Wykorzystanie etanolu jako BIO PALIWA

1. Wykorzystanie etanolu jako BIO PALIWA Na podstawie: Wheals A.E, Basso L.C., Alves M..G. Amorim „Fuel ethanol after after 25 years” TIBTECH December 1999 (VOL 17) Jerzy Dorosz Tomasz Wójcik

2. ETANOL • Bezbarwna, palna ciecz, wyróżnia się kilka typów • Wg. Sposobu otrzymywania (fermentacja lub syntetycznie) • Wg. Zawartości wody (zwierający wodę lub bezwodny) • Wg. Użycia (przemysłowe, jako paliwo, spożywcze)

3. /

6. Pierwszy narodowy program dodawania etanolu do paliw powstał W 1975 w Brazylii (ProAlcool) • W USA program oparty na produkcji etanolu z kukurydzy rozpoczęto w 1978

7. Kraj Surowiec Produkcja etanolu do prod. biopaliwa [109 litrów] Brazylia Trzcina cukrowa (sok i melasa) 10.5 nie odwodniony 6.5 bezwodny (1999) USA Kukurydza (95%) + pszenica i jęczmień. 5.3 bezwodny (1998) Kanada Kukurydza i pszenica 0.24 bezwodny (1998) Najwięksi producenci etanolu do paliw

8. Nazwa handlowa Kraj Zawartość etanolu [% v/v] Alcool Brazylia 95.5 E85 Ameryka Północna 85 Benzyna Brazylia 24 E10 Ameryka Północna 10 Paliwo utlenione USA 7.6 Benzyna wzbogacana USA 5.7 Biodiesel Szwecja 15

9. Pomimo, że czysty etanol zawiera tylko 2/3 kalorii, jakie posiada benzyna, to i tak dzięki wyższemu poziomowi kompresji daje zwiększenie mocy silnika do 15%. Poza tym etanol jako dodatek do klasycznego paliwa zmniejsza emisję tlenku węgla, tlenków azotu i węglowodorów.

10. Poza etanolem jako dodatki stosuje się metanol oraz dwa związki obecne w ropie naftowej: eter etylowo tert-butylowy (ETBE) i eter metylowo tert-butylowy (MTBE). Oba są preferowane przez przemysł paliwowy, jednak MTBE posiada stwierdzona toksyczność przez swoje właściwości karcinogenne.

11. Brazylia Główny światowy producent etanolu do paliw, poza zanieczyszczonym wodą etanolem przeznaczonym do specjalnych silników, którego produkcja maleje, produkuje także znaczne ilości etanolu odwodnionego, który może być dodawany do paliwa, bez żadnych modyfikacji silników.

13. USA • Uzależnienie od zagranicznych dostawców paliw, widoczne zwłaszcza podczas dwóch kryzysów paliwowych w latach 70 • Clean Air Act (1977) • Niskie dochody farmerów • Zanieczyszczenie powietrza (protokuł z Kioto!!!)

14. Koszty paliwa tradycyjnego • Nominalna światowa cena baryłki ropy naftowej wynosi około 13 $ • Koszty pośrednie związane z powstawaniem związków zanieczyszczających powietrze 45 $ • Koszty związane z ochroną dostawców ropy naftowej na Bliskim Wschodzie 54 $ (wg szacunków rządu USA)

15. Produkcja etanolu. • Fermentacja cukrów wykorzystująca drożdże (Saccharomyces cerevisiae). • Substrat cukrowy jest ekstrahowany lub przygotowywany z roślin uprawnych (kukurydza, trzcina cukrowa, pszenica). • Produkt fermentacji – etanol jest oddzielany poprzez destylację.

16. Ekstrakcja cukru z trzciny cukrowej (Saccharum officinarum) • Roślina dobrze toleruje suszę, • Zawartość cukrów 12 – 17% masy (90% sucroza, 10% glukoza lub fruktoza), • Duża wydajność produkcji soku roślinnego, • Główny surowiec do otrzymywania biopaliwa na bazie etanolu w Brazylii.

17. Ekstrakcja cukru Rośliny rozbija się i izoluje sok bogaty w cukry. Sok zagęszcza się przez odparowanie.

18. Izolacja cukrów • Aby usunąć żywe mikroorganizmy sok ogrzewa się do 110 st. Celsjusza. • Po zagęszczeniu usuwa się powstałe kryształy sucrozy przez wirowanie. Pozostaje gęsty sok zewierający 65 % cukrów (glukoza) - melasa. • Melasa zawiera wystarczająco dużo składników odżywczych dla drożdży.

19. Ekstrakcja cukru z ziaren • Wykorzystuje się ziarna kukurydzy (Zea mays) i w mniejszym stopniu ziarna zbóż jak pszenicy. • Ziarna moczy się przez 40 h w wodzie z dodatkiem tlenku siarki (IV),następnie mieli się je i izoluje skrobię. • Albo w wersji „na sucho” od razu przystępuje do mielenia ziaren na cząstki o średnicy około 1 mm.

20. Fermentacja i destylacja. • Fermentacja prowadzona jest albo partiami albo w wersji ciągłej. • Po zakończeniu procesu fermentacji drożdże są oddzielane poprzez wirowanie. Drożdże mogą być użyte ponownie po usunięciu zanieczyszczeń bakteryjnych przy pomocy rozcieńczonego r-ru kwasu siarkowego. • Osiągane są duże koncentracje komórek drożdży (8 - 17%). Temperatura procesu waha się między 33 - 35 st. Celsjusza.

21. Fermentacja • Czas fermentacji jest dość krótki bo 6 – 10 godzin. • Pozwala to na przeprowadzenie trzech cykli procesowych dziennie i użycie tych samych drożdży. • Aby uniknąć niepożądanego zakażenia bakteriami dodaje się antybiotyków.

22. Destylacja • Po zwirowaniu pozostałą ciecz poddaje się destylacji. • Powstaje mieszanina azeotropowa (95,5% etanolu i 4,5% wody), której nie można dalej rozdzielać poprzez destylację. • Aby pozbyć się wody stosuje się dalej substancje higroskopijne np. odwodnione węglowodany. • Pozostałość po destylacji używa się jako nawóz.

23. Użycie lignocelulozy • Jest tania. • Łatwo dostępna. • Lecz wymaga wstępnego przygotowania, gdyż mamy do czynienia z wielkocząsteczkowym polimerem.

24. CELULOZA

25. Wstępne przygotowanie • Drewno zawiera średnio 45% krystalicznej celulozy, 30% hemicelulozy i 25% ligniny. • Celem wstępnego przygotowania jest umożliwienie ataku enzymatycznego na niepożądane składniki drewna, zwłaszcza hemicelulozy. • Gorąca woda pod wysokim ciśnieniem, kwas, zasada – to czynniki które można użyć.

26. Degradacja enzymatyczna • Celulazy to grupa enzymów: endoglukanazy, egzoglukanazy i B – glukozydazy. • Umożliwiają pocięcie celulozy na cząsteczki monomerów - glukozy. • Enzymy pozyskiwane są z grzybów: Trichoderma resei.

27. Wykorzystanie pentoz • Hemiceluloza zawiera reszty heksoz i pentoz. • Pentozy nie mogą być wykorzystywane przez S. Cerevisiae. • W tym celu stosuje się różne triki aby wykorzystać potencjalny substrat do fermentacji:

28. Triki • Wklonowanie genów umożliwiających fermentację pentoz do drożdży, • Klonowanie tych genów do odpornych na etanol szczepów E. coli (KO11), • Wykorzystanie genetycznie zmodyfikowanych bakterii Zymomonas mobilis.

29. Widok na przyszłość Produkcja biopaliwa na bazie etanolu stanie się znaczącą gałęzią przemysłu dopiero gdy wykorzystanie lignocelulozy stanie się rzeczywistością z punktu widzenia komercyjnego.

30. Dziękujemy za uwagę !!!