/artikel/134300-en-tankfuld-benzin-koster-afrika-5000-liter-vand

Statoil Fuel & Retail A/S. (u.d.). Statoil. Hentede 20. 12 2012 fra www.statoil.dk: http://www.statoil.dk/FrontServlet?s=sdh&state=sdh_dynamic&viewid=2029781&showMenu=0_0_0

Torp, K. C. (2010). Biokemibogen – liv, funktion, molekyle (2. udgave, 1. opslag udg.). (M. Frøsig, Red.) Århus C, Danmark: Nucleus Forlag ApS.

Wittrup, S. (7. 11 2011). Ingeniøren. Hentede 18. 12 2012 fra www.ing.dk: http://ing.dk/artikel/123782-eksperter-bioethanol-har-ingen-fremtid-i-danmark

Wittrup, S. (6. 10 2011). Ingeniøren. Hentede 18. 12 2012 fra www.ing.dk: http://ing.dk/artikel/122879-ny-gaer-revolutionerer-produktion-af-bioethanol