Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2013 – 2014
Valorisatie van gerecycleerd papier en nevenstromen
Ilse Vanhoutte
Promotor: Dr. Ingeborg Stals
Tutor: Jeroen De Mey
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master of Science in de industriële wetenschappen: biochemie
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2013 – 2014
Valorisatie van gerecycleerd papier en nevenstromen
Ilse Vanhoutte
Promotor: Dr. Ingeborg Stals
Tutor: Jeroen De Mey
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master of Science in de industriële wetenschappen: biochemie
Auteursrechtelijke bescherming
De auteur en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te
stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt
onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de
verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze
scriptie.
Datum:
Handtekening auteur
Handtekening promotor
Woord vooraf
Mijn masterproef gaat over de ‘valorisatie van lignocellulose nevenstromen’, specifiek van
papiernevenstromen. Dit onderwerp boeit me enorm en daarom wil ik mijn promotor Dr.
Ingeborg Stals bedanken voor het realiseren van mijn stageplaats in het milieulabo op
Hogeschool Gent en haar advies en feedback die ze mij gaf.
Ook wil ik mijn begeleider Jeroen De Mey bedanken voor de uitleg en het advies, voor het
nalezen en verbeteren van mijn teksten en voor de tips en motivatie die hij gaf gedurende
mijn stage. Ik heb veel bijgeleerd en leerde zelfstandig nadenken over het aanpakken van
problemen. Ik had veel motivatie omdat het onderwerp me erg interesseert, maar ook door
de aangename omgeving in het labo. Daarom wil ik mijn medestudenten Mathijs
Heynderickx en Anke Van Gils bedanken voor de aangename pauzes tijdens mijn stage.
Verder wil ik ook de andere afdelingen (CTO en onderzoekslabo) bedanken op Hogeschool
Gent waar ik hun materiaal mocht gebruiken en advies kreeg.
Tot slot wil ik mijn familie bedanken voor alle steun tijdens de afgelopen jaren.
1
Abstract
Verschillende papiernevenstromen beschikbaar in Vlaanderen worden onderzocht op hun
samenstelling en saccharificatiepotentieel. Het papier wordt gevaloriseerd naar
fermenteerbare suikers waarna verdere omzettingen naar bio-chemicaliën of bio-ethanol
kunnen plaatsvinden. In deze thesis wordt de saccharificatie geoptimaliseerd met oog op een
simultane saccharificatie en fermentatie tot bio-ethanol. De samenstelling van papier wordt
bepaald en additieven toegevoegd tijdens het papierproductieproces worden
gekwantificeerd, zoals zetmeel en CaCO3. De glucose- en xylose-opbrengsten van deze
papierstromen worden bepaald en er worden twee industriële enzymcocktails van Dupont en
Novozymes vergeleken met elkaar. Ook wordt nagegaan wat de invloed is van de additieven
op de enzymatische hydrolyse. Vervolgens kunnen tijdens de opschaling bij hogere
substraatconcentratie moeilijkheden optreden. Een Semi-SSF met Fed Batch systeem wordt
ingevoerd om deze moeilijkheden te ontwijken. Tenslotte heeft onderzoek uitgewezen dat de
vul- en coatingstof CaCO3 een negatieve invloed heeft op de pH van de enzymatische
hydrolyse.
Kernwoorden: Saccharificatie – papier – CaCO3 – Semi-SSF
Different paper waste streams available in Flanders are investigated on composition and
potential saccharification. Paper is valorized into fermentable sugars followed by conversions
to biochemicals or bioethanol. In this thesis, the saccharification is optimized with a view to a
simultaneous saccharification and fermentation to bioethanol. The composition of paper is
determined and the additives added during the papermaking process are quantified, such as
starch and CaCO3. The glucose en xylose yields of the paper waste streams are determined,
and two industrial enzyme cocktails from Dupont and Novozymes are compared. Also is the
influence examined of the additives on the enzymatic hydrolysis. Subsequently during the
scaling at higher substrate concentration, difficulties may occur. A semi-SSF with a Fed
Batch system is introduced in order to avoid these difficulties. Finally, research has shown
that the filling and coating substance CaCO3 has a negative influence on the pH of the
enzymatic hydrolysis.
Keywords: Saccharification – paper – CaCO3 – Semi-SSF
2
Inhoud
Woord vooraf ......................................................................................................................... 1
Abstract ................................................................................................................................. 2
Inhoud ................................................................................................................................... 3
Lijst met figuren ..................................................................................................................... 6
Lijst met tabellen ................................................................................................................... 8
Inleiding ................................................................................................................................. 9
1.
Literatuurstudie .............................................................................................................11
1.1.
1.1.1.
Bio-ethanol ......................................................................................................11
1.1.2.
Biodiesel .........................................................................................................11
1.2.
Lignocellulose ........................................................................................................12
1.2.1.
Cellulose .........................................................................................................13
1.2.2.
Hemicellulose ..................................................................................................14
1.2.3.
Lignine ............................................................................................................15
1.2.4.
Voorbehandeling .............................................................................................15
1.2.5.
Inhibitoren .......................................................................................................17
1.3.
Valorisatie van papier .............................................................................................18
1.3.1.
Pulp- en papierproductie .................................................................................18
1.3.2.
Samenstelling .................................................................................................22
1.3.3.
Papiernevenstromen voor valorisatie naar fermenteerbare suikers .................24
1.4.
2.
Situering .................................................................................................................11
Saccharificatie ........................................................................................................26
1.4.1.
Cellulasen .......................................................................................................26
1.4.2.
Hemicellulasen ................................................................................................27
1.4.3.
Mono-oxygenasen...........................................................................................27
1.4.4.
Enzymcocktails ...............................................................................................27
1.5.
Fermentatie ............................................................................................................29
1.6.
Uitdagingen en strategieën.....................................................................................30
Materialen en methoden ................................................................................................32
2.1.
Papierstromen ........................................................................................................32
2.1.1.
Mechanische voorbehandeling ........................................................................33
2.1.2.
Chemische voorbehandeling ...........................................................................33
3
2.1.3.
Samenvatting ..................................................................................................34
2.1.4.
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR ..............................................................35
2.1.5.
SITA_PULP_SCHROEFPERS ........................................................................36
2.2.
2.2.1.
Compositionele analyse ..................................................................................37
2.2.2.
Zetmeel bepaling.............................................................................................39
2.2.3.
CaCO3 bepaling ..............................................................................................40
2.3.
Enzymdosagecurve 2%DS ..............................................................................41
2.3.2.
Activiteit enzym ...............................................................................................42
2.3.3.
Invloed van inorganics op hydrolyse................................................................43
Uitdagingen ............................................................................................................44
2.4.1.
Invoeren Semi-SSF met Fed Batch .................................................................44
2.4.2.
CaCO3 verwijderen..........................................................................................46
Resultaten .....................................................................................................................49
3.1.
Samenstelling papier ..............................................................................................49
3.1.1.
Massabalans papierstromen schroefpers ........................................................49
3.1.2.
Zetmeel bepaling.............................................................................................50
3.1.3.
CaCO3 bepaling ..............................................................................................52
3.2.
Saccharificatie ........................................................................................................53
3.2.1.
Xylose-opbrengst ............................................................................................54
3.2.2.
Activiteit industriële enzymcocktail ..................................................................56
3.2.3.
Invloed van inorganics op hydrolyse................................................................58
3.3.
4.
Saccharificatie ........................................................................................................41
2.3.1.
2.4.
3.
Samenstelling papier ..............................................................................................37
Uitdagingen ............................................................................................................61
3.3.1.
Invoeren Semi-SSF met Fed Batch .................................................................61
3.3.2.
CaCO3 verwijderen..........................................................................................64
Bespreking ....................................................................................................................66
4.1.
Papierstromen ........................................................................................................66
4.1.1.
Samenstelling en saccharificatiepotentieel ......................................................66
4.1.2.
Zetmeel bepaling.............................................................................................67
4.1.3.
CaCO3 bepaling ..............................................................................................68
4.1.4.
Xylose-opbrengst ............................................................................................68
4.2.
Activiteit industriële enzymcocktail .........................................................................68
4
4.3.
Invloed van inorganics op hydrolyse .......................................................................69
4.4.
Uitdagingen ............................................................................................................70
4.4.1.
Invoeren Semi-SSF met Fed Batch .................................................................70
4.4.2.
CaCO3 verwijderen..........................................................................................71
4.5.
Industrieel gericht ...................................................................................................72
4.5.1.
Schatting opbrengst ethanol ............................................................................72
4.5.2.
Proces .............................................................................................................74
Algemeen besluit ..................................................................................................................75
Referentielijst .......................................................................................................................77
5
Lijst met figuren
Figuur 1: Transesterificatie van olie naar biodiesel7 ..............................................................12
Figuur 2: Celwand van de plant10 .........................................................................................12
Figuur 3: Structuur cellulose13 ..............................................................................................13
Figuur 4: Kristallijne (c) en amorfe (a) gebieden van cellulose13 ...........................................14
Figuur 5: Galactoglucomannaan16 ........................................................................................15
Figuur 6: Arabinoglucuronoxylaan16......................................................................................15
Figuur 7: Glucuronoxylaan16 .................................................................................................15
Figuur 8: Voorstelling voorbehandeling van lignocellulose19 .................................................16
Figuur 9: Vorming van inhibitoren8........................................................................................17
Figuur 10: Papieroppervlak22 ................................................................................................20
Figuur 11: Papieroppervlak met pre-coatingslaag: coatingslaag volgt oppervlak van figuur22
.............................................................................................................................................21
Figuur 12: Papieroppervlak met pre-coatingslaag22 ..............................................................21
Figuur 13: Papieroppervlak na coaten (1 laagje)22 ................................................................22
Figuur 14: Papieroppervlak na coaten (2 laagjes)22 ..............................................................22
Figuur 15: Werking cellulasen (1: Endoglucanase, 2: Cellobiohydrolyase, 3: β-glucosidase,
NR: niet-reducerend einde, R: reducerend einde, C: kristallijne regio’s)13.............................26
Figuur 16: Glucomannaanstructuur afbraak enzymen (wit: glucose, lichtblauw: mannose,
donkerblauw: galactose, driehoek: acetaatgroep, bol met lijn: reducerend uiteinde)36 ..........27
Figuur 17: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h
gebruik makend van voorbehandeld hardhout pulp ..............................................................28
Figuur 18: Temperatuur profiel enzymcocktail van Dupont bij pH 5.0. Activiteit gemeten
gedurende 24h gebruik makend van voorbehandeld hardhout pulp .....................................28
Figuur 19: Uitdagingen en strategieën voor de valorisatie van papier ...................................31
Figuur 20: Processtappen SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR .........................................35
Figuur 21: Reactie zuur en CaCO3: vorming van CO2-gasbellen ..........................................48
Figuur 22: Massabalans papierstromen schroefpers ............................................................49
Figuur 23: Resultaat lugoltest ...............................................................................................50
Figuur 24: Zetmeelbepaling ..................................................................................................51
Figuur 25: Saccharificatiepotentieel papierstromen ..............................................................53
Figuur 26: Xylose-en glucose-opbrengst SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR ...................54
Figuur 27: %rendement xylose en glucose SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR ................55
Figuur 28: Activiteit bepaling enzymcocktail Novozymes ......................................................56
Figuur 29: Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails van
Dupont en Novozymes .........................................................................................................57
Figuur 30: Saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met toevoegingen................................58
Figuur 31: Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen .............59
Figuur 32: Effect pH na saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met
toevoegingen........................................................................................................................60
6
Figuur 33: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h
gebruik makend van voorbehandeld hardhout pulp ..............................................................60
Figuur 34: Semi-SSF SITA_SUPRATON..............................................................................62
Figuur 35: Xylose-opbrengst bij Semi-SSF SITA_SUPRATON.............................................63
Figuur 36: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS:
saccharificatie ......................................................................................................................64
Figuur 37: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h
gebruik makend van voorbehandeld hardhout pulp ..............................................................69
Figuur 38: Schema van proces (1: pulper, 2: metaal- en plastiekseparator, 3: jetcooker, 4:
schroefpers, 5: schroefdecantor) ..........................................................................................74
7
Lijst met tabellen
Tabel 1: Samenstelling van verschillende types lignocellulose biomassa materialen12 .........13
Tabel 2: Overzicht pentosen, hexosen en uronzuren aanwezig in hemicellulose15, 16 ...........14
Tabel 3: Samenstelling papier ..............................................................................................23
Tabel 4: Samenstelling inorganics28 .....................................................................................23
Tabel 5: Reactiecondities zure voorbehandeling ..................................................................33
Tabel 6: Beschikbare papierstromen en uitleg ......................................................................34
Tabel 7: Stromen schroefpers ..............................................................................................36
Tabel 8: Omstandigheden HPAEC-PAD ...............................................................................39
Tabel 9: Samenstelling papierstromen .................................................................................49
Tabel 10: Zetmeelbepaling ...................................................................................................51
Tabel 11: CaCO3 bepaling TGA............................................................................................52
Tabel 12: CaCO3 bepaling ICP-AES.....................................................................................52
Tabel 13: Saccharificatiepotentieel papierstromen ...............................................................53
Tabel 14: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR ...................................................................................55
Tabel 15: Xylose-opbrengst en rendementen saccharificatie
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR ...................................................................................55
Tabel 16: glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails van Dupont en Novozymes ........57
Tabel 17: Volume enzym toegevoegd ..................................................................................57
Tabel 18: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met
toevoegingen........................................................................................................................58
Tabel 19: pH na saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met toevoegingen .......................58
Tabel 20: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen ......................................................59
Tabel 21: pH na saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen ....59
Tabel 22: Verloop Semi-SSF: stijging in %DS en daling in FPU/gDS ...................................61
Tabel 23: Glucose-opbrengst en rendementen Semi-SSF SITA_SUPRATON .....................61
Tabel 24: Xylose-opbrengst en rendementen Semi-SSF SITA_SUPRATON........................62
Tabel 25: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS:
saccharificatie ......................................................................................................................64
Tabel 26: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS: CaCO3
bepaling ...............................................................................................................................65
8
Inleiding
Deze thesis gaat over de valorisatie van lignocellulose nevenstromen, meer specifiek over
papiernevenstromen. In Vlaanderen worden beschikbare nevenstromen onderzocht, die in
grote hoeveelheden voorkomen en potentieel hebben voor de valorisatie naar
biobrandstoffen of bio-chemicaliën. Oud papier en reststromen van de papierproductie
afkomstig van de bedrijven SITA, VPK en SAPPI, zijn enkele van die potentiële
nevenstromen. Hun samenstelling en saccharificatiepotentieel worden onderzocht.
Vervolgens worden de moeilijkheden naar voor gebracht welke kunnen optreden naar
opschaling toe.
In het eerste deel van de masterproef wordt in de literatuurstudie een algemeen beeld
geschetst over de valorisatie van lignocellulose biomassa (specifiek papierstromen) met de
kennis en vorderingen die in de literatuur al te vinden zijn over dit onderwerp. De
basisbegrippen over lignocellulose biomassa en het doel van een voorbehandeling worden
nog eens uitgelegd. Daarna wordt de pulp- en papierproductie uitvoerig besproken omdat
tijdens de papierproductie componenten op verschillende momenten worden toegevoegd die
het papier betere eigenschappen geven. Deze componenten kunnen een negatieve invloed
hebben op de enzymatische hydrolyse wat verder onderzocht zal worden. Vervolgens
worden de basisbegrippen voor de valorisatie van papier nog eens toegelicht, namelijk de
saccharificatie en de fermentatie. Om de valorisatie van papiernevenstromen op grote schaal
uit te kunnen voeren, zal met verschillende zaken rekening moeten gehouden worden. Het
doel is om papier te valoriseren naar bio-ethanol op zo’n kort mogelijk tijd en met zo’n laag
mogelijke enzymconcentratie op voorwaarde dat het rendement nog hoog genoeg is. Om
een hoge ethanolopbrengst te verkrijgen, zal bovendien het drogestofgehalte, waarbij de
high-troughput experimenten gehouden worden, opgedreven moeten worden. Hierbij
ontstaan er echter verschillende problemen, namelijk moeilijkheden met de menging en een
hogere concentratie aan inhibitoren. Bovendien wordt bij industriële omstandigheden de pH
niet meer gestuurd met buffers maar met toevoeging van zuur, wat op zijn beurt nieuwe
uitdagingen met zich meebrengt.
Vervolgens worden de experimenten, uitgevoerd gedurende de stageperiode, beschreven in
‘materialen en methoden’. De beschikbare papierstromen in Vlaanderen worden eerst
opgesomd waarbij sommige papierstromen mechanisch of chemisch voorbehandeld zijn.
Vervolgens wordt de samenstelling van al deze papierstromen bepaald. Aangezien tijdens
het papierproductieproces zetmeel en CaCO3 worden toegevoegd als bindmiddel, en vul- en
coatingstof respectievelijk, worden deze componenten ook gekwantificeerd. Het
saccharificatiepotentieel van de papierstromen wordt vervolgens bij lage drogestofgehalte
geanalyseerd met een industriële enzymcocktail van Dupont. Deze enzymcocktail zal ook
vergeleken worden met een industriële enzymcocktail van Novozymes, waarvan de activiteit
bepaald zal worden. De invloed van de componenten toegevoegd tijdens de papierproductie,
op de enzymatische hydrolyse zal ook geanalyseerd worden. Voor de opschaling wordt
gewerkt aan hogere drogestofgehaltes aangezien dit een hogere suiker- en
9
ethanolopbrengst levert. Dit geeft echter een aantal problemen, zoals voorheen aangehaald.
Het invoeren van een Semi-SSF met een Fed Batch systeem is een van de strategieën om
daarmee om te gaan. Dit wordt ook in de praktijk uitgetest. Daarbovenop kunnen tijdens het
aanzuren van het papier tot gewenste pH, reacties ontstaan tussen het zuur en CaCO3 of
andere componenten aanwezig in het papier. Dit wordt in detail onderzocht.
Tot slot worden de resultaten van de experimenten besproken.
10
1. Literatuurstudie
1.1.
Situering
Biomassa wordt als grondstof gebruikt om op een duurzame manier biobrandstoffen of
andere chemische producten te produceren. Daarnaast wordt biomassa ook gebruikt voor de
generatie van warmte en elektriciteit1.
Biobrandstoffen geven een energiezekerheid aan landen die fossiele brandstoffen
importeren en ze hebben ook voordelen voor het milieu2. Het gebruik van biobrandstoffen
vermindert de uitstoot van de broeikasgassen. Het verbranden van biomassa geeft ongeveer
hetzelfde gehalte aan CO2 zoals het verbranden van fossiele brandstoffen. Maar de CO2 die
vrij komt bij het verbranden van biomassa wordt gecompenseerd door de CO2 die wordt
opgenomen tijdens de groei van de biomassa3. Biobrandstoffen kunnen onderverdeeld
worden in eerste, tweede en derde generatie biobrandstoffen.
1.1.1. Bio-ethanol
Bio-ethanol geproduceerd uit zetmeel- en suikerhoudende gewassen zoals granen en
suikerbieten of suikerriet, worden eerste generatie brandstoffen genoemd4. De grondstoffen
van de eerste generatie biobrandstoffen staan in rechtstreekse of onrechtstreekse
concurrentie met de voedsel- en voederproductie, wat een effect kan hebben op de prijzen
van de grondstoffen. Alternatieven worden gezocht, namelijk de productie van bio-ethanol op
basis van niet-eetbare delen van gewassen met als hoofdcomponent lignocellulose. Dit
wordt de tweede generatie biobrandstof genoemd. Lignocellulose is een relatief goedkoop en
overvloedig polymeer, onder andere aanwezig in landbouwafval (tarwestro, maïsstengels,
suikerrietbagasse), industriële reststromen (bijvoorbeeld pulp- en papierindustrie),
bosbouwresiduen en vast stedelijk afval5. Ook toegewijde gewassen zoals Miscanthus,
olifantsgras of short rotation populier kunnen als tweede generatie grondstof gebruikt
worden.
Bio-ethanol wordt meestal gemengd met benzine (in een zuiver of afgeleide vorm, bekend
als ethyl tertiair butylether of ETBE). Als 30% of meer bio-ethanol gemengd wordt met
benzine, kan dit enkel gebruikt worden in aangepaste motoren2.
1.1.2. Biodiesel
De grondstof voor de productie van biodiesel zijn olie- en vethoudende gewassen,
bijvoorbeeld palmolie4. Er worden ook niet-eetbare oliën ingezet als grondstof zoals
afvaloliën (bijvoorbeeld gebruikt frituurvet) of dierlijke vetten. Maar omdat de beschikbare
hoeveelheden van deze afvaloliën en dierlijke vetten klein zijn, kijkt men uit naar de derde
generatie biobrandstoffen, namelijk oliën uit microalgen6. Oliën en vetten zijn triglyceriden
(drie vetzuren veresterd met glycerol). De triglyceriden ondergaan een transesterificatie
11
onder invloed van een katalysator. De reactie wordt voorgesteld op figuur 1. Dit levert het
hoofdproduct biodiesel op, namelijk methylesters (vetzuren), en een bijproduct glycerol7.
Biodiesel kan gemakkelijk gebruikt worden in de meeste bestaande motoren gemengd met
conventionele diesel of in tegenstelling tot bio-ethanol ook in zuivere vorm2.
Figuur 1: Transesterificatie van olie naar biodiesel7
1.2.
Lignocellulose
Lignocellulose is een overvloedig hernieuwbare bron voor de productie van biobrandstoffen
of andere toepassingen zoals chemicaliën en polymeren. Lignocellulose grondstoffen zijn
residuen afkomstig van de land- en bosbouw, gewassen, oud papier of residuen van de pulpen papierproductie8.
Plantaardige biomassa is voor een groot deel opgebouwd uit lignocellulose (een matrix van
cellulose, hemicellulose en lignine). Daarnaast bevat het ook kleine hoeveelheden proteïnen,
mineralen en andere niet-structurele bestanddelen. Met deze niet-structurele bestanddelen
worden materialen bedoeld die extraheerbaar zijn door middel van water of solventen.
Bijvoorbeeld door een waterextractie worden bodemdeeltjes, meststoffen en niet-structurele,
laagmoleculaire koolhydraten zoals sucrose verwijderd. Extracties met organische solventen
(zoals ethanol of tolueen) kunnen wassen, vetten en harsen verwijderen9.
Lignocellulose bevindt zich in de celwand van de plant en zorgt voor de structuur van de
plant. De celwand, voorgesteld in figuur 2, bevat cellulosemicrofibrillen, hemicellulose,
pectine, lignine en oplosbare proteïnen10.
Figuur 2: Celwand van de plant10
12
De hoofdcomponenten van lignocellulose zijn cellulose, hemicellulose en lignine. Cellulose is
een homopolysaccharide dat bestaat uit glucose-eenheden verbonden met β-1,4
verbindingen. Hemicellulose is een vertakte heteropolysaccharide van hexose en pentose
suikereenheden die acetylgroepen kunnen bevatten. Lignine is opgebouwd uit aromatische
componenten8, 11. Deze hoofdcomponenten worden verder nog eens in detail uitgelegd. De
verhouding van deze drie componenten varieert afhankelijk van de soort plant.
De samenstelling van verschillende soorten lignocellulose biomassa staat uitgedrukt in tabel
1 (uitgedrukt in gehaltes ten opzichte van droge fractie).
Tabel 1: Samenstelling van verschillende types lignocellulose biomassa materialen12
Hardhout (loofbomen) bevat meer cellulose en hemicellulose (78,8%) dan zachthout
(naaldbomen) (70,3%). Er is dus meer lignine aanwezig in naaldbomen (29,2%) dan in
loofbomen (21,7%)12.
1.2.1. Cellulose
Cellulose is een lineair polymeer dat bestaat uit glucose-eenheden verbonden door een β1,4-binding (zie figuur 3).
Figuur 3: Structuur cellulose13
De cellulosemoleculen en –ketens worden verbonden door Van der Waals – interacties en
waterstofbruggen waardoor een sterk structureel complex wordt gevormd13. Meerdere
celluloseketens vormen bundels, microfibrillen genaamd, die parallel ten opzichte van elkaar
zijn opgesteld.
Cellulose bestaat uit kristallijne en amorfe gebieden (zie figuur 4). Kristallijne gebieden
bevatten cellulosemoleculen die in deze bundels sterk geordend zijn. In amorfe gebieden
13
komen krommingen en vervormingen voor en zijn de moleculen minder compact13. Toch blijft
de totale cellulosestructuur sterk omdat deze amorfe gebieden min of meer homogeen
verspreid liggen10.
Figuur 4: Kristallijne (c) en amorfe (a) gebieden van cellulose13
Tijdens de hydrolyse wordt cellulose afgebroken tot vrije glucosemoleculen door de additie
van water (= versuikering of saccharificatie).
De graad van polymerisatie (DP) van celluloseketens varieert van 500 tot 25 00014.
1.2.2. Hemicellulose
Hemicellulose bestaat uit een hoofdketen (β-1,4-verbonden monosacchariden) met
vertakkingen bestaande uit suikers, gecarboxyleerde of geacetyleerde suikers13.
Hemicellulose bevat pentosen (xylose en arabinose), hexosen (mannose, glucose en
galactose) en/of uronzuren (glucuronzuur, methylgalacturonzuur en galacturonzuur). Ook
een kleine hoeveelheid rhamnose en fucose kan aanwezig zijn15. Een overzicht van de
meest voorkomende monosacchariden en zuren in hemicellulose staan in de volgende tabel:
Tabel 2: Overzicht pentosen, hexosen en uronzuren aanwezig in hemicellulose15, 16
Pentosen
Hexosen
Uronzuren
D-xylose
D-mannose
D-glucuronzuur
L-arabinose
D-glucose
D-galactose
De meest voorkomende hoofdketens van hemicellulosen zijn xylanen en glucomannanen15.
In naaldbomen zijn de hoofdketens galactoglucomannaan en arabinoglucuronoxylaan het
meest aanwezig17, 16, 13. In loofbomen is de hoofdketen glucuronoxylaan17, 13, 15. Deze
14
hoofdketens worden in figuur 5, 6 en 7 afgebeeld. De legende van de monosacchariden
staat gegeven in tabel 2.
Figuur 5: Galactoglucomannaan16
Figuur 6: Arabinoglucuronoxylaan16
Figuur 7: Glucuronoxylaan16
Hemicellulose doet dienst als de verbinding tussen lignine en de cellulosevezels en geeft het
cellulose-hemicellulose-lignine netwerk meer stevigheid. Het is meer oplosbaar dan cellulose
en is meer vertakt met een DP van 100 tot 20014. Hemicellulose wordt gemakkelijker
gehydrolyseerd vergeleken met cellulose vanwege deze vertakte, amorfe aard12.
1.2.3. Lignine
Lignine is een amorfe heteropolymeer bestaande uit drie verschillende fenylpropaaneenheden (p-coumaryl, coniferyl en sinapyl alcohol) die bijeengehouden worden door
verschillende soorten verbindingen, vooral etherverbindingen8, 18.
1.2.4. Voorbehandeling
Aangezien lignocellulose een zeer recalcitrante structuur heeft en dus moeilijk te
hydrolyseren is, is een voorbehandeling noodzakelijk om cellulose (en hemicellulose)
toegankelijker te maken voor de enzymen die cellulose (en hemicellulose) omzetten naar
monomeren19.
Het doel van deze voorbehandeling is om de structuur van de celwand af te breken door het
verminderen van cellulosekristalliniteit, graad van polymerisatie en deeltjesgrootte en het
15
verwijderen van lignine en/of hemicellulose20. De volgende figuur stelt een voorbehandeling
schematisch voor.
Figuur 8: Voorstelling voorbehandeling van lignocellulose19
Er zijn tal van verschillende voorbehandelingen; fysicochemische, chemische en biologische.
De voorbehandelingen hebben verschillende effecten op de hoofdcomponenten van de
biomassa. De zure en alkalische voorbehandelingen worden hier kort besproken.
Zure voorbehandelingen hydrolyseren de hemicellulosefractie terwijl het grootste deel van
het cellulose en lignine intact blijft in de residuele vaste stoffen. Het meest gebruikte zuur is
verdund zwavelzuur. De alkalische voorbehandelingen hebben meer een effect op de
ligninecomponent en laten hemicellulose en cellulose grotendeels intact11.
Tijdens de zure voorbehandeling komen er oligo- en monosacchariden vrij. Deze suikers
worden bij voorkeur ook gevaloriseerd in de fermentatiestap door C5 fermenterende microorganismen om een gunstig totaal economisch proces te realiseren, aangezien het
hemicellulosegehalte in de biomassa niet te verwaarlozen is21.
16
1.2.5. Inhibitoren
Bij een zure voorbehandeling wordt hemicellulose gehydrolyseerd wat leidt tot de vorming
van al dan niet gecarboxyleerde pentose-, hexosesuikers en azijnzuur, voorgesteld op figuur
9. Door dehydratatie van die C5- en C6-suikers, ontstaan furfural en hydroxymethylfurfural
(HMF) wat inhiberend werkt op de gist tijdens de fermentatie4. Lignine blijft samen met het
overgrote deel van cellulose als een vast residu over, maar een klein deel is afgebroken tot
fenolen en andere aromatische componenten8.
Figuur 9: Vorming van inhibitoren8
17
1.3.
Valorisatie van papier
Oud papier en reststromen afkomstig van de papierproductie zijn nevenstromen met een
groot valorisatiepotentieel. Om een beter zicht te krijgen over wat de samenstelling van
papier is, wordt het proces besproken om pulp en vervolgens papier te produceren. Nadien
zal duidelijk worden welke componenten er in het papier zitten en wanneer ze tijdens het
pulp- en papierproces worden toegevoegd. Deze componenten (niet aanwezig in
conventionele lignocellulose biomassa) kunnen een negatieve invloed hebben op de
enzymatische hydrolyse. Er wordt naar methodes gezocht om deze inhibitoren te
kwantificeren en te verwijderen. Ten slotte worden de papiernevenstromen beschikbaar in
Vlaanderen opgesomd.
1.3.1. Pulp- en papierproductie
Papier wordt gemaakt van hout. In België gebruikt het bedrijf SAPPI, te Lanaken, hout of
houtsnippers voor de papierproductie. Het hout komt ofwel van loofbomen, zoals de berk,
populier, beuk en eucalyptus, ofwel van naaldbomen zoals de den, spar en pijnboom.
Naaldbomen hebben langere vezels dan loofbomen en vormen in het algemeen sterker
papier. Bij aankomst van het hout in de papierfabriek, wordt de schors verwijderd en wordt
het hout verder verkleind. Houtsnippers zijn afkomstig van industriële zagerijen22. Oud papier
kan ook als grondstof gebruikt worden in gerecycleerd papier. De recyclage van papier kan
niet oneindig blijven doorgaan omdat de kwaliteit van de vezels vermindert, de vezels
geraken namelijk beschadigd en worden korter. Gemiddeld kan een vezel 2 tot 5 keer
hergebruikt worden23.
Pulpproductie
Het verpulpen kan op verschillende manieren gebeuren. Hierbij wordt lignine deels of
volledig verwijderd, afhankelijk van de verpulpingsmethode. De manier van verpulpen heeft
een invloed op de fysicochemische eigenschappen van de vezels in het papier en dus ook
onrechtstreeks op de hydrolyseerbaarheid.
Hout kan mechanisch of chemisch verpulpt worden.
Mechanische pulp
Mechanisch pulpen kan op verschillende manieren gebeuren; bij het ‘stone ground wood
proces’ wordt hout geperst tegen een steen in aanwezigheid van water. Het ‘pressurized
ground wood proces’ is gelijkaardig, maar het wordt uitgevoerd bij een hogere druk om
sterkere pulp te produceren. Bij het ‘thermomechanisch pulpproces (TMP)’ wordt stoom op
de houtsnippers aangevoerd waarna ze vervolgens geperst worden tussen twee grote
roterende schijven24.
Bij het ‘chemithermomechanisch pulpproces (CTMP)’ worden de houtsnippers blootgesteld
aan stoom en aan chemicaliën24. Hierbij worden de houthaksels eerst geweekt in
18
natriumsulfiet en met stoom verwarmd waardoor de lignine zacht wordt. Daarna worden de
haksels ontrafeld door ze tussen twee metalen schijven met messen te malen25. In SAPPI, te
Lanaken, wordt gewerkt met het CTMP proces.
De pulp wordt tenslotte gebleekt. Meestal gebeurt dit met waterstofperoxide25.
Chemische pulp
De pulp wordt gekookt in een chemische oplossing waarbij het lignine verwijderd wordt.
Sulfaat en sulfiet pulp worden onderscheiden, afhankelijk welke chemicaliën gebruikt
worden26.
Het sulfaat (Kraft) proces is een alkalisch proces. De houtpartikels worden gekookt bij hoge
pH waarbij een groot deel van de aanwezige lignine verwijderd wordt en enkel de
cellulosevezels overblijven. Na het koken worden de cellulosevezels afgescheiden en wordt
deze donkerbruinachtige pulp gebleekt. Het meest gebruikte bleekmiddel is chloordioxide
ClO2. Er kan ook zuurstof, waterstofperoxide of ozon gebruikt worden25.
Het sulfiet proces, een ouder proces, gebruikt andere chemicaliën om lignine te verwijderen
van de houtvezels. Eerst wijzigt het zuur H2SO3 chemisch de lignine, vervolgens na
toevoeging van alkali wordt het lignine oplosbaar in water. Dit proces produceert een minder
sterk pulp dan het Kraft proces. Deze pulp is lichtbruin en moet ook nog gebleekt worden,
maar in mindere mate als bij het Kraft proces24.
Virgin vs recycled pulp
De bovenstaande pulpmethodes (zowel mechanisch als chemisch) worden gebruikt bij het
maken van ‘virgin pulp’. Bij oud papier wordt het papier opnieuw verpulpt (‘recycled pulp’),
maar volgt het een andere procedure omdat het al eens verpulpt is geweest. De vezels van
oud papier worden in suspensie gebracht met water. Dit mengsel wordt mechanisch
gescheiden van onzuiverheden zoals nietjes, lak, vernis, lijmresten, stukjes plastiek, touw…
De lange vezels worden soms gescheiden van de korte. Bijkomend kan de pulp ook ontinkt
worden via flotatie. De pulp wordt hierbij gewassen in aanwezigheid van luchtbelletjes
waardoor de inkt naar boven komt te drijven25. Pulp afkomstig van oud papier moet minder
gebleekt worden omdat het al eens gebleekt is geweest24.
Papierproductie
Tijdens het proces voor de papierproductie worden op verschillende momenten
componenten toegevoegd om het papier betere eigenschappen te geven. Het proces voor
de papierproductie dat hieronder beschreven wordt, is gebaseerd op het algemeen proces
dat SAPPI gebruikt22, 26.
19
Grondstoffen
De pulp wordt gemengd met water. Water is het belangrijkste procesmateriaal. Voor 1 kg
papier is ongeveer 100l water nodig. Dan wordt de pulp verkleind met behulp van een reeks
roterende en vaste messen. Papier dat enkel uit houtvezels zou bestaan, zou een ruw papier
met ongelijke dichtheid geven. Daarom worden vulstoffen toegevoegd aan het papier, zoals
calciumcarbonaat en kaoline. Vulstoffen hebben meerdere doelen; ze maken het papier
meer opaak en geven het een meer gecontroleerde dichtheid. Het oppervlak is gesloten, en
het geeft het papier een heldere tint. Naast mineralen zoals kaoline en titaniumdioxide,
maakt het moderne productieproces van papier uitvoerig gebruik van calciumcarbonaat, wat
een extra voordeel levert, namelijk het papier is beter bestand tegen veroudering. Het totaal
percentage aan vulstoffen kan oplopen tot 30%. Het water en de vulstoffen worden gemengd
in een reactor26.
Papiermachine
In de papiermachine wordt de pulp omgezet in een laag onafgewerkt papier. Het bestaat uit
een reeks van productieprocessen waar water uit de pulp wordt verwijderd via verschillende
systemen met behulp van roterende en stationaire rollen. Verschillende persen en warmte
(bijvoorbeeld door droogcilinders) worden gebruikt om de pulp te ontwateren. Het gedroogd
vel papier wordt vervolgens door een kalandermachine gestuurd tussen twee gepolijste
stalen cilinders op een bepaalde afstand van elkaar afgesteld, zodat de papierdikte
gelijkmatig wordt. Dan wordt de oppervlakte van het papier behandeld door middel van een
‘size pers’ en een ‘film pers’. De ‘size pers’ is geïntegreerd in de papiermachine. Het bestaat
uit een paar zachte rollen, meestal gecoat met rubber. Hier wordt ook zetmeel toegevoegd
om het papieroppervlak sterker te maken; dit zorgt ervoor dat het papieroppervlak ‘gesloten’
wordt. ‘Sizing’ bevordert het droogproces van de inkt tijdens het printen op het oppervlak van
het papier, in plaats van geabsorbeerd te worden in het papier. Het verhoogt de
kleurintensiteit, verbetert de sterkte van het oppervlak en de waterbestendigheid van het
papier. De ‘size pers’ wordt veel gebruikt om het papier voor te bereiden op het volgende
proces, namelijk de coating. Door middel van de ‘film pers’ wordt een eerste laagje gecoat op
het papier (een voordosering). Er ontstaat een uniforme coatingslaag die het oppervlak van
het papier volgt (zie figuur 10 en 11). Na elke coating wordt het oppervlak gedroogd26.
Figuur 10: Papieroppervlak22
20
Figuur 11: Papieroppervlak met pre-coatingslaag: coatingslaag volgt oppervlak van figuur22
Verdere behandeling en afwerkingsprocessen
Coating
Gecoat papier heeft veel voordelen. Het verbetert de optische en tastbare eigenschappen –
witheid en tint, glans en gladheid – maar het verbetert ook het printgedrag. Bij het coaten van
papier wordt een laag pigmenten en bindmiddelen op het oppervlak aangebracht. Er kunnen
meerdere lagen gecoat worden. De coatingcomponenten worden gemengd volgens
nauwkeurige recepten in tanks in de ‘coating kitchen’. De belangrijkste coatingcomponent is
calciumcarbonaat, die het oppervlak van het papier wit maakt, maar de coatingoplossing kan
ook klei-of talkpoeder bevatten. Deze componenten zijn poederachtig en daarom worden
bindingsmiddelen gebruikt zodat de coatingcomponenten zich aan elkaar vasthechten en
aan het papier. Bindmiddelen kunnen natuurlijk zetmeel of zuiver synthetische componenten
zoals latex zijn. Om een gladder oppervlak te creëren, worden meer dan twee lagen gecoat
per zijde. Het proces gebeurt met behulp van een mes, ‘blade coating’ genoemd. Hierbij
wordt een overtollige laag coating op het papier aangebracht en dan gedeeltelijk
afgeschraapt met een stalen mes wat een uniform oppervlak oplevert (zie figuur). Eerst
wordt op één zijde gecoat en dan wordt het papier gedroogd en dan op een andere zijde
(opnieuw gevolgd door het droogproces)26.
Figuur 12: Papieroppervlak met pre-coatingslaag22
21
Figuur 13: Papieroppervlak na coaten (1 laagje)22
Figuur 14: Papieroppervlak na coaten (2 laagjes)22
Afwerking
Het papier heeft na het coaten al de juiste basiskenmerken en de optimale
coatingsamenhang, maar nog niet een perfecte afwerking. Dit wordt bereikt tijdens het
kalanderen. Dit wordt gebruikt om het papieroppervlak extra glad en glanzend te maken. Het
papier passeert door een aantal rollen, waar bij elke rol een bepaalde druk en temperatuur
heerst. Deze rollen hebben verschillende oppervlakken, zoals hard staal en zacht rubber,
afhankelijk welk type glans en oppervlaktebehandeling vereist is26. Het papier wordt
vervolgens gesneden op de juiste grootte, verpakt en opgeslagen in een magazijn waar het
klaar is voor de verkoop.
1.3.2. Samenstelling
Papier bestaat dus niet enkel uit cellulose, hemicellulose en lignine, maar ook uit vulstoffen,
zetmeel, sizing-middelen, coatingstoffen en bindingsmiddelen die worden toegevoegd tijdens
het papierproductie-proces. In tabel 3 wordt de samenstelling van papier voorgesteld. De vulen coatingstoffen zijn anorganische componenten en worden omschreven als de ‘inorganics’.
Deze componenten kunnen een invloed hebben op de enzymatische hydrolyse. Zetmeel
wordt ook toegevoegd tijdens het papierproductie-proces en is een bron voor glucose indien
het niet verloren gaat bij het verpulpen. Het lignine is in mindere mate aanwezig, aangezien
het papier al een verpulping ondergaan heeft tijdens het papierproductie-proces.
22
Tabel 3: Samenstelling papier
Samenstelling
Lignocellulose
Cellulose
Hemicellulose
Lignine
Vulstoffen
CaCO3, kaoline, titaniumdioxide
Zetmeel
Sizing-middelen
Coatingstoffen
CaCO3, kaoline, talk
Bindingsmiddelen
Zetmeel
Oud papier dat wordt opgehaald, heeft dezelfde samenstelling, maar inclusief
inktcomponenten en onzuiverheden (plastiek, nietjes, lijmresten…).
Inorganics
Als vul- en coatingstof wordt tegenwoordig CaCO3 het meest gebruikt. Bij een lage pH is
CaCO3 niet chemisch inert en kan het met een zuur reageren. In tegenstelling tot CaCO3, is
kaoline chemisch inert over een relatief breed pH gebied27. Vroeger werd kaoline meer
gebruikt dan nu. Titaniumdioxide en talk worden maar in kleine hoeveelheden gebruikt. Er
bestaan ook nog andere anorganische componenten die gebruikt worden als vulstof of
coating, zoals silica, aluminosilicaat, aluminum trihydraat… In Noord-Amerika wordt voor
83% aan CaCO3 gebruikt als vulstof in de papierindustrie28. De samenstelling van de
inorganics CaCO3, kaoline, titaniumdioxide en talk staan in tabel 4.
Tabel 4: Samenstelling inorganics28
Inorganics
Samenstelling
CaCO3
98-100% CaCO3
Kaoline
39% Al2O3, 46% SiO2, 13% H2O
Titaniumdioxide
96% TiO2
Talk
63% SiO2, 32% MgO, 5%H2O
Deze inorganics kunnen een effect hebben op de hydrolyse-opbrengst door de cellulaseactiviteit te inhiberen of een pH-verandering te veroorzaken. Wang et al. onderzochten het
effect van CaCO3 op de enzymatische hydrolyse, met als resultaat dat het CaCO3 een pHverandering veroorzaakt waardoor de hydrolyse-opbrengst vermindert29. Om het CaCO3 te
verwijderen werd het papier ‘gewassen’ met zuur waardoor het CaCO3 werd omgezet29.
De inorganics CaCO3, kaoline en talk kunnen gedetecteerd worden via een
thermogravimetrische analyse (TGA) van TAPPI. Het kaolinegehalte kan echter niet precies
bepaald worden omdat er een overlap is voor de thermische decompositie temperatuur van
de organische fractie en voor die van kaoline. Bij een temperatuur van 400°C tot 550°C
begint de kaoline dehydroxylatie, terwijl de decompositie van cellulose dan eindigt30. Talk
kan praktisch ook niet bepaald worden omdat de dehydroxylatie van talk van 900°C tot
23
1000°C optreedt30. Deze hoge temperaturen kunnen met de moffeloven in het labo niet
bereikt worden. Aangezien kaoline en talk in mindere mate voorkomen dan CaCO3, zal enkel
CaCO3 bepaald worden via de thermogravimetrische analyse. CaCO3 wordt bepaald door
één reactie waarbij massaverlies veroorzaakt wordt over het temperatuursinterval van 607°C
tot 803°C. Wegens praktische redenen wordt het temperatuursinterval 575°C-800°C
genomen aangezien het asgehalte van lignocellulose biomassa bepaald wordt bij 575°C. Het
verlies in massa is te wijten aan de calcinatie reactie waar CO2 gas wordt vrijgelaten en het
vast residu CaO geproduceerd wordt30. De reactie gaat als volgt:
Ca2+ kan ook bepaald worden via een ICP-AES, wat dus omgerekend kan worden naar
CaCO3 (in de veronderstelling dat alle Ca2+-ionen in de CaCO3 voorkomen, wat zal leiden
naar een overschatting). In deze thesis zal dus de procedure van TAPPI gebruikt worden om
CaCO3 te bepalen omdat deze procedure specifiek op papier is gericht en deze resultaten
zullen dan vergeleken worden met de analyse van Ca2+ uitgevoerd via ICP-AES. TAPPI
heeft bovendien nog een andere procedure ter beschikking om de alkaliniteit van papier te
bepalen in termen van CaCO3, namelijk ‘Alkalinity of paper as calcium carbonate (alkaline
reserve of paper)’31. Deze procedure lijkt zeer interessant, maar is niet gratis beschikbaar.
1.3.3. Papiernevenstromen voor valorisatie naar fermenteerbare suikers
De UGent werkt samen met de Bio Base Europe Pilot Plant (BBEPP) aan het project
VISIONS, ondersteund door de Flemish Agency for Innovation by Science and Technology
(IWT). In het VISIONS project wordt een inventaris van organische nevenstromen en
bijproducten opgesteld die beschikbaar zijn in Vlaanderen. De producten worden geclusterd
afhankelijk van hun samenstelling. Voor elke cluster, wordt een efficiënte procestechnologie
vastgesteld, die de nevenstroom in een waardevolle bron omzet32.
In deze thesis wordt specifiek op papierstromen gewerkt. Binnen VISIONS zijn een aantal
papierstromen aangereikt ter valorisatie, afkomstig van verschillende bedrijven namelijk
SITA, VKP en SAPPI.
Oud papier is een nevenstroom met een groot valorisatiepotentieel. Het is in grote
hoeveelheden beschikbaar, de logistiek is reeds aanwezig en biochemisch gezien is het een
gunstig materiaal om de aanwezige suikers te valoriseren. Volgens Cobelpa wordt vanuit
Europa om de twee maanden 1,2 miljoen ton oud papier geëxporteerd naar China25. Het
bedrijf SITA zorgt voor de ophaling en verwerking van papier en karton van de huishoudens
en bedrijven in België.
Een andere potentiële nevenstroom zijn de ongeschikte papiervezels die ontstaan bij het
verpulpen van oud papier. Het bedrijf VPK recycleert papier in Dendermonde en Strasbourg.
Gerecycleerd afvalpapier wordt omgezet in een nieuwe grondstof (papier) voor de productie
van verpakkingen. Bij deze productie ontstaan er nevenstromen die ongeschikt zijn voor de
24
papierrecyclage. Deze nevenstromen kunnen gevaloriseerd worden naar fermenteerbare
suikers.
Ook reststromen, ontstaan bij de productie van virgin pulp en papier, kunnen gebruikt
worden. In het bezinksel van afvalwater gaan momenteel nog grote hoeveelheden vezels
verloren. Bij de pulping van houtchips wordt niet al het materiaal even grondig vermalen. Er
ontstaan kleine ongewenste houtfragmentjes, pinch chips genaamd, die ook verwijderd
moeten worden. In het kader van het VISIONS project gaf SAPPI Lanaken de opdracht om
het saccharificatiepotentieel van deze nevenstromen ook te onderzoeken.
25
1.4.
Saccharificatie
Einddoel van de valorisatie zijn fermenteerbare suikers. Dit gebeurt door middel van
saccharificatie met behulp van enzymcocktails (bestaande uit cellulasen, hemicellulasen,
mono-oxygenasen). De enzymen worden kort toegelicht.
1.4.1. Cellulasen
Cellulasen kunnen geproduceerd worden door bacteriën en schimmels. De schimmel
Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina) is het meest gekend organisme dat cellulolytische
enzymen produceert op industriële schaal. Deze schimmel kan ook genetisch gemodificeerd
worden33.
Cellulasen zijn een groep enzymen die cellulose hydrolyseren. Ze bestaan uit
endoglucanasen, cellobiohydrolasen en β-glucosidasen. Endoglucanasen (EG; endo-1,4-βD-glucanase, EC 3.2.1.4) vallen bij voorkeur amorfe gebieden aan, splitsen willekeurig de
interne bindingen van de glucaanketen en voorzien daarbij reducerende en niet-reducerende
uiteinden. De gevormden uiteinden van deze cello-oligosacchariden zijn op hun beurt een
substraat voor de cellobiohydrolasen (CBH; of exoglucanasen; 1,4-β-D-glucaancellobiohydrolase; EC 3.2.1.91). CBH hydrolyseren deze ketenuiteinden verder tot
cellobiose. Als laatste hydrolyseert β-glucosidase (BG; cellobiase, β-Dglucosideglucanohydrolase; EC 3.2.1.21) cellobiose verder tot glucose vanaf het nietreducerende uiteinde33. Al deze enzymen zijn hydrolasen; ze splitsen glycosidische
bindingen door additie van een watermolecule34.
Deze drie enzymen (endoglucanasen, cellobiohydrolasen en β-glucosidasen) werken in
synergie, voorgesteld op figuur 15. Het eindproduct van de endoglucanasen en de
cellobiohydrolasen, namelijk cellobiose, inhibeert de endo- en exoglucanasen door
feedbackinhibitie. Deze productinhibitie van cellobiose wordt opgeheven door βglucosidase35.
Figuur 15: Werking cellulasen (1: Endoglucanase, 2: Cellobiohydrolyase, 3: β-glucosidase, NR: niet-reducerend einde,
R: reducerend einde, C: kristallijne regio’s)13
26
1.4.2. Hemicellulasen
Hemicellulasen, die hemicellulose afbreken, bestaan uit een grote groep enzymen. Een
complexe mix van enzymen is nodig omdat de samenstelling van hemicellulose veel minder
uniform is. Bijvoorbeeld de xylaanhoofdketen wordt afgebroken door endo-1,4-β-xylanase
(EC 3.2.1.8) en β-xylosidase (EC 3.2.1.37) en de manaanhoofdketen door endo-βmannanase (EC 3.2.1.78) en β-mannosidase (EC 3.2.1.25). De vertakking wordt afgebroken
door verschillende soorten enzymen, afhankelijk wat de samenstelling is van de biomassa.
Als voorbeeld wordt op figuur 16 een glucomannaanstructuur voorgesteld met enzymen
endo-β-mannanase en β-mannosidase die de mannaanhoofdketen afbreken en als
vertakking galactose die wordt afgebroken door een α-galactosidase.
Figuur 16: Glucomannaanstructuur afbraak enzymen (wit: glucose, lichtblauw: mannose, donkerblauw: galactose,
driehoek: acetaatgroep, bol met lijn: reducerend uiteinde)36
1.4.3. Mono-oxygenasen
Er is nog een andere groep enzymen die cellulose mee helpt afbreken, namelijk de
polysaccharide mono-oxygenasen (PMO’s). Deze groep zijn proteïnen met een oxidatieve
cellulolytische activiteit, die de toegankelijkheid voor het substraat verhoogt en de activiteit
van de hydrolytische enzymen verbetert. Voorbeelden van zo’n mono-oxygenase zijn GH61,
geproduceerd door schimmels en CBM33, geproduceerd door bacteriën34.
1.4.4. Enzymcocktails
Verschillende commerciële enzymcocktails zijn ontwikkeld door bedrijven zoals Novozymes
(vb Cellic CTec2 en CTec3) en Dupont (vb Accellerase Duet en Trio) voor de versuikering
van biomassa33. Sommige cocktails bevatten mono-oxygenasen, verhoogde en verbeterde
β-glucosidasen, of ook verbeterde hemicellulolytische activiteiten37. Tijdens de experimenten
worden twee industriële enzymcocktails vergeleken met elkaar.
Industriële enzymcocktail van Dupont
Deze enzymcocktail is een enzymcomplex dat speciaal ontworpen is voor de productie van
hernieuwbare biobrandstoffen en chemicaliën die geproduceerd worden uit lignocellulose
biomassa. Dit enzymcomplex hydrolyseert lignocellulose biomassa efficiënt in
fermenteerbare monosacchariden zoals glucose en xylose. De enzymcocktail bestaat uit
27
exoglucanasen, endoglucanasen, hemi-cellulasen (ook xylanasen) en β-glucosidasen. Het
pH- en temperatuurprofiel staan weergegeven in figuren 17 en 1838.
Figuur 17: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h gebruik makend van
voorbehandeld hardhout pulp
Figuur 18: Temperatuur profiel enzymcocktail van Dupont bij pH 5.0. Activiteit gemeten gedurende 24h gebruik makend
van voorbehandeld hardhout pulp
Industriële enzymcocktail van Novozymes
Deze enzymcocktail bestaat uit een cellulase- en hemicellulase-complex dat zorgt voor de
omzetting van voorbehandeld lignocellulose materiaal in fermenteerbare suikers. De
enzymcocktail bevat cellulasen, GH61 componenten, verbeterde β-glucosidasen en
hemicellulasen39.
28
1.5.
Fermentatie
De fermenteerbare suikers worden op korte termijn toegepast in de bio-ethanolproductie,
maar deze suikers kunnen ook gebruikt worden als grondstof voor andere toepassingen.
Hier wordt niet verder op ingegaan.
Afhankelijk van de samenstelling van de biomassa worden verschillende monosacchariden
tijdens de enzymatische hydrolyse vrijgesteld. Glucose is de meest voorkomende
monosaccharide. Glucose wordt naar ethanol gefermenteerd met de gist Saccharomyces
cerevisiae. Één molecule glucose wordt gemetaboliseerd naar twee moleculen pyruvaat.
Onder anaerobe condities wordt het pyruvaat verder gereduceerd naar ethanol met vorming
van CO2. Theoretisch is de opbrengst 0,511 voor ethanol en 0,489 voor CO2 op massabasis.
Er worden ook 2 ATP’s geproduceerd die gebruikt worden voor de biosynthese van de
gistcellen40.
Van de overige monosacchariden is xylose het meest aanwezig, aangezien xylose het meest
voorkomt in hemicellulose. Het is belangrijk om ook xylose te valoriseren, aangezien dit een
aanzienlijk aandeel van de aanwezige suikers vertegenwoordigt. Xylose kan gevaloriseerd
worden naar bio-ethanol, maar kan ook nog voor andere toepassingen gebruikt worden,
namelijk omzetting naar xylitol, furfural… Xylose heeft op zich een hogere marktwaarde dan
glucose of ethanol, maar gezien een hoge ethanolopbrengst kritisch is voor de viabiliteit van
een tweede generatie bio-ethanol plant, is de fermentatie van xylose met genetisch
gemodificeerde gisten of micro-organismen op korte termijn de interessantste oplossing.
De inhibitoren furfural en HMF, ontstaan door een zure voorbehandeling, remmen de groei
van de gist en verminderen de ethanolopbrengst en productiviteit. Daarnaast treedt er ook
productinhibitie op wanneer de ethanolconcentratie te hoog wordt. Afhankelijk van de stam
kan S. cerevisiae ethanolconcentraties tot 18% tolereren8.
Voor de experimenten op de UGent wordt gebruik gemaakt van de commerciële gist
Saccharomyces cerevisiae die speciaal ontwikkeld werd voor industriële ethanolproductie,
Ethanol Red genaamd. De fermentatie gaat door bij 35°C41.
29
1.6.
Uitdagingen en strategieën
Het doel van de valorisatie is om het proces economisch haalbaar te maken. Bij voorkeur
worden zoveel mogelijk componenten gevaloriseerd aanwezig in het papier. Daarvoor wordt
bij analyses eerst de samenstelling bepaald van het papier. Wat zit er juist allemaal in? En
welke componenten zijn te valoriseren? Het zal hier voornamelijk gaan over het gehalte
glucaan, xylaan en lignine. Glucose en xylose kunnen gevaloriseerd worden naar bio-ethanol
of andere toepassingen. Lignine kan verbrand worden voor de opwekking van energie.
Het proces wordt bij voorkeur in zo’n kort mogelijke tijd uitgevoerd bij een zo laag mogelijke
enzymdosage met als voorwaarde dat het rendement nog hoog genoeg is. Om deze
enzymdosage te bepalen wordt tijdens de analyses een enzymdosagecurve opgesteld bij
laag drogestofgehalte. Hierbij wordt een zelfde hoeveelheid substraat versuikerd bij
verschillende enzymdosages. Tijd, pH, temperatuur en agitatie worden constant gehouden
over alle experimenten.
Er wordt gestreefd naar een geconcentreerde suikerstroom om de destillatiekosten te
drukken42. De reactor wordt gevuld met substraat aan een hoog drogestofgehalte. Dit brengt
echter wel een paar moeilijkheden met zich mee. Het kan leiden naar een vermindering van
glucoseopbrengsten bij enzymatische hydrolyse, wat het ‘high-solids effect’ wordt
genoemd42. Door de hoge substraatconcentratie wordt ook de viscositeit verhoogd en wordt
het papier onvoldoende gemengd. Dit geeft problemen in massa-overdracht waardoor een
niet-homogene massa wordt bekomen37. Om dit probleem te reduceren, wordt gebruik
gemaakt van het Fed Batch proces, waarbij substraat op regelmatige tijdstippen wordt
toegevoegd om de initiële viscositeit te verminderen43. Op industrieel vlak zal ook een goede
reactor moeten ontworpen worden met een goed mengsysteem die zo’n hoge viscositeit
aankan. Vervolgens leidt de hoge substraatconcentratie tot meer inhibitoren. Productinhibitie
door cellobiose zal ook stijgen37. Dit kan verholpen worden door de toevoeging van βglucosidasen waardoor productophoping van cellobiose vermeden wordt. Daarnaast kan
geopteerd worden voor SSF, hierbij gebeurt de saccharificatie en fermentatie tegelijkertijd.
Glucose wordt continu door de gist gefermenteerd, waardoor de productinhibitie van glucose
en cellobiose verminderd wordt43. Door het invoeren van een SSF wordt ook de totale
reactietijd van het proces verkort. De kans op contaminatie wordt verminderd door de
aanwezigheid van ethanol in het medium, maar wordt ook vermeerderd door de lagere
temperatuur die gunstiger is voor micro-organismen. Een ander nadeel van een SSF is dat
de saccharificatie en fermentatie nu op éénzelfde temperatuur moeten gebeuren. Hierdoor
kan de saccharificatie die het snelste doorgaat bij 50°C, slechts doorgaan bij 35°C44. Een
tegemoetkoming van dit probleem is het inlassen van een semi-SSF in plaats van een SSF.
Hierbij wordt eerst het papier vervloeid bij de optimale saccharificatietemperatuur. Op het
moment dat het papier voldoende vervloeid is, wordt de temperatuur verlaagd naar de
fermentatietemperatuur en wordt de gist toegevoegd45.
30
Door het hoge drogestofgehalte wordt de buffercapaciteit overstegen en zal de pH
aangepast moeten worden met een zuur. De aanwezigheid van CaCO3 in het papier vormt
een extra uitdaging aangezien CaCO3 niet chemisch inert is in een zure omgeving. Bij
voorkeur wordt het CaCO3 verwijderd (chemisch of mechanisch).
Enzymen kunnen ook niet-productief binden met lignine met verlaagde mobiliteit of
blokkering van het actief centrum tot gevolg. Toevoeging van surfactantia is een van de
technieken om dit fenomeen te omzeilen.
In figuur 19 worden deze problemen en oplossingen schematisch weergegeven.
Figuur 19: Uitdagingen en strategieën voor de valorisatie van papier
31
2. Materialen en methoden
2.1.
Papierstromen
VPK stelt 2 papiernevenstromen beschikbaar als potentiële grondstof voor valorisatie naar
fermenteerbare suikers. De eerste stroom, VPK genoemd, bestaat uit papiervezels die VPK
niet meer kan of wil recycleren. Deze zijn vervuild met plastiek en worden tijdens het
verpulpen afgezeefd en ingedroogd. De tweede, VPULP genoemd, is opgekuiste
recyclagepulp, dit is materiaal dat VPK normaal gebruikt om karton van te maken.
Reststromen uit de papierproductie afkomstig van SAPPI, een papierproductiebedrijf,
vormen ook een potentieel voor de valorisatie naar fermenteerbare suikers. Tijdens de
productie van het papier wordt zo veel mogelijk proceswater afgevoerd door mechanische
verwijdering. Dit proceswater bevat naast vul- en coatingstoffen ook nog vezels. Na
waterverwerking wordt het slib gedroogd met een schroefpers en verkocht aan boeren die
het op het land brengen als bodemverbeteraars. De reststroom, SAPPI genoemd, wordt ook
geanalyseerd op de mogelijkheid van valorisatie.
SITA is een papierstroom afkomstig van het gelijknamige bedrijf. SITA zorgt voor de ophaling
van papier en karton afkomstig van huishoudens en bedrijven in België. Het opgehaalde
materiaal is een heterogene papierstroom en dit bevat nog alle onzuiverheden die aanwezig
kunnen zijn in papier. Deze papiermix is in België beschikbaar in grote hoeveelheden.
Hierdoor is het mogelijk om op industriële schaal een optimaal technologisch proces op te
stellen om deze stroom te valoriseren naar fermenteerbare suikers (en eventueel te
fermenteren naar ethanol). Deze papiermix is heterogeen en bestaat uit papier, tijdschriften,
karton, gecontamineerd met plastiek/lijm, stickers, nietjes… Naast onbehandeld papier
afkomstig van SITA wordt dit materiaal ook door de Bio Base Europe Pilot Plant (BBEPP) op
verschillende manieren voorbehandeld. Van deze verschillende technieken worden stalen
geleverd aan de UGent die daar geanalyseerd worden.
Droog gemalen, natief ingezameld papier dat niet verpulpt is, wordt als SITA_DROOG
aangeduid. Papier wordt telkens in de BBEPP verpulpt, door een metaal- en
plastiekseparator gestuurd en gejetcooked. Vervolgens wordt de pulp ontwaterd door middel
van een schroefdecantor (SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR) of een schroefpers
(SITA_PULP_SCHROEFPERS). De laatste techniek heeft ook als doel om het asgehalte in
het papier te verminderen.
32
2.1.1. Mechanische voorbehandeling
Om de vezels van het papier meer beschikbaar te maken voor enzymatische aanval, wordt
in de BBEPP gebruik gemaakt met twee verschillende “high shear mills”, de Supraton Mill en
de Fryma Koruma. De aangeleverde stalen worden aangeduid met respectievelijk
SITA_SUPRATON en SITA_FRYMAKORUMA. Bij high shear mills worden de papiervezels
in de lengte uit elkaar getrokken zodat er meer oppervlak toegankelijk is voor de enzymen.
De papierstroom met naam SITA_FRYMAKORUMA is echter niet representatief aangezien
de stroom aangerijkt is met papier.
2.1.2. Chemische voorbehandeling
De papierstroom SITA_SUPRATON wordt in de UGent nog eens voorbehandeld met
verdund zwavelzuur (SITA_S_H2SO4) en verdund fosforzuur (SITA_S_H3PO4). De
reactiecondities staan in volgende tabel.
Tabel 5: Reactiecondities zure voorbehandeling
Reactiecondities
T (°C)
120 °C
Tijd (min)
30 min
V totaal (ml)
600 ml
%DS reactie
12%
%H2SO4
0,50%
%H3PO4
0,25%
Alhoewel dit met een zuur voorbehandeld werd, bleek het waswater van SITA_S_H2SO4
toch basisch, wat enkel een neutralisatie doet vermoeden van het papier in plaats van een
voorbehandeling.
33
2.1.3. Samenvatting
Al deze beschikbare papierstromen worden in volgende tabel opgesomd met een toelichting
van hun afkomst en voorgeschiedenis. Deze stromen zullen geanalyseerd worden op hun
samenstelling en saccharificatiepotentieel.
Tabel 6: Beschikbare papierstromen en uitleg
Papierstromen initialen
Bedrijf
Uitleg
VPK
VPK
Papiervezels die VPK niet meer kan of wil recycleren
VPULP
VPK
Opgekuiste pulp die VPK normaal gebruikt om karton
van te maken (geen nevenstroom)
SAPPI
SAPPI
Reststroom, mechanisch ontwaterd vezelhoudend slib
uit de proceswaterbehandeling van SAPPI
SITA_DROOG
SITA
Droog gemalen, natief ingezameld papier (niet verpulpt)
SITA_SUPRATON
SITA
SITA papier, verpulpt & Supraton Mill (in BBEPP)
SITA_S_H2SO4
SITA
SITA papier, verpulpt & Supraton Mill (in BBEPP), met
H2SO4 voorbehandeld (in UGent)
SITA_S_H3PO4
SITA
SITA papier, verpulpt & Supraton Mill (in BBEPP), met
H3PO4 voorbehandeld (in UGent)
SITA_FRYMAKORUMA
SITA
SITA papier, verpulpt & Fryma Koruma (in BBEPP)
(opmerking: geen representatief staal: aangerijkt met
papier)
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
SITA
SITA papier, verpulpt, met schroefdecantor ontwaterd
(in BBEPP)
SITA_PULP_SCHROEFPERS
SITA
SITA papier, verpulpt, met schroefpers ontwaterd (in
BBEPP)
34
2.1.4. SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Deze stroom werd verpulpt in de BBEPP. Het is afkomstig van een heterogene mix van
SITA. In deze mix worden papier, tijdschriften, karton met plastiek en lijm, stickers…
gemengd en verpulpt aan een drogestofgehalte van 5-10%DS. Het proces wordt
gecontroleerd met drukmeters om verstoppingen te vermijden in de buizen. Vervolgens
wordt de pulp naar een metaal- en plastiekseparator gestuurd om op semi-industriële schaal
het metaal en de grootste stukken plastiek tegen te houden. Hierna wordt de papierstroom
gestuurd naar de jetcooker waar het papier gesteriliseerd wordt. Door injectie van stoom
wordt de papierstroom verdund tot een drogestofgehalte van 1-2%DS. De pulp wordt
vervolgens ontwaterd door een schroefdecantor tot 45,52%DS. De pH van het papier is 7,83
(gemeten op 10%DS). Op de volgende foto’s worden de processtappen duidelijk gemaakt.
Startend met heterogene mix van SITA
Metaal- en plastiekseparator
Jetcooker
Verpulper met metaal- en plastiekseparator
Schroefdecantor
Figuur 20: Processtappen SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Deze stroom zal worden getest op de aanwezigheid van CaCO3 via de gravimetrische
methode van TAPPI en ICP-AES. Op deze stroom zullen ook experimenten uitgevoerd
worden bij hogere drogestofgehaltes waarbij de pulp wordt aangezuurd tot een pH van 4,8.
Er wordt een reactie waargenomen die doet vermoeden dat het CaCO3 reageert met zuur.
Hierop wordt later verder op ingegaan.
35
2.1.5. SITA_PULP_SCHROEFPERS
Deze pulp wordt met een schroefpers ontwaterd om het asgehalte in het papier te doen
verminderen. Er zijn drie verschillende stromen, opgesomd in tabel 7. Van deze stromen
worden het drogestof- en asgehalte bepaald om een massabalans op te stellen.
Tabel 7: Stromen schroefpers
Papierstroom
Uitleg
SITA_PULP
Pulp (gejetcooked) voor schroefpers
SITA_PULP_SCHROEFPERS
Pulp (gejetcooked) na schroefpers
SITA_PULP_FILTRAAT
Filtraat na schroefpers
Op deze papierstromen zal ook zetmeel bepaald worden. Zetmeel is een interessante
suikerstroom die gemakkelijk te valoriseren is. Het zetmeel wordt kwalitatief bepaald met een
lugoltest en kwantitatief met een enzymtest. Het zetmeelgehalte wordt op deze set van
papierstromen bepaald omdat hierbij een beeld gevormd wordt van wat er met de zetmeelen asfracties gebeurt gedurende het proces.
36
2.2.
Samenstelling papier
Papier bestaat uit cellulose, hemicellulose, lignine en additieven toegevoegd tijdens het
productieproces van papier.
2.2.1. Compositionele analyse
De samenstelling van biomassa wordt bepaald, namelijk het %DS, %as, %polysacchariden
en %lignine.
%DS en %as
Het drogestofgehalte van papier wordt gravimetrisch bepaald. 1 tot 5 gram van het materiaal
wordt gewogen en vervolgens gedroogd in een convectieoven bij 105°C. Deze meting wordt
in drievoud uitgevoerd.
Om het asgehalte te bepalen wordt gedroogd en gemalen papier in drievoud afgewogen in
getarreerde kroezen (die gedroogd zijn bij 105°C en voor 15min in de exsiccator geplaatst
zijn). Voor 24h worden de stalen verwarmd in de moffeloven bij 575°C. Nadien worden de
kroezen opnieuw voor 15min in de exsiccator geplaatst en afgewogen.
%polysacchariden en %lignine
Het gehalte aan polysacchariden en lignine wordt bepaald via de SOP ‘Total Acid Hydrolysis
of (Pretreated) Biomass’, gebaseerd op de LAP ‘Determination of Structural Carbohydrates
and Lignin in Biomass’ van NREL46.
De procedure is een tweestaps-zure hydrolyse met als doel de biomassa te fractioneren in
componenten die gemakkelijker te kwantificeren zijn. Lignine wordt afgebroken in zuuroplosbaar en onoplosbaar materiaal. Het onoplosbaar gedeelte wordt afgefilterd en gewogen
na de hydrolyse. Polysacchariden worden gehydrolyseerd tot monosacchariden en
gedetecteerd met High performance Anion Exchange Chromatography met Pulsed
Amperometric Detection (HPAEC-PAD), in dit geval het model ICS 3000 van de firma
Dionex. De acetylgroepen van hemicellulose met een xylaan backbone worden afgesplitst tot
acetaat46.
37
Werkwijze
De biomassa wordt gedroogd bij 45°C en vervolgens gemalen in een snijmolen (Fritsch
pulverisette) of een koffiemolen, afhankelijk van de staalgrootte. 300mg wordt in drievoud
afgewogen en gemengd met 4,42 ml H2SO4 72%(w/w) in een pressure tube. In een
warmwaterbad van 30°C wordt de pressure tube geïncubeerd gedurende 1 uur. Ondertussen
wordt een Sugar Recovery Standard (SRS) bereid die gebruikt wordt om de suikerverliezen
te corrigeren, te wijten aan de afbraak van suikers tijdens de zure hydrolyse. Een SRS bevat
L-arabinose, D-galactose, D-glucose, D-xylose en D-mannose. Er wordt 10ml SRS in een
pressure tube gepipetteerd, gevolgd door 4,42ml H2SO4 72%(w/w) en 65ml gedestilleerd
water. Na een uur worden de stalen uit het warmwaterbad gehaald en verdund tot een
4%zwavelzuur-oplossing door toevoeging van 75ml gedestilleerd water. De pressure tubes
worden goed geschud en vervolgens geautoclaveerd bij een temperatuur van 121°C bij een
druk van 1 bar gedurende 1 uur.
Voor een HPAEC-PAD analyse mag het staal geen anionen bevatten met een pKa < 4,75.
Alle SO42- ionen moeten dus verwijderd worden door precipitatie met Ba2+. 1 ml afkomstig
van de pressure tube wordt in een maatkolf van 25 ml gepipetteerd. Fenolftaleïne wordt
toegevoegd en Ba(OH)2 wordt toegedruppeld tot er een kleurverandering optreedt van wit
naar roze. Daarna wordt de maatkolf tot 25ml gevuld met gedestilleerd water en geschud.
Het precipitaat zakt naar beneden. Het hydrolysaat wordt gefilterd door een 45micron filter
en wordt nog eens 10x verdund, waardoor het staal in totaal 250 keer verdund wordt.
Ondertussen wordt een monosaccharide standaard gemaakt. Het detectiegebied van een
HPAEC-PAD is 1-100 µM glucose. Alle stalen worden overgebracht in HPLC vials en
geanalyseerd.
Het overgebleven hydrolysaat in de pressure tubes wordt afgefilterd in droge en getarreerde
filterkroezen. De filterkroezen worden vervolgens gedroogd in een convectieoven bij 105°C
en daarna opgewarmd in een moffeloven bij 575°C.
Detectie monosacchariden met HPAEC-PAD
De verkregen monosacchariden worden gescheiden via High Performance Anion Exchange
Chromatography (HPAEC) en gedetecteerd met Pulsed Amperometric Detection (PAD). Er
wordt gebruik gemaakt van een CarboPac PA20 kolom. Monosacchariden zijn eigenlijk
zwakke zuren. Ze zijn te scheiden bij een hoge pH met een sterke anion-uitwisselaar
stationaire fase aangezien monosacchariden een pKa-waarde hebben rond 12 - 13 die
geïoniseerd worden bij een pH-waarde boven de pKa van het analyt. Nadien worden de
monosacchariden gedetecteerd door het meten van de elektrische stroom gegenereerd door
hun oxidatie aan het oppervlak van een goudelektrode47. De omstandigheden van de
HPAEC worden in volgende tabel opgesomd.
38
Tabel 8: Omstandigheden HPAEC-PAD
Omstandigheden HPAEC
Kolom
CarboPac PA20
Injectievolume
10 µl
Mobiele fase
2 mM NaOH, ontgast
Debiet
0,450 ml/min
Kolomtemperatuur
30°C
Looptijd totaal programma
40 min (pieken tussen 6 en 15 min)
Na scheiding en detectie wordt het signaal omgezet naar een concentratie, die gecorrigeerd
wordt met de SRS-standaard. De verkregen concentraties van de monosacchariden Larabinose, D-galactose, D-glucose, D-xylose en D-mannose worden omgerekend naar het
gehalte aan overeenkomstig polysaccharide aanwezig in het papier.
2.2.2. Zetmeel bepaling
Zetmeel wordt ook soms toegevoegd bij het productieproces van papier als bindmiddel. Dit
wordt kwalitatief bepaald met een lugoltest en kwantitatief met een enzymtest.
Voor de lugoltest worden in proefbuizen aan 1ml papier bij 5%DS, drie druppels lugol
toegevoegd. Indien het drogestofgehalte van de papierstalen lager is dan 5%DS, wordt 1ml
bij lagere drogestofgehalte gebruikt. Lugol is rood-bruinachtig. Als er een kleurverandering
optreedt naar donkerblauw, wijst dit op de aanwezigheid van zetmeel.
Vervolgens wordt de hoeveelheid zetmeel kwantitatief bepaald door de zetmeelfractie
selectief te hydrolyseren met amylasen en de gevormde glucose te meten. Termamyl, de
commerciële naam van een α-amylase, hydrolyseert 1,4-α-glycosidische bindingen in
amylose en amolypectine wat oplosbare dextrines en oligosacchariden oplevert.
Amyloglucosidase (AMG), een exo-α-1,4-α-D-glucosidase, hydrolyseert 1,4- en 1,6-αbindingen in zetmeel. Hierbij worden glucose-eenheden verwijderd vanaf het niet-reducerend
einde. Deze enzymen hebben voldoende activiteit en stabiliteit bij een temperatuur van 60°C
en een pH van 4,548, 49.
Voor elk staal worden 2 reactoren van 50ml gedurende 3 uur geïncubeerd aan 60°C bij een
pH van 4,5. Aan elke reactor wordt 200mg/l natriumazide toegevoegd om te voorkomen dat
de vrijgestelde glucose verbruikt wordt door microbiële contaminanten. Één reactor bevat
20g/l biomassa, 100µl Termamyl en 100µl AMG. De andere bevat substraat, gedenatureerde
Termamyl en gedenatureerde AMG.
39
2.2.3. CaCO3 bepaling
CaCO3 dat het meest gebruikt wordt als vul- en coatingstof in de papierproductie, wordt
bepaald via een thermogravimetrische analyse (TGA) van TAPPI. Er wordt ongeveer 1g
gedroogd en gemalen papier afgewogen in getarreerde kroezen. Het asgehalte van de
stalen wordt eerst bepaald bij een temperatuur van 575°C.Nadien worden de stalen terug
opgewarmd in de moffeloven met een verhoging van 20°C/min bij een temperatuur van
800°C. Het massaverlies dat ontstaat tussen de temperatuur 575°C en 800°C, is een maat
voor CaCO3.
Ca2+-ionen worden ook bepaald via een ICP-AES. Hiervoor worden de stalen gedroogd. De
analyse gebeurt niet in het labo.
40
2.3.
Saccharificatie
Voor de valorisatie van papier wordt het papier gesaccharificeerd door middel van
enzymcocktails. Hierbij kunnen ook componenten aanwezig in het papier een effect hebben
op de hydrolyse.
2.3.1. Enzymdosagecurve 2%DS
Van elke papierstroom wordt het saccharificatiepotentieel geanalyseerd door middel van het
opstellen van enzymdosagecurves bij 2%DS waarbij de digesteerbaarheid in functie van
verschillende FPU’s/gDS wordt voorgesteld. Er wordt gebruik gemaakt van de industriële
enzymcocktail van Dupont dat een activiteit heeft van 43 FPU/ml. De enzymatische
hydrolyse gaat door bij een temperatuur van 50°C in een natriumcitraat buffer van 100mM bij
een pH van 4,8. De hydrolyse gaat door gedurende 72u. Elke FPU-dosering wordt in
drievoud uitgevoerd. 200 mg/l natriumazide wordt bij de buffer toegevoegd om contaminatie
te vermijden. De bedoeling van deze curven is om de kleinst mogelijke enzymbehoefte te
achterhalen waarbij een aanvaardbaar rendement behaald wordt. De concentratie van de
vrijgestelde glucose wordt omgerekend naar rendement. Glucose wordt gemeten met de
GOD-POD methode en monosacchariden worden gescheiden en gedetecteerd via een
HPAEC-PAD analyse analoog aan de detectie bij de compositiebepaling.
De GOD-POD procedure is een colorimetrische enzym-gekoppelde methode. Hierbij
katalyseert glucose-oxidase (GOD) de volgende reactie:
Peroxidase (POD) oxideert een organisch chromogeen, ABTS, met behulp van H2O2:
(
)
(
)
De hoeveelheid geoxideerd ABTS is recht evenredig met de oorspronkelijke
glucoseconcentratie en wordt bepaald door absorptiemetingen bij 405nm. De stalen worden
verdund in MilliQ om een glucoseconcentratie binnen het interval 10-100µM te verkrijgen.
Een glucosestandaard wordt ook gemaakt van 0 tot 100µM. De stalen worden in drievoud in
een microtiterplaat gepipetteerd en geïncubeerd bij 37°C. Als controle kan ook een HPAECPAD analyse uitgevoerd worden om de glucose-opbrengst te meten. Ook het xylosegehalte
kan dan gemeten worden.
41
2.3.2. Activiteit enzym
De activiteit van de industriële enzymcocktail van Novozymes wordt bepaald via de LAP
‘Measurement of Cellulase Activities’ van NREL50.
Theoretische achtergrond
De cellulase activiteit wordt gemeten in Filter Paper Units (FPU) en uitgedrukt in FPU/ml van
een enzymoplossing. De FPU wordt berekend door het bepalen van een enzymverdunning
dat 2,0mg reducerende suikers vrijstelt als glucose-equivalenten uitgaande van 50 mg Filter
Papier (4% omzetting) in 60 minuten. Het is belangrijk dat de FPU enkel bepaald kan worden
bij deze omzetting omdat de opbrengst van de reducerende suikers geen lineaire functie is
van de hoeveelheid enzym (2x de hoeveelheid enzym zal geen dubbele opbrengst van
reducerende suikers leveren in dezelfde tijd). Het doel is om twee verdunningen te vinden
van de oorspronkelijke enzymstockoplossing zodat 0,5ml van de verdunning een 4%
omzetting katalyseert in 60 minuten. (In de praktijk is het aangeraden om het enzym drie
keer of meer te verdunnen.) De twee verdunningen die het dichtst bij het punt liggen van de
vrijlating van de 2,0mg reducerende suikers, worden gebruikt om de activiteit (in FPU/ml) van
de oorspronkelijke enzymstockoplossing te berekenen. Bij voorkeur liggen de twee
verdunningen het dichtst bij 1,9 en 2,1mg om voldoende nauwkeurigheid toe te laten. De
berekening van de enzymverdunning wordt dan bepaald door interpolatie.
Werkwijze
De enzymstockoplossing wordt 3x (of meer) verdund. 1 ml acetaatbuffer wordt met 50 mg
opgerold Whatman N°1 filterpapier gemengd en 500 µl van elke enzymverdunning (totaal
reactievolume van 1,5 ml) in een schudincubator bij 50°C voor 60 minuten. De stalen worden
in drievoud geanalyseerd en een blanco wordt ook ingezet (opgekookt enzym wordt achteraf
toegevoegd). Na de reactie wordt het staal 20x verdund en gemengd met PAH-BAH
reagens. Een glucosestandaard van 0 tot 800 µM wordt ook gemaakt en gemengd met PAHBAH reagens. Al de stalen worden in een warmwaterbad geplaatst gedurende 6 minuten en
de absorbantie wordt bepaald bij 410nm.
Berekeningen
Een lineaire glucosestandaard curve wordt geplot. Met de correlatie van de absorbantie ten
opzichte van de glucoseconcentratie wordt voor elk staal het gehalte aan vrijgestelde
reducerende suikers als glucose-equivalenten bepaald na compensatie van de blanco. Het
negatief logaritme van de enzymconcentratie wordt geplot ten opzichte van de hoeveelheid
reducerende suiker. De vereiste enzymconcentratie die 2,0 mg glucose-equivalenten vrijstelt,
wordt gevonden door een rechte lijn te tekenen tussen de geplotte waarden het dichtst bij 2,0
mg. De vergelijking van deze rechte wordt gebruikt om te interpoleren tussen de twee
punten. Met de vergelijking van de rechte, wordt de enzymverdunning berekend en gebruikt
in de volgende formule om de FPU in units/ml te berekenen.
42
[
]
De concentratie [enzym] stelt de enzymverdunning voor van waar 0,5ml toegevoegd is.
(
)
(
(
)
)
In het labo
De activiteit wordt bepaald van de industriële enzymcocktail van Novozymes. Het aantal
FPU/ml wordt geschat op 180, 160 en 140 FPU/ml. De enzymstockoplossing wordt voor
deze schatting 480x, 420x en 370x verdund. De bovenstaande werkwijze wordt vervolgens
gevolgd.
Als het aantal FPU/ml gekend is, wordt SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
gehydrolyseerd met de twee industriële enzymcocktails van Dupont en Novozymes en zullen
de resultaten vergeleken worden. Bij de andere experimenten wordt steeds de enzymcocktail
van Dupont gebruikt.
2.3.3. Invloed van inorganics op hydrolyse
Tijdens het productieproces van papier worden additieven toegevoegd om de
eigenschappen van papier te verbeteren. Als vul- en coatingstof kunnen CaCO3, kaoline en
talk gebruikt worden. Het effect op de enzymatische hydrolyse van deze componenten wordt
onderzocht op Whatman N°1 filterpapier en op de papierstroom
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR. De hydrolyse gaat door gedurende 72h bij 50°C in een
100mM natriumcitraatbuffer van pH 4,8 aan een substraatconcentratie van 20g/l. Er wordt
telkens gewerkt met de industriële enzymcocktail van Dupont, voor het Whatman N°1
filterpapier aan 4,3FPU/gDS en voor SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR aan 2,15
FPU/gDS. Er wordt 10%/gDS anorganisch component aan de stalen toegevoegd (CaCO3,
kaoline of talk). De pH van alle stalen wordt telkens op het einde van de hydrolyse gemeten.
43
2.4.
Uitdagingen
Bij het verhogen van het drogestofgehalte ontstaan er verschillende problemen (zoals
onvoldoende menging en massa-overdracht, verhoging inhibitie, reactie tussen zuur en
CaCO3 tijdens aanzuring…). Deze problemen worden in de praktijk onderzocht.
2.4.1. Invoeren Semi-SSF met Fed Batch
Door middel van een Fed Batch systeem wordt de menging verbeterd en wordt de massaoverdracht bevorderd. De productinhibitie kan verholpen worden door het invoeren van een
SSF (Simultane Saccharificatie en Fermentatie) waardoor er geen cellobiose- en glucoseophoping ontstaat. De saccharificatie en fermentatie worden ook in kortere tijd uitgevoerd.
De inhibitie van lignine op het enzym kan verholpen worden door toevoeging van
surfactantia, maar in deze thesis wordt hier niet verder op ingegaan. Een SSF heeft als
nadeel dat de optimale temperatuur van de saccharificatie niet meer bereikt wordt, waardoor
overgeschakeld wordt naar een Semi-SSF met een aparte vervloeiing voor de toevoeging
van de gist bij optimale saccharificatietemperatuur. Deze problemen met bijkomende
oplossingen worden in de praktijk uitgetest. Er wordt een Semi-SSF uitgevoerd op een
papierstroom (SITA_SUPRATON). Het is niet zo belangrijk welke papierstroom gebruikt
wordt, aangezien dit experiment enkel wordt uitgevoerd om mogelijke problemen (met
bijkomende oplossingen) vast te stellen.
Werkwijze
Er wordt gestart van 125g/l substraatconcentratie op een totaalvolume van 500ml. Het doel
is om een eindvolume van 2l te bekomen aan 400g/l substraatconcentratie.
De reactie gaat door in een geroerde en gethermostatiseerde reactor van maximum 3l. Er
wordt gebruik gemaakt van een 800mM natriumcitraat buffer van pH 4,8. De vervloeiing
gebeurt tijdens de eerste 17,25h bij 50°C met de industriële enzymcocktail van Dupont. Na
17,25h wordt de temperatuur gereduceerd naar 35°C en wordt de gist, Ethanol Red,
toegevoegd door middel van toevoeging van 50ml bereid propagatiemedium. In totaal duurt
de Semi-SSF 67,5h. De berekeningen zijn gebaseerd op de veronderstelling dat op het
einde een totaalvolume van 2l gehaald zou worden aan een drogestofgehalte van 40%. Voor
de additie van substraat staan gesteriliseerde erlenmeyers biomassa aan 41,1%DS klaar.
Voor verdere verhoging van het finaal drogestofgehalte wordt ook luchtgedroogde biomassa
voorbereid. Tijdens het verloop van de Semi-SSF zal visueel duidelijk worden hoeveel
substraat er toegevoegd kan worden waarbij de biomassa nog op een efficiënte manier
gemengd wordt.
Op het einde van de Semi-SSF wordt 5,38 FPU/gDS verwacht, berekend op een
totaalvolume van 2l aan 40%DS. In het begin wordt er dus gewerkt aan 68,8FPU/gDS in een
volume van 500ml aan 12,5%DS.
44
Op verschillende tijdstippen worden stalen genomen (na 17h, 23h, 39h, 47,5h en 67,5h). Er
wordt telkens een staal genomen voor toevoeging van vers substraat omdat het medium dan
vloeibaarder is. Ook van het gehydrolyseerd propagatiemedium wordt een staal genomen.
Op het einde van de Semi-SSF wordt de vloeistof gecentrifugeerd. Het vloeibaar gedeelte
wordt gefilterd voor de bepaling van %ethanol met de Anton Paar.
Bereiding propagatiemedium
Het propagatiemedium wordt bereid aan een drogestofgehalte van 12% biomassa op een
totaalvolume van 100ml.
Om een pH van 4,8 te bereiken, wordt gebruik gemaakt van een 100mM natriumcitraatbuffer.
1g gistextract en 1g pepton worden toegevoegd als nutriëntenvoeding voor de gist. Dit
mengsel wordt gesteriliseerd in de autoclaaf. Vervolgens wordt 8,8ml van de industriële
enzymcocktail van Dupont toegevoegd aan 31,4 FPU/gDS. De hydrolyse gebeurt bij 50°C op
een schudplaat gedurende 72h. Na de hydrolyse wordt er een staal genomen en wordt de
pH aangepast door toevoeging van citroenzuur (5.20  4.92). Nadien wordt de gist
toegevoegd en na 24h wordt de gist geteld. De gist zal zich ongeveer 2 tot 3x gedeeld
hebben.
%ethanol bepalen
Kwantitatief wordt het ethanolgehalte gemeten met de Alcolyzer® van de Anton Paar gebruik
makend van NIR spectroscopie. De ethanolmeting is gebaseerd op infrarood absorptie. De
Alcolyzer® meet in een zeer specifiek ethanol spectraal gebied en gebruikt een algoritme om
de alcoholinhoud te bepalen. Er wordt gekalibreerd met gedestilleerd water en 70%
ethanol51.
45
2.4.2. CaCO3 verwijderen
Bij experimenten aan hoog drogestofgehalte wordt het papier aangezuurd met een zuur tot
gewenste pH 4,8 in plaats van te werken met een buffer. In het papier is er echter CaCO 3
aanwezig dat kan reageren met het toegevoegde zuur. Ook andere componenten aanwezig
in het papier (andere inorganics, cellulose, hemicellulose of lignine) kunnen reageren met het
zuur. Van CaCO3 wordt verwacht de grootste invloed te hebben aangezien tijdens de
experimenten een reactie wordt waargenomen dat doet vermoeden dat CaCO3 met zuur
reageert. Het theoretisch aspect wordt toegelicht waarop volgende experimenten gebaseerd
zijn.
Waarneming
Na verschillende experimenten wordt duidelijk dat er een reactie gebeurt in het papier na
toevoeging van zuur. Tijdens het mengen ontstaan er gasbelletjes en na een tijdje stijgt de
pH weer. Voor een enzymatische hydrolyse moet de pH echter constant blijven (of binnen
een bepaald pH-interval) zodat de enzymcocktail nog een voldoende hoge enzymactiviteit
heeft.
Reactie CaCO3 met zuur
Er wordt even dieper ingegaan op de reactie CaCO3 met zuur. Dit is een simplistische
voorstelling want in de praktijk kunnen ook nog andere componenten reageren met zuur.
Door de reactie van CaCO3 met zuur wordt er een buffersysteem gevormd, namelijk het
carbonaat-dicarbonaat buffersysteem. De 2 evenwichtsreacties van het carbonaat- en
dicarbonaat buffersysteem zijn de volgende:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
Bij het toevoegen van H+-ionen schuift het evenwicht naar rechts en daalt de pH. Er wordt
meer H2CO3 gevormd. Hierdoor schuift het evenwicht terug naar links en stijgt de pH weer.
Het vormt dus een buffersysteem door vorming van het zwak zuur H2CO3 en geconjugeerde
base HCO3- dat verschillen in de pH tegengaat. Daarbovenop staat H2CO3 in evenwicht met
water en CO2 dat opgelost is in water. Het laatste staat in evenwicht met CO2 in de lucht. Dit
is waarneembaar door de vorming van gasbellen. De reacties zijn de volgende:
(
)
(
(
)
)
( )
Bij verhoging van de temperatuur vermindert de oplosbaarheid van CO2 volgens de wet van
Henry. Daardoor komt er meer CO2 vrij. Hierdoor daalt ook de hoeveelheid H2CO3 waardoor
de buffercapaciteit verzwakt. Als de buffercapaciteit zakt, zal de pH dus niet meer zo
afhankelijk zijn van de buffer wat de bedoeling is zodat de pH in een bepaald gebied blijft
46
waarbij de enzymen nog een voldoende hoge activiteit hebben. Een temperatuursverhoging
zal dus toegepast worden in de experimenten.
Als zwavelzuur wordt toegevoegd, wordt volgende reactie verkregen:
Met fosforzuur wordt deze reactie verkregen:
(
)
Bij toevoeging van elk zuur wordt het carbonaat-dicarbonaat buffersysteem telkens gevormd
en het overeenkomstig zout met Ca++. De reacties hebben wel een andere stoichiometrie. Bij
fosforzuur is er 2/3 minder zuur nodig om dezelfde hoeveelheid CaCO3 om te zetten in
vergelijking met zwavelzuur.
Bovendien reageert Ca++ met water wat leidt tot de vorming van Ca(OH)2 (basisch product).
Experimenten
Er worden verschillende experimenten uitgevoerd. Eerst wordt H2SO4 toegevoegd bij de pulp
tot op gewenste pH-waarde door middel van een titratie met als doel de hoeveelheid H2SO4
te achterhalen die moet worden toegevoegd om pH 4,8 te bereiken. Dit wordt uitgevoerd op
verschillende substraten. Steeds zijn er gasbellen te zien tijdens het mengen en is een
stijging in de pH zichtbaar.
Andere experimenten worden ingezet waarbij de pulp 3x gewassen wordt met H2SO4 voor
10min en waarbij de pulp 1x gewassen wordt met H2SO4 voor 15h. Dit leverde geen nuttige
resultaten op. De pulp was na de wasbeurt heel zuur en moest meermaals gewassen met
water (of toevoeging van NaOH) om op de gewenste pH te komen met als doel een
enzymatische hydrolyse in te zetten (met of zonder buffer).
Ten slotte wordt de pulp gewassen met zuur bij een hogere temperatuur. Dit lijkt het meest
efficiënt. Volgens de theorie zal door de verhoging van temperatuur de buffer verzwakt
worden. Dit wordt getest met zwavel- en fosforzuur. Er wordt gewerkt met de papierstroom
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR aan een drogestofgehalte van 7,5%DS omdat het
belangrijk is dat er nog goed gemengd kan worden zodat de reactie efficiënt kan doorgaan.
Er wordt gewassen met 15%zuur/gDS op een totaalvolume van 1l. In een reactor wordt de
pulp gemengd voor 2h bij 50°C. Bij deze reactie worden er heel veel gasbellen gevormd en
is er duidelijk een reactie te zien. Dit wordt voorgesteld op volgende foto:
47
Gasbellen
Figuur 21: Reactie zuur en CaCO3: vorming van CO2-gasbellen
Het gehalte aan CaCO3 wordt nadien gemeten via een thermogravimetrische analyse.
Nadien, als de gewenste pH bekomen wordt, zal er een enzymatische hydrolyse ingezet
worden.
48
3. Resultaten
3.1.
Samenstelling papier
De compositionele analyse van alle beschikbare papierstromen levert de volgende resultaten
op, opgesomd in tabel 9. Het gehalte aan galactaan en arabinaan staan niet in de tabel
opgesomd, aangezien deze in zeer kleine hoeveelheden voorkomen in papier. Ze zijn wel
meegerekend in de massabalans (%totaal).
Tabel 9: Samenstelling papierstromen
Papierstroom
%DS
%glucaan
%xylaan
%mannaan
%as
%lignine
%totaal
VPK
38,7
54,4
8,3
4,5
9,9
22,2
100,5
VPULP
26,7
53,8
8,2
4,0
14,9
11,2
93,2
SAPPI
48,6
35,5
4,6
4,9
24,2
23,7
94,5
SITA_DROOG
94,6
52,6
9,3
4,5
19,9
11,7
97,9
SITA_SUPRATON
41,1
52,4
10,5
1,8
15,0
9,3
89,0
SITA_S_H2SO4
34,4
*
SITA_S_H3PO4
36,0
*
SITA_FRYMAKORUMA
37,2
61,0
10,6
1,2
11,5
4,3
88,9
SITA_PULP_SCHROEFDECAN
TOR
42,5
46,2
7,8
3,2
19,1
9,3
86,5
SITA_PULP_SCHROEFPERS
51,6
54,0
8,9
3,8
16,3
10,3
93,7
* voorbehandelde SITA_SUPRATON, samenstelling niet benodigd voor bepaling totaal rendement VBH + hydrolyse
De massabalans is echter niet bij elke papierstroom gesloten. Dit kan te wijten zijn aan de
inherente fout op de analyse en het feit dat tijdens de zure hydrolyse acetaat wordt
afgesplitst van hemicellulose en zuur oplosbare fragmenten afkomstig van lignine. Deze
componenten worden niet gemeten.
3.1.1. Massabalans papierstromen schroefpers
Na de drogestof- en asbepaling van de papierstromen SITA_PULP,
SITA_PULP_SCHROEFPERS en SITA_PULP_FILTRAAT worden volgende resultaten
bekomen:
Figuur 22: Massabalans papierstromen schroefpers
De behandeling van het pulp door de schroefpers levert een asvermindering van 2,50% op.
49
3.1.2. Zetmeel bepaling
De papierstromen SITA_DROOG en de drie stromen van de schroefpers (SITA_PULP,
SITA_PULP_FILTRAAT, SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR) worden getest op de
aanwezigheid van zetmeel.
De resultaten van de lugoltest worden waargenomen op volgende foto’s:
VOOR
NA
Met 1 = SITA_DROOG, 2 = SITA_PULP, 3 = SITA_PULP_FILTRAAT, 4 = SITA_PULP_SCHROEFPERS
Figuur 23: Resultaat lugoltest
De papierstroom SITA_DROOG heeft een duidelijke aanwijzing op aanwezigheid van
zetmeel. Dit is ook waar te nemen bij de papierstroom SITA_PULP_SCHROEFPERS.
50
Het papier wordt vervolgens gehydrolyseerd door toevoeging van Termamyl en AMG.
SITA_DROOG bevat met 2,98% zetmeel/gDS het hoogste gehalte, gevolgd door
SITA_PULP_SCHROEFPERS (0,90% zetmeel/gDS) en SITA_PULP(0,48% zetmeel/gDS).
In SITA_PULP_FILTRAAT werd door de grote verdunning van het papier in het water tijdens
de behandeling geen zetmeel meer gemeten. In figuur 24 en tabel 10 worden de resultaten
samengevat.
Zetmeelbepaling
Papierstroom
SITA_PULP_SCHROEFPERS
SITA_PULP_FILTRAAT
SITA_PULP
%zetmeel/gDS
SITA_DROOG
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
%zetmeel/gDS
Figuur 24: Zetmeelbepaling
Met bijhorende gegevens:
Tabel 10: Zetmeelbepaling
Papierstroom
SITA_DROOG
%DS
%glucose/gDS
%zetmeel/gDS
94,60
3,31
2,98
SITA_PULP
4,33
0,54
0,48
SITA_PULP_FILTRAAT
0,42
0,00
0,00
51,56
1,00
0,90
SITA_PULP_SCHROEFPERS
Bij de ontwatering met de schroefpers gaat geen zetmeel verloren, aangezien de pulp na de
schroefpers nog zetmeel bevat. De bespreking hiervan volgt nog.
51
3.1.3. CaCO3 bepaling
Thermogravimetrische analyse
Via een thermogravimetrische analyse volgens TAPPI wordt het CaCO3 gehalte bepaald van
de papierstromen SITA_DROOG en SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR. De resultaten
staan in volgende tabel.
Tabel 11: CaCO3 bepaling TGA
Papierstromen
%as
%CaCO3
% stdev CaCO3
SITA_DROOG
19,9
10,7
0,6
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
19,1
11,2
0,9
SITA_DROOG bestaat uit 19,9%as, waarvan ongeveer de helft CaCO3 is, idem voor
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR.
ICP-AES
Met behulp van een ICP-AES worden Ca2+-ionen bepaald en het resultaat staat in volgende
tabel:
Tabel 12: CaCO3 bepaling ICP-AES
2+
Papierstromen
ppm Ca
%CaCO3
SITA_DROOG
61300
15,31%
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
67600
16,88%
Er wordt meer CaCO3 gemeten in vergelijking met de thermogravimetrische analyse, maar
dit kan een overschatting zijn aangezien verondersteld wordt dat alle Ca2+-ionen in de
CaCO3-vorm voorkomen.
52
3.2.
Saccharificatie
Van elke papierstroom wordt het saccharificatiepotentieel geanalyseerd. De
enzymdosagecurves bij 2%DS staan in volgende grafiek.
Papiernevenstromen sacch - potentieel
%rendement
2% - Enzymcocktail Dupont
VPK
VPULP
120,00
SAPPI
100,00
SITA_DROOG
80,00
SITA_SUPRATON
60,00
SITA_S_H2SO4
40,00
SITA_S_H3PO4
20,00
SITA_FRYMAKORU
MA
SITA_PULP_SCHRO
EFDECANTOR
0,00
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
FPU/gDS
Figuur 25: Saccharificatiepotentieel papierstromen
Bij lage enzymdosages wordt waargenomen dat de stroom
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR de beste rendementen behaald, gevolgd door
SITA_FRYMAKORUMA. De papierstromen behandeld met zuren geven ook een beter
rendement ten opzichte van de oorspronkelijke stroom waarbij het zuur H3PO4 een beter
resultaat geeft dan H2SO4.
De bijhorende gegevens staan in tabel 13.
Tabel 13: Saccharificatiepotentieel papierstromen
Papierstroom
FPU/gDS
g/l glucose
g/l stdev
%rendement
% stdev
VPK
2,69
6,48
0,41
53,62
3,43
5,38
7,99
0,46
66,14
3,82
10,75
8,52
0,48
70,57
3,95
2,69
7,18
0,52
60,15
4,29
5,38
7,79
0,27
65,26
2,24
10,75
8,03
0,42
67,25
3,47
2,69
1,99
0,06
25,24
0,54
5,38
2,58
0,11
32,72
0,88
10,75
2,87
0,11
36,36
0,88
2,69
7,22
0,35
61,83
2,86
5,38
8,30
0,26
71,09
2,15
VPULP
SAPPI
SITA_DROOG
53
SITA_SUPRATON
SITA_S_H2SO4
SITA_S_H3PO4
SITA_FRYMAKORUMA
SITA_PULP_SCHROEFDE
10,75
8,72
0,33
74,67
2,70
2,69
7,27
0,50
62,46
4,11
5,38
9,14
0,30
78,55
2,45
10,75
9,78
0,35
84,11
2,92
2,69
8,27
0,49
71,10
4,03
5,38
9,38
0,30
80,65
2,45
2,69
8,87
0,77
76,23
6,35
5,38
10,87
0,79
93,48
6,55
2,69
10,24
0,37
75,63
3,09
5,38
13,06
0,72
96,44
5,92
10,75
13,52
0,86
99,87
7,15
2,15
8,50
0,66
82,88
5,47
4,3
9,57
0,79
93,31
6,54
6,45
10,19
0,29
99,35
2,40
CANTOR
3.2.1. Xylose-opbrengst
Met een HPAEC-PAD analyse wordt xylose nog eens gedetecteerd op het hydrolysaat van
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR. Tegelijkertijd wordt glucose ook nog eens gemeten en
wordt deze waarde vergeleken met de waarde bekomen via de GOD-POD methode. De
glucose- en xylose opbrengsten staan in volgende grafiek:
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Saccharificatie 2%DS met enzymcocktail
Dupont
g/l vrijgekomen
suiker
14
12
10
8
6
4
2
0
Glucose - GOD-POD
Glucose - HPAEC-PAD
Xylose - HPAEC-PAD
0
5
10
FPU/gDS
Figuur 26: Xylose-en glucose-opbrengst SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
54
Het procentuele rendement staat in volgende grafiek:
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Saccharificatie 2%DS met enzymcocktail
Dupont
%rendement
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
Glucose - GOD-POD
Glucose - HPAEC-PAD
Xylose - HPAEC-PAD
0
2
4
6
8
FPU/gDS
Figuur 27: %rendement xylose en glucose SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Met bijhorende data:
Tabel 14: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Papierstroom
Analysetechniek
FPU/gDS
g/l glucose
g/l
stdev
%rendement
%
stdev
SITA_PULP_
GOD-POD
2,15
8,50
0,66
82,88
5,47
4,3
9,57
0,79
93,31
6,54
6,45
10,19
0,29
99,35
2,40
2,15
9,39
0,39
91,54
3,54
4,3
9,99
/
97,45
/
6,45
11,54
/
112,51
/
SCHROEFDECANTOR
HPAECPAD
Tabel 15: Xylose-opbrengst en rendementen saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Papierstroom
Analyse-
FPU/gDS
g/l xylose
techniek
SITA_PULP_
SCHROEFDECANTOR
HPAECPAD
g/l
%rendement
stdev
%
stdev
2,15
1,77
0,07
99,73
3,44
4,30
2,01
/
113,12
/
6,45
2,18
/
122,92
/
55
3.2.2. Activiteit industriële enzymcocktail
De activiteit van de enzymcocktail van Novozymes wordt bepaald aan de hand van de LAP
‘Measurement of Cellulase Activities’ van NREL. Het aantal FPU/ml wordt geschat op 180,
160 en 140 FPU/ml. De enzymstockoplossing wordt voor deze schatting 480x, 420x en 370x
verdund. Het resultaat staat in volgende grafiek:
Activiteit bepaling enzymcocktail
Novozymes - Bij verdunning 480x, 420x en 370x
- log (enzym- 2,70
verdunning)
2,68
y = -0,0775x + 2,8138
R² = 1
2,66
2,64
480x-420x rechte
2,62
370x
2,60
Lineair (480x-420x rechte)
2,58
2,56
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
Massa glucose (mg)
Figuur 28: Activiteit bepaling enzymcocktail Novozymes
Er wordt een rechte getrokken door de punten die het dichtst bij 2,0mg liggen, dit zijn de
punten bij een 480x-verdunning en een 420x-verdunning. Met de vergelijking van deze
rechte wordt het aantal FPU/ml berekend:
(
)
(
(
)(
)
)
De activiteit van de enzymcocktail van Novozymes is 168,88 FPU/ml.
56
Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails van Dupont en
Novozymes
Op de papierstroom SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR wordt een enzymatische hydrolyse
ingezet bij 2%DS met de enzymcocktails van Dupont en Novozymes bij lage FPU/gDS. De
enzymcocktail van Dupont heeft een activiteit van 43 FPU/ml en de enzymcocktail van
Novozymes één van 169 FPU/ml. De resultaten staan in volgende grafiek, uitgedrukt in
%rendement.
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Saccharificatie 2%DS
%rendement
120
100
80
60
40
20
0
Enzymcocktail
Novozymes
Enzymcocktail
Dupont
0
2
4
6
8
FPU/gDS
Figuur 29: Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails van Dupont en Novozymes
Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails van Dupont en
Novozymes Met bijhorende data:
Tabel 16: glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met enzymcocktails
van Dupont en Novozymes
Enzymcocktail
FPU/gDS
g/l glucose
g/l stdev
%rendement
% stdev
Novozymes
3,38
8,01
0,26
78,02
2,50
6,76
9,84
0,25
95,92
2,41
2,5
9,31
0,32
90,81
3,07
5
10,39
0,41
101,26
3,99
Dupont
Er is voor dezelfde enzymactiviteit echter een kleiner volume van de enzymcocktail van
Novozymes benodigd dan de enzymcocktail van Dupont. De gegevens staan in tabel 17.
Tabel 17: Volume enzym toegevoegd
Novozymes
Dupont
FPU/gDS
Volume (ml)
enzym toegevoegd
3,38
0,006
6,76
0,011
2,5
0,012
5
0,023
57
3.2.3. Invloed van inorganics op hydrolyse
De inorganics CaCO3, kaoline en talk worden bij het papier toegevoegd (10%/gDS) en het
effect op de enzymatische hydrolyse van deze componenten wordt geanalyseerd.
Whatman N°1 filterpapier
De glucose-rendementen van de enzymatische hydrolyse op Whatman N°1 filterpapier staan
in figuur 30. Er wordt geen groot effect waargenomen.
Whatman N°1 filterpapier
Saccharificatie bij 4,3 FPU/gDS
Whatman + 10%talk
Whatman + 10%CaCO3
Whatman + 10%kaoline
%rendement glucose
Whatman
0
20
40
60
80
100 %rendement
Figuur 30: Saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met toevoegingen
Met bijhorende data:
Tabel 18: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met toevoegingen
Papierstroom bij 2%DS
g/l glucose
g/l stdev
%rendement
% stdev
Whatman
14,73
0,39
66,34
1,74
Whatman + 10%kaoline
14,85
0,38
66,88
1,69
Whatman + 10%CaCO3
13,56
0,73
61,10
3,28
Whatman + 10%talk
13,80
0,91
62,17
4,08
Na het einde van de enzymatische hydrolyse wordt de pH gemeten. De gegevens staan in
tabel 19. Er wordt waargenomen dat CaCO3 een effect heeft op de pH.
Tabel 19: pH na saccharificatie Whatman N°1 filterpapier met toevoegingen
Papierstroom bij 2%DS
pH einde
stdev
Whatman
4,77
0,03
Whatman + 10%kaoline
4,77
0,01
Whatman + 10%CaCO3
5,10
0,01
Whatman + 10%talk
4,77
0,00
58
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
De glucose-rendementen van de enzymatische hydrolyse op
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR staan in figuur 31. Er wordt een negatief effect
waargenomen op de enzymatische hydrolyse bij toevoeging met CaCO3.
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
Saccharificatie bij 2,15 FPU/gDS
10%talk
Additieven
10%CaCO3
10%kaoline
%rendement glucose
/
0
20
40
60
80
100
%rendement
Figuur 31: Saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen
Met bijhorende data:
Tabel 20: Glucose-opbrengst en rendementen saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen
Papierstromen
bij 2%DS
Toevoeging
g/l glucose
g/l stdev
%rendement
%
stdev
SITA_PULP_
/
8,50
0,66
82,78
6,45
SCHROEFDECANTOR
10%kaoline
8,34
0,51
81,21
5,01
10%CaCO3
5,74
1,37
55,86
13,31
10%talk
8,63
0,49
84,08
4,79
De pH wordt ook gemeten na het einde van de enzymatische hydrolyse. De resultaten staan
in tabel 21. Opnieuw wordt waargenomen dat CaCO3 zorgt voor een sterke pH-stijging.
Tabel 21: pH na saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen
Papierstromen
Toevoeging
pH einde
stdev
SITA_PULP_
/
5,25
0,11
SCHROEFDECANTOR
10%kaoline
5,35
0,06
10%CaCO3
6,08
0,10
10%talk
5,33
0,10
bij 2%DS
59
Hier wordt een sterker verschil in pH-waarden waargenomen dan bij het substraat Whatman.
Deze waarden worden nog eens vergeleken met de pH-range waarbij de activiteit van de
enzymcocktail het grootst is (zie figuren 32 en 33). Bij pH 6 daalt de activiteit van de
enzymen sterk. De bespreking volgt nog.
pH
pH
6,50
6,00
5,50
5,00
SITA_PULP_SCHROEFDECANT
OR
4,50
4,00
3,50
/
10%kaoline 10%CaCO3
10%talk
Toevoeging
Figuur 32: Effect pH na saccharificatie SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR met toevoegingen
Figuur 33: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h gebruik makend van
voorbehandeld hardhout pulp
60
3.3.
Uitdagingen
3.3.1. Invoeren Semi-SSF met Fed Batch
Op SITA_SUPRATON wordt een Semi-SSF uitgevoerd met een Fed Batch systeem.
Na 15,25h, 23h en 47,5h wordt biomassa toegevoegd aan 41,1%DS. Na 17,25h wordt gist
toegevoegd (afkomstig van het propagatiemedium vertrekkende van 12%DS biomassa). Het
enzym wordt in het begin toegevoegd aan 68,80 FPU/gDS en daalt gedurende de Semi-SSF
door toevoeging van substraat. Door deze toevoeging verhoogt het %DS. Het einddoel was
40%, maar hier wordt echter na 47,5h 21,5%DS bereikt in een totaalvolume van 804ml. De
resultaten staan in tabel 22.
Tabel 22: Verloop Semi-SSF: stijging in %DS en daling in FPU/gDS
TOEVOEGINGEN
Tijd(h)
%DS
FPU/gDS
500
12,5
68,80
92,5
573
16,1
46,49
17,25
98,5
623
15,8
43,65
Toevoeging 2x73g biomassa
2x30gDS aan 41,1%DS
23
158,5
769
20,6
27,13
Toevoeging 35g biomassa
47,5
172,89
804
21,5
24,87
Begin biomassa
Massa droge
Volume
stof (g)
totaal (ml)
0
62,5
15,25
62,5gDS aan 12,5%DS op 500ml
Toevoeging 73g biomassa
30gDS aan 41,1%DS
Toevoeging 50ml propagatiemedium
6gDS aan 12%DS
14,39gDS aan 41,1%DS
Het glucosegehalte wordt ook gemeten van stalen genomen op 17h, 23h, 39h, 47,5h en
67,5h. De stalen werden telkens genomen voor toevoeging substraat. Er wordt ook een
glucosemeting uitgevoerd op een staal van het hydrolysaat van het propagatiemedium. Na
17,25h wordt 50ml van het propagatiemedium toegevoegd. De vrije suikers van het
propagatiemedium worden mee in rekening gebracht. De metingen worden uitgevoerd via de
GOD-POD methode en de HPAEC-PAD analyse. De resultaten staan in tabel 23:
Tabel 23: Glucose-opbrengst en rendementen Semi-SSF SITA_SUPRATON
Tijd(h)
g/l glucose
GOD-POD
g/l glucose
HPAEC-PAD
%DS
reactie
%rendement
GOD-POD
%rendement
HPAEC-PAD
0
0
0
12,5
0
0
17
58,55
56,42
16,1
62,53
60,25
17,25
55,70
54,06
15,8
60,61
58,82
23
37,19
34,51
15,8
40,47
37,56
39
0
3,09
20,6
0
2,58
47,5
0
2,94
20,6
0
2,46
67,5
0
2,71
21,5
0
2,16
61
Het xylosegehalte wordt ook gedetecteerd met de HPAEC-PAD analyse. Dit geeft de
volgende resultaten:
Tabel 24: Xylose-opbrengst en rendementen Semi-SSF SITA_SUPRATON
Tijd(h)
g/l xylose
HPAEC-PAD
%DS
reactie
%rendement
HPAEC-PAD
0
0
0
0
17
13,49
16,1
94,53
17,25
13,35
15,8
95,32
23
13,38
15,8
95,56
39
12,97
20,6
71,05
47,5
12,87
20,6
70,48
67,5
11,04
21,5
57,90
Het glucoseverloop, gemeten met GOD-POD en HPAEC-PAD, staat weergegeven in figuur
34.
SITA_SUPRATON - Semi-SSF
g/l glucose
80
70
60
50
40
g/l glucose GOD-POD
30
g/l glucose HPAEC-PAD
20
Toevoeging gist
10
0
0
20
40
60
80
Tijd (h)
Figuur 34: Semi-SSF SITA_SUPRATON
Na toevoeging van de gist is een sterke daling van het glucosegehalte zichtbaar en na 39h
wordt (bijna) geen glucose meer gemeten.
De xylose-opbrengst wordt ook nog eens voorgesteld op figuur 35. Bij toevoeging van de gist
is er 13,35 g/l xylose vrijgesteld, wat een rendement geeft van 95,32% ten opzichte van het
gehalte xylaan aanwezig in de biomassa. Na verloop van tijd is een daling van het
xylosegehalte merkbaar.
62
g/l xylose
SITA_SUPRATON - Semi-SSF
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
g/l xylose HPAEC-PAD
4,00
2,00
0,00
0
20
40
60
80
Tijd (h)
Figuur 35: Xylose-opbrengst bij Semi-SSF SITA_SUPRATON
Op het einde van de Semi-SSF wordt ook de pH gemeten, en deze is 7,21.
Rendement
Op het einde van de Semi-SSF werd er 172,89gDS bekomen op een totaal volume van
804ml. Dit wil zeggen dat de eindconcentratie papier 21,5%DS, ofwel 215 g/l bedroeg.
De gist zet glucose, mannose en galactose om naar ethanol. Het papier, SITA_SUPRATON,
bestaat uit 52,4%glucaan, 1,8%mannaan en 0%galactaan. Om de theoretische waarde aan
ethanol te bereiken, hoeveel er maximum geproduceerd kan worden, wordt het volgende
uitgevoerd:
De polysacchariden glucaan, mannaan en galactaan worden eerst tijdens de enzymatische
hydrolyse omgezet naar glucose, mannose en galactose. De conversiefactor is hierbij
1,1111. Dus volgt deze formule:
(
)
(
) (
)
De conversiefactor van glucose naar ethanol is 0,511. Dus het volgende volgt:
De theoretische maximumconcentratie ethanol is 6,62%m/m, rekening houdend met de
suikers gevormd in het propagatiemedium. Met de Anton Paar wordt een gehalte van
4,53%m/m ethanol gemeten. Het rendement van deze SSSF is dan: 4,53 / 6,62 *100 =
68,5%.
63
3.3.2. CaCO3 verwijderen
De papierstroom SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR wordt aan 7,5%DS gemengd met
15%zuur/gDS (H3PO4) in een totaalvolume van 1l gedurende 2h bij 50°C.
Na de reactie bedraagt de pH van de pulp aan 7,5%DS 4,31. De pulp wordt ontwaterd tot
een drogestofgehalte van 18,40%DS, waarbij de pH 4,77 is. Er wordt vervolgens een
enzymatische hydrolyse ingezet aan 4,48 FPU/gDS met de enzymcocktail van Dupont
gedurende 72h bij 50°C. De pH wordt op het einde van de hydrolyse (na 3 dagen) nog eens
gemeten en is 5,34. De pH blijft dus gedurende 72h binnen het interval 4,77 – 5,34 waardoor
de activiteit van de enzymen nog optimaal is. Tijdens de eerste dag ontstonden er echter
mengproblemen aangezien maar een kleine hoeveelheid pulp aan de reactor was
toegevoegd en de roerder te weinig ondergedompeld werd. Het glucoseverloop wordt
weergegeven in figuur 36.
%rendement glucose bij 4,48FPU/gDS en 18,4%DS
%rendement
glucose
pH start 4,77, pH einde 5,34
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
SITA_PULP_SCHROEFDE
CANTOR
0
20
40
60
80
Tijd(h)
Figuur 36: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS: saccharificatie
Met bijhorende gegevens:
Tabel 25: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS: saccharificatie
Tijd (h)
g/l glucose
g/l stdev
%rendement
% stdev
23,25
43,66
0,81
46,23
0,86
47,5
60,47
0,44
64,04
0,46
70,75
64,46
0,05
68,26
0,05
Na 70,75h wordt een rendement bekomen van 68%.
64
CaCO3 bepalen
De pulp gewassen met 15%H3PO4/gDS wordt na de wassing met zuur gedetecteerd op
CaCO3 met behulp van de thermogravimetrische analyse van TAPPI. De resultaten staan in
tabel 26.
Tabel 26: SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR gewassen met 15%H3PO4/gDS: CaCO3 bepaling
Papierstroom
%as
%CaCO3
%CaCO3 stdev
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
19,1
11,2
0,9
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
19,5
6,1
0,7
gewassen met 15%H3PO4/gDS
Via deze methode is duidelijk dat het gehalte aan CaCO3 wel degelijk verminderd is.
65
4. Bespreking
4.1.
Papierstromen
De papierstromen vormen een deel van de inventaris van organische nevenstromen en
bijproducten die beschikbaar zijn in Vlaanderen, opgesteld voor het VISIONS project.
4.1.1. Samenstelling en saccharificatiepotentieel
VPK en VPULP
De reststroom VPK, ongeschikt voor papierrecyclage, heeft nog een glucaangehalte van
54,4%. Dit is vergelijkbaar met de SITA stromen. Het levert een glucose-opbrengst op van
54% - 71% bij 2,69 – 10,75 FPU/gDS (niet-behandeld). VPK bevat 10% as en 22% lignine
wat de helft minder as en dubbel zo veel lignine is in vergelijking met de SITA stromen.
Hierdoor kan het VPK minder problemen krijgen met de pH, maar misschien meer
problemen met de niet-productieve binding van lignine met enzymen. Dit kan dan weer
verholpen worden met surfactantia. Het lager asgehalte is interessant, aangezien er dan
waarschijnlijk minder H2SO4 moet toegevoegd worden om het geheel op pH te brengen.
VPULP, de stroom waar normaal karton van gemaakt wordt, bevat ook nog een groot
gehalte aan glucaan, namelijk 54%, 15%as en 11%lignine. Er wordt echter meer lignine
verwacht bij het aanmaken van karton, maar deze lage waarde kan ook te wijten zijn aan
een minder nauwkeurige meting. Deze papierstromen zijn een potentieel voor valorisatie
naar fermenteerbare suikers. Hun samenstelling is vergelijkbaar met de SITA stromen.
SAPPI
Het glucaangehalte van SAPPI, een reststroom afkomstig van de waterbehandeling van
afvalwater uit het papierproductieproces, bevat 35,5%glucaan en bevat een hoog gehalte
aan %as en %lignine (samen bijna de helft), wat normaal is, aangezien het een reststroom is
die al gedeeltelijk verteerd is bij de waterbehandeling. De hydrolyse levert 25%-36%
rendement op bij 2,69 – 10,75 FPU/gDS (niet-behandeld). Door deze lage rendementen en
kleine beschikbaarheid van deze stroom is deze stroom op korte termijn niet interessant om
te valoriseren.
SITA
Droog gemalen papier heeft een minder goede hydrolyse-opbrengst, namelijk 62% bij lage
FPU/gDS, dan verpulpt papier in het algemeen. De behandeling met de Supraton Mill
verhoogt het rendement bij lage FPU/gDS niet, maar wel bij hogere in vergelijking met
SITA_DROOG. Als deze stroom (SITA_SUPRATON) behandeld wordt met verdund H2SO4
stijgt het rendement ongeveer 10% en met verdund H3PO4 ongeveer 16% bij lage FPU/gDS.
Dit wil zeggen dat een zure voorbehandeling dus wel effect heeft op het rendement.
66
Aangezien dat de pH na een zure voorbehandeling nog altijd licht basisch was, kan er niet
gesproken worden van een voorbehandeling, maar van een neutralisatie. Deze neutralisatie
heeft dus een effect op het rendement. Het zuur kan een deel van het as verwijderd hebben.
Dit verklaart ook waarom H3PO4 het beste rendement geeft aangezien er minder fosforzuur
moet toegevoegd worden om evenveel CaCO3 te verwijderen in vergelijking met zwavelzuur.
Of dit daadwerkelijk gebeurd is, zouden extra metingen moeten bevestigen. De stroom
SITA_FRYMAKORUMA heeft ook een rendement van ongeveer 75% wat beter lijkt dan
SITA_SUPRATON, maar kan niet met zekerheid gezegd worden aangezien
SITA_FRYMAKORUMA geen representatieve stroom is. De stroom
SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR is wel een representatieve stroom en levert een
rendement op van ongeveer 80% bij lage FPU/gDS. De reden waarom deze stroom, die
verpulpt en gejetcooked is geweest, hoger ligt dan de stromen die behandeld zijn met de
Supraton Mill of de Fryma Koruma is onbekend. Het kan dus zijn dat deze ‘shear’behandeling niet nodig is aan de resultaten te zien, of er kan iets misgegaan zijn bij de
metingen. Verder onderzoek is nodig. Deze experimenten zijn bovendien aan lage
drogestofgehaltes uitgevoerd wat niet zomaar te extrapoleren is naar hogere
drogestofgehaltes. Dit wil zeggen dat bij hogere drogestofgehaltes andere resultaten
bekomen kunnen worden.
De stroom SITA_PULP_SCHROEFPERS bestaat dus degelijk uit 2,5% minder as. Zoals
aangetoond in CaCO3-experimenten kan een klein verschil in CaCO3 een groot verschil in
hydrolyseerbaarheid betekenen. Die asreductie is goed, maar technieken voor verbeterde
asreductie, overgenomen uit bijvoorbeeld de papierproductie, zijn zeker de moeite waard om
uit te testen.
4.1.2. Zetmeel bepaling
Tijdens de papierproductie wordt ook zetmeel toegevoegd als bindingsmiddel. In het droog,
gemalen papier (SITA_DROOG) wordt zetmeel gedetecteerd, namelijk 3% op 1gDS. Dit
levert 3,3% glucose op na hydrolyse met amylasen. Het kan dus geen kwaad om ook
amylasen tijdens de hydrolyse toe te voegen. Belangrijk is ook dat het zetmeel in de pulp
blijft na behandeling met de schroefpers. Het zetmeel gaat dus niet verloren.
In SITA_PULP wordt er echter maar 0,48% zetmeel gedetecteerd op 1gDS. In vergelijking
met SITA_DROOG is dit dus veel minder. Er moet dus ergens zetmeel verloren gegaan zijn
tijdens het pulpen aangezien het systeem gesloten blijft tot bij het ontwateren. Ofwel blijft de
samenstelling van het papier niet constant tijdens het voeden van de pulper. Dan kunnen er
ook geen sluitende conclusies getrokken worden uit deze metingen.
67
4.1.3. CaCO3 bepaling
Volgens de gravimetrische methode van TAPPI wordt 10,7% en 11,2% aan CaCO3 gemeten
van de papierstromen SITA_DROOG en SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR
respectievelijk. Volgens de meting met ICP-AES wordt 15,3% en 16,9% CaCO3 gemeten
voor dezelfde papierstromen in veronderstelling dat alle Ca2+-ionen voorkomen in de CaCO3vorm (overschatting). Bij de gravimetrische methode kunnen er meer fouten aanwezig zijn
omdat de stalen telkens moeten gewogen worden voor en na verassing. Er kan ook een
onderschatting gemaakt worden, aangezien het staal niet helemaal verast kan worden (dus
waarbij CaCO3 niet volledig wordt omgezet in CaO). Deze twee analyses bevestigen wel dat
er veel CaCO3 in papier zit en dat dus hiermee rekening mee moet gehouden worden
aangezien dit moeilijkheden kan geven met de pH van de enzymatische hydrolyse.
4.1.4. Xylose-opbrengst
De stroom SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR stelt bij 2,15 FPU/gDS 9,4 g/l vrij
(92%rendement) en 1,8 g/l xylose (100%rendement), gemeten met HPAEC-PAD. Al het
xylaan aanwezig in het papier (die toch gemeten is met de Dionex) is dus omgezet naar
xylose. De hemicellulasen werken dus bij lage drogestofgehalte heel goed. Bij de Semi-SSF
wordt ook de xylose-opbrengst gemeten bij hoge drogestofgehalte. Dit wordt later
besproken. Economisch gezien is het belangrijk om deze xylosestroom ook te valoriseren,
ofwel naar bio-ethanol of andere toepassingen.
4.2.
Activiteit industriële enzymcocktail
De activiteit van de industriële enzymcocktail van Novozymes is 169 FPU/ml. Er kan hier een
fout op zitten omdat de procedure nogal moeilijk is om de activiteit te bepalen.
Bij de enzymatische hydrolyse met de enzymcocktails van Novozymes en Dupont geeft de
laatste enzymcocktail een beter rendement (ongeveer 15%hoger bij lage FPU/gDS), maar er
wordt wel dubbel zoveel enzym toegevoegd. Er zal dus een afweging moeten gemaakt
worden. Een enzymcocktail met een hogere activiteit zal duurder zijn. Er zal minder volume
toegevoegd moeten worden dan bij een enzymcocktail met een lagere activiteit wat
goedkoper is en waarvan meer volume moet worden toegevoegd. Aangezien de prijzen van
de enzymcocktails van Novozymes en Dupont niet gekend zijn, kan geen besluit genomen
worden welk enzym het best is om te gebruiken in een industrieel proces op basis van de
kostprijs.
Daarnaast heeft de FPU-bepaling ook zijn beperkingen. Zoals uitgelegd bij ‘materialen en
methoden’ is dubbel zo veel of de helft zo veel hoeveelheid enzym niet recht evenredig met
het rendement. Dit wil niet zeggen als dubbel zo veel volume toegevoegd wordt, dubbel
zoveel reducerende suikers krijgt. Eerst zal het rendement sterk stijgen in functie van de
enzymconcentratie en dan bereikt het een plateau.
68
4.3.
Invloed van inorganics op hydrolyse
CaCO3 heeft een negatieve invloed op de pH van de hydrolyse. Dit is te zien aan het
experiment waarbij CaCO3 toegevoegd werd bij verpulpt papier
(SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR). Bij het experiment waarbij CaCO3 toegevoegd werd
bij Whatman papier, wordt er bijna geen verschil gezien in de glucose-opbrengst. De pH is
na 72h uur namelijk 5,10 en dit ligt nog altijd in het gebied waar de enzymcocktails bijna
100% activiteit hebben (zie figuur 37). Bij het experiment met pulp en CaCO3 is de pH sterk
verhoogd naar 6,08, terwijl de pH van de andere stromen pulp, zonder toevoegingen, met
kaoline en talk respectievelijk 5,25, 5,35 en 5,33 zijn. De activiteit van de enzymcocktail
tussen pH 5 en 5,5 nadert nog altijd de 100%, maar bij een pH van 6 is de activiteit zeer
sterk verminderd, namelijk voor xylaanomzetting met 20% en voor glucaanomzetting met
40% (zie figuur 37). Dit is ook te zien aan het rendement, want bij de pulp met toevoeging
van CaCO3 is het rendement bij 2,15 FPU/gDS maar 56% en zonder toevoeging van CaCO3
is het 83%, namelijk 27% gezakt. De reden van deze stijging in pH kan toegeschreven
worden aan het feit dat Ca++ reageert met H2O en de basische component Ca(OH)2 vormt.
Het feit dat bij de pulp een grotere pH-verschuiving te zien is dan bij Whatman kan liggen
aan het feit dat de pulp al een hoeveelheid CaCO3 bevat. Hoe meer CaCO3 er aanwezig is,
hoe meer het kan reageren en hoe basischer het materiaal wordt. Voor verder onderzoek
kan Whatman papier getest worden op de aanwezigheid van CaCO3 of er wel degelijk
minder in zit dan bij verpulpt papier.
Figuur 37: pH profiel enzymcocktail van Dupont bij 50°C. Activiteit gemeten gedurende 24h gebruik makend van
voorbehandeld hardhout pulp
De andere componenten, kaoline en talk, hebben geen negatief effect op de hydrolyse. Dit is
echter minder belangrijk, aangezien er meer CaCO3 in het papier zit.
69
4.4.
Uitdagingen
4.4.1. Invoeren Semi-SSF met Fed Batch
Bij de Semi-SSF werd het drogestofgehalte opgevoerd van 12,5 naar 21,5%DS en daalt de
relatieve enzymdosering FPU/gDS van 68,8 naar 24,9 over een periode van 67,5h. De
glucosemetingen worden via de GOD-POD methode gemeten en bevestigd met HPAECPAD. Het rendement van de Semi-SSF is 68,5%. Het doel van dit experiment was om kennis
te maken met het concept Semi-SSF en de moeilijkheden ervan in de praktijk te ervaren en
te identificeren. Naar verdere optimalisatie toe zal gebruik moeten gemaakt worden van een
lagere enzymdosage, een hoger drogestofgehalte met de invoering van een efficiënt
roersysteem en eventueel de uitvoering te realiseren in een kortere tijd. Er zal ook rekening
moeten gehouden worden met de pH, deze was na de Semi-SSF 7,21. Deze pH verhoging
zal ook bijgedragen hebben tot verlaging van het rendement. Het feit dat de pH gestegen is,
kan aan de aanwezigheid van CaCO3 liggen. Het is een sterke stijging, want normaal zakt de
pH lichtjes tijdens de fermentatie. De pH-controle zal dus beter opgevolgd moeten worden.
Het is echter moeilijk om de pH te meten bij hoge vaste stofconcentraties.
Er wordt waargenomen dat na ongeveer 39h bijna geen glucose meer gemeten wordt. Ofwel
wordt er zo weinig glucose geproduceerd dat de gist dit direct omzet naar ethanol, ofwel
wordt er geen glucose meer geproduceerd zodat er ook geen ethanol meer gevormd wordt.
Het kan dus zijn dat door de suboptimale temperatuur voor de saccharificatie geen of weinig
glucose meer gevormd wordt. Het totaalrendement was echter maar 68,5%, dus dit kan
hoger. Daarom is het belangrijk dat de eerste vervloeiing die gebeurt in de eerste 17,25h een
heel goed rendement levert, aangezien er waarschijnlijk minder omgezet wordt tijdens de
SSF. Als de gist wordt toegevoegd, wordt er echter maar een versuikeringsrendement van
ongeveer 60% bekomen. Het is belangrijk dat dit rendement zo hoog mogelijk wordt,
aangezien er minder zal omgezet worden na de toevoeging van gist door de suboptimale
temperatuur. Als het ethanolgehalte gemeten zal worden op verschillende tijdstippen, zal ook
duidelijk worden als na 39h er werkelijk nog meer ethanol gevormd wordt. Zo niet, is het niet
nodig om de reactie nog langer door te laten gaan. Men kan ook nog opteren voor een
langere vervloeiingstijd.
Opnieuw wordt het xylosegehalte gemeten met HPAEC-PAD en brengt dit na de hydrolyse
13,35g/l op (95,32%rendement ten opzichte van xylaan). Dit is een fractie die te valoriseren
valt. De xyloseconcentratie wordt gemeten vanaf 17h, heeft hierbij een rendement van 95%
(wat iets lager is dan bij lage DS). Dit blijft constant tot 23h. Hierna daalt de
xyloseconcentratie lichtjes. Dit kan te maken hebben met het verdunningseffect. Ook kunnen
producten geproduceerd door de gist tijdens de fermentatie, een invloed hebben op de
activiteit van de hemicellulasen of productinhibitie kan ook optreden. Nader onderzoek is hier
nog nodig. De invloed van de pH zal hier ook wel sterk meespelen. Op het einde van de
Semi-SSF was dit echter 7,21. De buffercapaciteit was dus zeker niet voldoende. Deze
70
verhoging in pH kan dus ook een oorzaak zijn voor de vermindering in xylose-opbrengst in
verloop van tijd.
4.4.2. CaCO3 verwijderen
De pulp (SITA_PULP_SCHROEFDECANTOR) werd met een zuur gewassen om het buffer
effect te verzwakken zodat de pH constant zou blijven gedurende drie dagen zonder
toevoeging van een zuur tijdens de hydrolyse. Dit is gelukt. Op het einde van de hydrolyse
wordt een rendement van 68,26% bekomen bij 18,4%DS. Het CaCO3 is hierbij gedaald van
11,2% naar 6,1%. Er is echter geen controle gebeurd met pulp dat niet geneutraliseerd is
geweest met zuur. Dit komt omdat het werken met een buffer praktisch niet ging. De
buffercapaciteit was te klein en het constant bijsturen van de pH met een zuur was in het
labo wat omslachtig. ’s Nachts was het namelijk niet mogelijk om de pH te corrigeren met
een zuur en als er telkens een staal werd genomen om de pH te controleren, dan leidde dit
tot meer kans op contaminatie en massaverlies. Doordat deze pH niet goed te controleren
was bij toevoeging van zuur tijdens de hydrolyse, kon niet met zekerheid een maximale
glucose-opbrengst bereikt worden.
Op industriële schaal echter zal dit systeem om de pulp met zuur te wassen, niet
economisch voordelig zijn aangezien er grote hoeveelheden zuur per g biomassa gebruikt
moeten worden. Er zal een efficiënt systeem gebruikt moeten worden zodat de pH-controle
efficiënt gebeurd en al dan niet geautomatiseerd kan worden, rekening houdend met het feit
dat het substraat een hoge vaste stofconcentratie heeft. Het probleem is ook dat in het begin
dit moeilijk te sturen is. Het geheel is een slecht gehomogeniseerd medium en bij toevoeging
van zuur wordt gestreefd naar een zo weinig mogelijke verdunning, maar als men met een
hoge concentratie werkt, zal in het begin het zuur niet homogeen verdeeld worden in het
materiaal en zullen er pH-gradiënten ontstaan.
Nu werd enkel een simplistische voorstelling van de reactie van CaCO3 met zuur bekeken.
Het systeem zit echter ingewikkelder in elkaar. Er zullen nog andere componenten reageren
met het zuur, zoals andere additieven of onderdelen van lignocellulose.
Industrieel gezien is het dus belangrijk om voor de hydrolyse zoveel mogelijk as mechanisch
te verwijderen, aangezien bij een bepaalde hoeveelheid van CaCO3 de pH niet meer in het
interval ligt waarbij de enzymen optimaal werken. Als er minder CaCO3 aanwezig is, zal ook
minder zuur toegevoegd moeten worden wat economisch voordeliger is.
In het experiment wordt fosforzuur getest, aangezien minder fosforzuur nodig is om evenveel
CaCO3 om te zetten in vergelijking met zwavelzuur. Maar dit moet wel nog in rekening
gebracht worden met de prijs van het zuur. Als zwavelzuur nog altijd goedkoper is, terwijl er
meer van wordt toegevoegd, is het voordeliger om zwavelzuur toe te voegen.
71
4.5.
Industrieel gericht
Om een industrieel proces op te stellen dat economisch rendabel is, moet met zeer veel
zaken rekening gehouden worden, onder andere de samenstelling van de grondstof. De
stroom SITA bevat ongeveer 50%glucaan, 9%xylaan, 4%mannaan, 20%as en 10%lignine.
Glucaan en mannaan zijn C6 suikerpolymeren, worden omgezet door specifieke enzymen in
enzymcocktails en hun monomere vorm wordt gefermenteerd naar ethanol door de gist S.
cerevisiae. Xylaan is een C5 suikerpolymeer dat ook wordt omgezet door specifieke
enzymen in de enzymcocktails en waarbij hun monomere vorm ook gefermenteerd kan
worden naar ethanol, met gemodificeerde gisten of micro-organismen, of op een andere
manier gevaloriseerd kan worden. Het asgehalte is hoog (1/5de) en zorgt voor problemen,
onder andere in verband met de pH. Bij voorkeur wordt dit asgehalte verminderd of
verwijderd indien dit praktisch en economisch mogelijk is. De inhibitie door lignine tijdens
enzymatische hydrolyse kan gedeeltelijk verholpen worden door toevoeging van surfactantia
en op het einde kan de restfractie van lignine gevaloriseerd worden naar energie.
Als er ook gewerkt wordt met reststromen afkomstig van de papierproductie, zoals VPK en
SAPPI, zal de samenstelling meer variabel zijn.
4.5.1. Schatting opbrengst ethanol
Uit de literatuur wordt gevonden dat vanuit Europa om de twee maanden 1,2 miljoen ton
papier wordt geëxporteerd naar China. Dus er is 7,2 miljoen ton papier per jaar beschikbaar
in Europa. In België zijn de exacte gegevens niet gekend. VISIONS schat dat er ‘slechts’ 1
miljoen ton per jaar voor export is in België. Stel dat dit niet naar het buitenland geëxporteerd
wordt, maar in België kan gehouden worden door het papier om te zetten naar bio-ethanol,
dan wordt de opbrengst van ethanol als volgt geschat:
Gemiddeld bestaat een papierstroom van SITA uit 50%glucaan en 4%mannaan. Dit wordt
door enzymen omgezet naar hun monomere vorm in de veronderstelling met een rendement
van 70% wat al veel is aangezien er het meest problemen ontstaan bij de enzymatische
hydrolyse.
Met behulp van de gist S. cerevisiae worden de C6 monomere suikers omgezet naar bioethanol in de veronderstelling dat alle suikers worden omgezet naar ethanol (rendement van
100%).
72
215 000 ton ethanol wordt bekomen vanuit 1 miljoen ton papier in de veronderstelling dat het
saccharificatierendement 70% is en dat alle suikers naar ethanol worden omgezet.
Indien ook gewerkt zou worden met een micro-organisme dat xylose omzet naar bio-ethanol,
zal nog meer bio-ethanol bekomen worden.
De gemiddelde SITA-papierstroom bevat ongeveer 9%xylaan. De opbrengst xylose is het
volgende in de veronderstelling dat al het xylaan wordt omgezet naar xylose:
Dit kan omgezet worden naar bio-ethanol of naar een ander waardevol product.
Stel dat een SITA stroom 3% zetmeel bevat en dat dit gevaloriseerd wordt, dan wordt
volgende opbrengst verkregen vanuit 1 miljoen ton papier, in de veronderstelling dat al het
zetmeel omgezet wordt naar glucose:
0,03 miljoen ton glucose wordt verkregen. Als men dit nog eens omzet naar bio-ethanol,
bekomt men: 0,03 * 0,511 = 0,017 miljoen ton ethanol of 17 000 ton ethanol. Zetmeel is een
glucose-bron die gemakkelijk te valoriseren is en is daarom belangrijk om rekening mee te
houden.
Gemiddeld bevat een SITA-stroom 10%lignine. Dit kan verbrand worden en omgezet worden
naar energie die verbruikt wordt in de fabriek en surplus energie en stoom verkocht kan
worden of uitgewisseld worden in een biocluster.
De asfractie kan verkocht worden aan de betonsector.
73
4.5.2. Proces
Een voorstel voor industrialisatie van het proces, bekomen met de Bio Base Europe Pilot
Plant, staat schematisch op volgende figuur voorgesteld:
Figuur 38: Schema van proces (1: pulper, 2: metaal- en plastiekseparator, 3: jetcooker, 4: schroefpers, 5:
schroefdecantor)
Papier wordt eerst verpulpt (1) en het metaal- en plastiek wordt verwijderd via een separator
(2). Vervolgens wordt de pulp gesteriliseerd door een stoominjectie met de jetcooker (3). De
pulp wordt ontwaterd en gedeeltelijk ontast met behulp van de schroefpers (4). Het filtraat
wordt gezuiverd door middel van een schroefdecantor (5) waardoor het water opnieuw
gebruikt kan worden voor de verpulping. De ontwaterde pulp wordt eventueel nog eens
gemengd om klonters los te maken. Daarna start de Semi-SSF waarbij de pulp vervloeid
wordt bij 50°C, vervolgens wordt de pulp verder gesaccharificeerd en gefermenteerd bij
35°C. Tot slot wordt de vrijgekomen ethanol gedestilleerd. Het achtergebleven gedeelte kan
gefiltreerd of gecentrifugeerd worden. Het vast gedeelte kan verbrand worden en omgezet
worden in energie.
Aandachtspunten
Voor de opschaling zijn er een aantal zaken belangrijk. Met een zo laag mogelijke enzymconcentratie en op zo’n kort mogelijke tijd moet er zo’n hoog mogelijke opbrengst verkregen
worden. Inhibitie moet vermeden worden. Om een hoge glucose- en ethanolopbrengst te
verkrijgen, begint het proces bij een hoge substraatconcentratie. Hierdoor ontstaan er dus
problemen in verband met inefficiënte menging en verhoging van inhibitie. Dit kan opgelost
worden door het invoeren van een Semi-SSF met Fed Batch systeem. Er ontstaat echter nog
een bijkomend probleem tijdens het aanzuren van het papier om een gewenste pH te
verkrijgen voor een optimale enzymatische activiteit. Hierbij kan het zuur met componenten
aanwezig in het papier reageren en wordt er door reactie met CaCO3 een buffersysteem
gevormd waardoor de pH tijdens het proces constant aangepast moet worden. Om dit deels
te vermijden, wordt het papier op voorhand zoveel mogelijk ontast.
74
Algemeen besluit
Oud papier en reststromen van de papierproductie werden onderzocht op hun mogelijkheid
naar valorisatie toe. Er werden drie verschillende papierstromen onderzocht op hun
samenstelling en saccharificatiepotentieel, namelijk SITA, VPK en SAPPI. Deze
papierstromen hebben een verschillende samenstelling. SITA en VPK bevatten ongeveer
evenveel glucaan, SAPPI beduidend minder. SAPPI bevat daarentegen meer as en lignine
en SITA bevat meer as dan VPK. SITA papier werd vervolgens gebruikt als grondstof voor
verdere voorbehandelingen en experimenten die uitgevoerd werden in de UGent of de
BBEPP. Deze werden ook geanalyseerd op hun samenstelling en saccharificatiepotentieel.
Aan de hand van de samenstelling, type voorbehandeling (zowel mechanisch als chemisch)
werd geprobeerd om een verband te leggen tussen hydrolyseerbaarheid en
voorbehandeling. Er werd aangetoond dat verpulpt gejetcooked papier, ontwaterd met een
schroefdecantor, zonder verdere voorbehandeling, de beste glucoserendementen gaf en er
werd ook aangetoond dat een zure voorbehandeling in vergelijking met de oorspronkelijke
papierstroom ook een beter rendement gaf.
Vervolgens werd er in de literatuur aangetoond dat papier ook additieven bevat, toegevoegd
tijdens het papierproductieproces, die het papier betere eigenschappen geven. CaCO3 wordt
hoofdzakelijk gebruikt als vul- en coatingstof en zetmeel kan gebruikt worden als bindmiddel.
Deze componenten werden gedetecteerd in het papier. Zetmeel werd gekwantificeerd en er
werd ook waargenomen dat zetmeel aanwezig blijft na behandeling met de schroefpers. Dit
is belangrijk aangezien zetmeel een glucosebron is die gemakkelijk te valoriseren is. Met
behulp van twee methodes werd ook bewezen dat er een grote hoeveelheid CaCO3
aanwezig is in het papier. CaCO3 geeft echter een negatief effect omdat CaCO3 reageert met
zuur (dat toegevoegd wordt om papier op gewenste pH te krijgen) en zo een buffersysteem
vormt. Daardoor zal de pH tijdens de enzymatische hydrolyse constant aangepast moeten
worden. Deze aanpassing moet nauwkeurig opgevolgd worden zodat de enzymen nog
optimaal kunnen werken.
Daarnaast werd niet enkel naar de glucose-opbrengt gekeken na saccharificatie, maar ook
naar de xylose-opbrengst. Het is belangrijk om xylose te valoriseren aangezien dit toch nog
in een grote hoeveelheid voorkomt. Xylose kan gevaloriseerd worden naar bio-ethanol, maar
ook naar andere toepassingen. Er werden verder twee enzymcocktails vergeleken met
elkaar, namelijk één van Dupont en één van Novozymes. Aangezien de prijzen van deze
enzymcocktails niet gekend zijn, kan geen besluit genomen worden welk enzym het best is
om te gebruiken in een industrieel proces.
Tot slot werd ook een Semi-SSF met Fed Batch systeem ingevoerd om mengproblemen en
inhibitie te vermijden en de tijd in te korten. Dit werd nog uitgevoerd met een buffer. Bij
industrialisatie zal gebruik gemaakt worden met een zuur om de juiste pH te verkrijgen en zal
rekening gehouden moeten worden met de hoeveelheid CaCO3 aanwezig in het papier.
75
Wat nog verder onderzocht kan worden, is een eventuele bepaling van andere vul- en
coatingstoffen om te bewijzen dat deze wel degelijk in kleinere hoeveelheden voorkomen
dan CaCO3. CaCO3 en andere vul- en coatingstoffen kunnen misschien ook op een andere
manier bepaald worden. Er kan worden getest of enzymcocktails voor de afbraak van
lignocellulose ook amylasen bevatten voor de afbraak van zetmeel. Indien niet, kunnen
amylasen nog toegevoegd worden, als dit praktisch mogelijk is. En tot slot kan een verdere
optimalisatie naar opschaling toe in de praktijk verbeterd worden, namelijk de moeilijkheden
aangaan die ontstaan bij hogere drogestofgehalte. In deze thesis werden deze moeilijkheden
enkel maar aangehaald. Dit kan nog verbeterd worden, namelijk het efficiënt toevoegen van
zuur om de gewenste pH te verkrijgen en de invoering van een Semi-SSF met Fed Batch bij
een hogere drogestofgehalte en bij een lagere enzymconcentratie.
76
Referentielijst
1.
Dobbelaere, S. Biomassa als grondstof voor bioraffinage. 1–7 (2008).
2.
Faaij, A. Biomass and biofuels. 1–48 (2007).
3.
NREL - Biomass Energy Basics. at <http://www.nrel.gov/learning/re_biomass.html>
4.
Chaturvedi, V. & Verma, P. An overview of key pretreatment processes employed for
bioconversion of lignocellulosic biomass into biofuels and value added products. 3
Biotech 3, 415–431 (2013).
5.
Zaldivar, J., Nielsen, J. & Olsson, L. Fuel ethanol production from lignocellulose: a
challenge for metabolic engineering and process integration. Appl. Microbiol.
Biotechnol. 56, 17–34 (2001).
6.
Mata, T. M., Martins, A. a. & Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and
other applications: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 217–232 (2010).
7.
Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25, 294–306 (2007).
8.
Jönsson, L. J., Alriksson, B. & Nilvebrant, N.-O. Bioconversion of lignocellulose:
inhibitors and detoxification. Biotechnol. Biofuels 6, 16 (2013).
9.
Sluiter, A., Sluiter, J. & Wolfrum, E. J. Methods for Biomass Compositional Analysis.
1–42
10.
Sticklen, M. B. Plant genetic engineering for biofuel production: towards affordable
cellulosic ethanol. Nat. Rev. Genet. 9, 433–43 (2008).
11.
Gray, K. a, Zhao, L. & Emptage, M. Bioethanol. Curr. Opin. Chem. Biol. 10, 141–6
(2006).
12.
Balat, M. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical
pathway: A review. Energy Convers. Manag. 52, 858–875 (2011).
13.
Kirk, T. K. & Cullen, D. A. N. 9 Enzymology and Molecular Genetics of Wood
Degradation by White-Rot Fungi.
14.
Malherbe, S. & Cloete, T. E. Lignocellulose biodegradation: Fundamentals and
applications. Rev. Environ. Sci. Bio/Technology 1, 105–114 (2002).
15.
Gírio, F. M. et al. Hemicelluloses for fuel ethanol: A review. Bioresour. Technol. 101,
4775–800 (2010).
16.
Scheller, H. V. & Ulvskov, P. Hemicelluloses. Annu. Rev. Plant Biol. 61, 263–89
(2010).
17.
Chemical Overview of Wood. 1–9
18.
Hendriks, a T. W. M. & Zeeman, G. Pretreatments to enhance the digestibility of
lignocellulosic biomass. Bioresour. Technol. 100, 10–8 (2009).
19.
Mosier, N. et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic
biomass. Bioresour. Technol. 96, 673–86 (2005).
20.
Chandra, R. P. et al. Substrate pretreatment: the key to effective enzymatic hydrolysis
of lignocellulosics? Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 108, 67–93 (2007).
21.
Sun, Y. & Cheng, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a
review. Bioresour. Technol. 83, 1–11 (2002).
22.
SAPPI. The Paper Making Process. at
<https://www.youtube.com/watch?v=E4C3X26dxbM>
77
23.
Paper Chain Forum. Papier en milieu. 1–8
24.
Pulp and paper manufacturing. 1–57
25.
Cobelpa. Papier en milieu: procedés, realisaties, uitdagingen. 1–67 (2012).
26.
SAPPI. The Paper Making Process; from wood to coated paper. 1–20
27.
Prasad, M. S., Reid, K. J. & Murray, H. H. Kaolin: processing, properties and
applications. Appl. Clay Sci. 6, 87–119 (1991).
28.
Gill, A. Fillers for Papermaking. TAPPI - Introd. to Wet End Chem. (2005).
29.
Wang, X. et al. Effect of calcium carbonate in waste office paper on enzymatic
hydrolysis efficiency and enhancement procedures. Korean J. Chem. Eng. 28, 550–
556 (2010).
30.
Krigstin, S. G. & Sain, M. Determination of the mineral constituents of recycled paper
mill sludge. 9–14 (2008).
31.
TAPPI. Alkalinity of paper as calcium carbonate (alkaline reserve of paper), Test
Method TAPPI - ANSI T 553 om-10. at <http://www.tappi.org/Bookstore/StandardsTIPs/Standards/Paper-and-Paperboard/Alkalinity-of-Paper-as-Calcium-CarbonateAlkaline-Reserve-of-Paper-Test-Method-T-553-om-00.aspx>
32.
Bio Base Europe Pilot Plant. VISIONS. 1–2
33.
Phitsuwan, P., Laohakunjit, N., Kerdchoechuen, O., Kyu, K. L. & Ratanakhanokchai,
K. Present and potential applications of cellulases in agriculture, biotechnology, and
bioenergy. Folia Microbiol. (Praha). 58, 163–76 (2013).
34.
Horn, S. J., Vaaje-kolstad, G., Westereng, B. & Eijsink, V. G. H. Novel enzymes for
the degradation of cellulose. (2012).
35.
Kumar, R., Singh, S. & Singh, O. V. Bioconversion of lignocellulosic biomass:
biochemical and molecular perspectives. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 35, 377–91
(2008).
36.
Turner, P., Mamo, G. & Karlsson, E. N. Potential and utilization of thermophiles and
thermostable enzymes in biorefining. Microb. Cell Fact. 6, 9 (2007).
37.
Koppram, R., Tomás-Pejó, E., Xiros, C. & Olsson, L. Lignocellulosic ethanol
production at high-gravity: challenges and perspectives. Trends Biotechnol. 32, 46–
53 (2014).
38.
Genencor. Industriële enzymcocktail. 1–4
39.
Novozymes. Industriële enzymcocktail. 1–5
40.
Bai, F. W., Anderson, W. a & Moo-Young, M. Ethanol fermentation technologies from
sugar and starch feedstocks. Biotechnol. Adv. 26, 89–105 (2008).
41.
Fermentis. Ethanol Red® Dry alcohol yeast. 1
42.
Elliston, A., Collins, S. R. a, Wilson, D. R., Roberts, I. N. & Waldron, K. W. High
concentrations of cellulosic ethanol achieved by fed batch semi simultaneous
saccharification and fermentation of waste-paper. Bioresour. Technol. 134, 117–26
(2013).
43.
Puri, D. J., Heaven, S. & Banks, C. J. Improving the performance of enzymes in
hydrolysis of high solids paper pulp derived from MSW. Biotechnol. Biofuels 6, 107
(2013).
44.
Ballesteros, M., Oliva, J. M., Manzanares, P., Negro, M. J. & Ballesteros, I. Ethanol
production from paper material using a simultaneous saccharification and
fermentation system in a fed-batch basis. 559–561 (2002).
78
45.
Shen, J. & Agblevor, F. a. Ethanol production of semi-simultaneous saccharification
and fermentation from mixture of cotton gin waste and recycled paper sludge.
Bioprocess Biosyst. Eng. 34, 33–43 (2011).
46.
Sluiter, A. et al. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass
(LAP). 1–18 (2012).
47.
Dionex. Analysis of Carbohydrates by High-Performance Anion-Exchange
Chromatography with Pulsed Amperometric Detection ( HPAE-PAD ). 1–13
48.
Novo Nordisk. AMG: Product Sheet. 1–3
49.
Novo Nordisk. Termamyl: Product Sheet. 1–4
50.
Adney, B. & Baker, J. Measurement of Cellulase Activities (LAP). 1–11 (2008).
51.
Anton Paar. Alcolyzer®. 1–4
79

PB Verhuizing Hoofdkantoor DEF DEF

pdf

Bekijk hier het persbericht in pdf-formaat

CRH Bouwmaterialen en SITA tekenen exclusieve samenwerking

Figurenlijst (74 kB, 10 januari 2013)

1. 1. A s 2. z Blauwe Sluis Aan de Noor steiger

Folder Doesburg (Arsenaal) Seizoen 2014/2015

Sita Ecoservice Nederland B.V. Meihuizenweg 25 9648 LN

Incada Silk - Kartoncollectie

Sita Recycling Services Zuid B.V. Waalhavenweg 50 3089 JJ