Met financiële ondersteuning uit het IAG4 programma, van de provincie Groningen, hebben de bedrijven Sylphium Life Sciences, Sunoil Bio Fuels B.V samen met de Rijksuniversiteit Groningen een project gestart om m.b.v. olierijke gisten stro om te zetten in Biodiesel.
Bio-ethanol toegevoegd aan benzine (o.a. E10 benzine) en biodiesel toegevoegd aan diesel, zijn de meest gebruikte biobrandstoffen van dit moment. Bio-ethanol heeft als groot voordeel dat het gemaakt kan worden uit agrarische reststromen waarvan de suikers tot ethanol kunnen worden vergist en daarmee een 2e generatie biobrandstof is. Agrarische reststromen zijn in megatonhoeveelheden beschikbaar en hebben vaak weinig toegevoegde waarde wat het tot een ideale en bijna onuitputtelijke bron voor valorisatie maakt. Biodiesel wordt momenteel voornamelijk uit landbouwgewassen geproduceerd (koolzaad) die ook voor voeding of voer toegepast kunnen worden. Dit wordt 1e generatie biodiesel genoemd. Het gebruik van landbouwareaal en voedingsmiddelen voor energieproductie stuit echter op een groot aantal bezwaren. 2e generatie biodiesel daarentegen heeft deze bezwaren niet omdat het wordt verkregen uit grondstoffen die geen voedsel toepassing (meer) kennen zoals gebruikte spijsoliën (frituurolie). De grote voordelen van biodiesel zijn: de hoge energetische waarde en de hoge energie-efficiëntie van het proces waarmee gebruikte spijsoliën omgezet kunnen worden in biodiesel. Deze biodieselproductie levert 93% meer energie op dan dat het kost. Het nadeel van biodiesel uit gebruikte spijsoliën is de limitering aan de beschikbaarheid van deze spijsoliën. Het potentieel aan gebruikte spijsoliën in de EU is 3,55 miljoen ton per jaar (El Libro, The Handbook for Local Initiatives for Biodiesel from Recycled Oil). Een substantieel deel hiervan wordt verzameld voor de productie van biodiesel. Ondanks de grote omvang van 3,55 miljoen ton per jaar dekte dit in 2009 niet de helft van de Europese biodiesel behoefte van 7,84 miljoen ton (http://www.navigantresearch.com/research/biofuels-markets-and-technologies).
De chemische samenstelling van plantaardige oliën (spijsoliën) lijkt op de olie die sommige micro-organismen van nature zelf produceren. Een voorbeeld hiervan zijn de olierijke gisten die deze oliën in grote hoeveelheden, tot 35% van hun biomassa, kunnen aanmaken. Sommige van deze olierijke gisten kunnen zeer goed groeien en olie produceren op bewerkte agrarische reststromen, zoals bijvoorbeeld stro. In de wetenschappelijke literatuur wordt melding gemaakt dat het met de huidige stand der techniek mogelijk is om uit 10 kg stro 1 liter biodiesel te produceren (Huang et al. Bioresource Technology 110 (2012) 711-714).. Dit biedt de mogelijkheid om tegen zeer lage productiekosten microbiële olie te produceren. Deze microbiële olie kan vervolgens in biodiesel worden omgezet. Omdat de productie-efficiëntie van bio-olie naar biodiesel zeer hoog ligt, lijkt deze aanpak op voorhand al een groot economisch potentieel te hebben.
Met financiële ondersteuning uit het IAG4 programma hebben de bedrijven Sylphium Life Sciences, Sunoil Bio Fuels B.V en de Rijksuniversiteit Groningen een project gestart om m.b.v. olierijke gisten stro om te zetten in Biodiesel.
Omdat stro, net als veel andere agri-restromen, jaarlijks in megaton hoeveelheden wordt geproduceerd lijkt het een bijna onuitputtelijke bron van gefixeerde koolstof. Zo wordt in de EU jaarlijks 283890 kiloton stro geproduceerd. Hiervan kent 100311 kiloton geen specifieke toepassing en is dus beschikbaar voor energieproductie. De rest blijft achter op het land of heeft een andere functie in de landbouw (Scarlat, Dallemand 2013). Deze vrijwel waardeloze reststroom kan enorm tot waarde worden gebracht door er biodiesel uit te produceren. Deze manier van biodieselproductie levert een enorme bijdrage aan de klimaatdoelstellingen en door de enorme omvang van agri-reststromen is de voorzieningszekerheid zeer hoog.
Het popcorn-effect van steam-explosion op strovezels. Links: onbehandelde vezels. rechts: behandelde vezels met steam-explosion. De cellulose is na behandeling beschikbaar voor de enzymen.
Voor groei en productie van microbiële olie door micro-organismen zijn voornamelijk suikers nodig. In stro zijn suikers vooral aanwezig in de vorm van polymeren zoals cellulose en hemicellulose. Met industriële enzymen zoals cellulase kan cellulose zeer efficiënt afgebroken worden tot het “vrije” suiker, D-glucose. Een probleem hierbij is dat de polymeren (cellulases en hemicellulases) ingesloten (ingekapseld) zit tussen ligninelagen. Deze ligninelagen zijn echter zeer inert. Om deze ingesloten polymeren beschikbaar (toegankelijk) te maken voor cellulases en hemicellulases worden de celstructuren, waaronder de lignine lagen, d.m.v. stoomexplosie opgebroken. Stoomexplosie is een industrieel toegepast proces en ontsluit ca. 60% van de cellulose en hemicellulose. Een substantieel deel blijft dus ook na stoomexplosie ingesloten.
Het consortium heeft zelf een lab-schaal opstelling gebouwd waarmee stoomexplosies uitgevoerd kunnen worden. De opstelling bestaat uit een “fluidised sand bath” een RVS reactievat (buis) met kogelkraan en een cycloon, om het product van de stoomexplosie op te kunnen vangen (zie video). Met deze stoomexplosie opstelling was het mogelijk om stro tot een soort popcorn op te blazen (zie foto). Hiermee komt het door lignine ingekapselde cellulose en hemicellulose vrij en is zodoende vrij toegankelijk voor enzymen die hemicellulose en cellulose tot suikers afbreken.
Omzetting door enzymen van cellulose en hemicelluose door enzymen cocktail. NTWS: onbehandelde vezels, SEWS: behandelde vezels met steam explosion
Cellulose is een (homo)polymeer van D-glucose terwijl hemicellulose bestaat uit een groep van heteropolymeren van pentoses (xylose, arabinose), hexose (mannose, glucose, galactose) en geacetyleerde suikers. Hemicellulose maakt tot 50% van de biomassa uit en is daarmee na cellulose de belangrijkste biopolymeer. Voor de afbraak van cellulose tot D-glucose is slechts 1 enzym nodig, genaamd cellulase. Dit enzym wordt industrieel veel toegepast en is dan ook eenvoudig te verkrijgen. Om de heteropolymeer hemicellulose af te breken tot de afzonderlijke suikers zijn verschillende enzymen nodig. Omdat hemicellulose tot 50% van de biomassa uit kan maken kan afbraak hiervan tot 50% opbrengstverbetering van het biodiesel productieproces leiden. Om aan deze enzymen te komen is er (door de vakgroep Microbiële Ecologie van de RuG) van grondmonsters (in de grond worden bladeren, takken en al het andere organische materiaal afgebroken door micro-organismen) een “transcriptoom” gemaakt. In dit transcriptoom zijn alle genen (coderend voor enzymen) die betrokken zijn bij de afbraak van organisch materiaal (bladeren, etc.) tot expressie gebracht (gekloneerd). Het heeft een aantal tot nu toe onbekende hemicellulose afbrekende enzymen opgeleverd met karakteristieken die een superieure toevoeging zijn aan de thans industrieel toegepaste cellulase enzym Celluclast®. Toevoeging van deze nieuwe hemicellulose afbrekende enzymen leverde een bijna 2 maal zo hoge opbrengst aan vrije suikers op. Dit betekent een 2 maal zo hoge efficiëntie van het proces dan met commerciële enzymmixen mogelijk is. Tijdens dit project is er een uitgebreide inventarisatie gemaakt welke enzymen en vooral welke enzymcombinaties het best suikers vrij beschikbaar kunnen maken uit stoom geëxplodeerd stro. Daarnaast is er gekeken welke olierijke gisten het best kunnen groeien op deze verschillende combinaties van enzymen.
Om het micro-organisme zo efficiënt mogelijk olie te laten produceren van een zo hoog mogelijke kwaliteit is er gewerkt aan selectie en van gistmutanten en genetic engineering. De selectie heeft plaatsgevonden door met mutagentia random mutaties aan te brengen en middels selectie op dichtheid (soortelijk gewicht) de mutanten met een hoger oliegehalte te scheiden van de minder productieve varianten.
Middels genetic engineering is het gelukt om een olierijke gist een olifinische (C15) verbinding (eremophylene) te laten produceren. Volgens literatuurgegevens draagt deze C15-verbinding bij aan een betere “cetane waarde” van de biodiesel.
