Biomasa: Surowiec gospodarki światowej

Transkrypt

1 Biomasa: Surowiec gospodarki światowej Autor: prof. zw. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski ( Energia Gigawat nr 10/2010) Biomasa większości z nas kojarzy się dziś z elementem odnawialnych źródeł energii obok słońca, wiatru i wody. One bowiem mają zastąpić nieodnawialne nośniki energii w postaci węgla, ropy oraz gazu ziemnego i przyczynić się do powstrzymania negatywnych zmian klimatu w następstwie wciąż jeszcze rosnącej emisji gazów cieplarnianych. Tymczasem przemysł chemiczny oraz inne gałęzie gospodarki światowej są w znacznym stopniu zależne od surowców z biomasy. Przykładowo papier wytwarza się głównie z drewna i słomy (rys. 1). Rys. 1. Słoma jest doskonałym surowcem dla produkcji papieru Większość czytelników pamięta zapewne początek lat 80. minionego wieku kiedy naszą uwagę zaabsorbowała szybko rosnąca wytwórczość nowych, biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Siłą napędową tych działań okazała się konieczność ograniczenia odpadów, wśród których znaczącą pozycję stanowiły nie dające się biodegradować polimery. Ten problem rozwiązano dzięki biomasie. Rosnące systematycznie ceny ropy, jak i zwiększające się trudności w pozyskiwaniu nieodnawialnych surowców przyczyniły się do rozwoju biotechnologii oraz tych gałęzi światowego przemysłu, które bazują na biomasie. Określone gałęzie przemysłu chemicznego już od dłuższego czasu rozwijają swoją wytwórczość z odnawialnych surowców, takich jak oleje roślinne, tłuszcze, czy skrobia. Skrobia jako wielocukier stanowi zapasowy materiał pokarmowy większości roślin, gromadząc się w nasionach oraz korzeniach. Spore jej ilości przetwarza się do alkoholu etylowego. 1

2 Tylko na terenie Niemiec w roku 2006 przemysł chemiczny przetworzył 2,7 mln ton surowców rolniczych, co stanowi aż 11% wszystkich materiałów pierwotnych, przetworzonych przez tę gałąź gospodarki. Największy w tym udział miały oleje roślinne ( ton), przed skrobią ( ton), tłuszczami zwierzęcymi ( ton) i celulozą ( ton). Po nich znajdują się cukier ( ton), włókna naturalne ( ton) i inne materiały przykładowo proteiny ton oraz naturalne żywice wraz z woskami ton (FNR, VCL, meo consulting Team, Mantau - Uniwersytet w Hamburgu, BFH). Rys. 2. Źródło: Dechema/Stettin Wytwarzanie ekstraktów roślinnych dla przemysłu farmaceutycznego W powyższym wykazie niewielką masę ale o pokaźnej wartości użytkowej stanowią ekstrakty roślinne (patrz rys. 2) dla przemysłu farmaceutycznego. Ogólnoświatowe zapotrzebowanie na rośliny, będące surowcami dla wytwórczości farmaceutycznej organizacja ONZ Food and Agriculture Organisation wycenia na nieco ponad miliard USD rocznie. Podobnie jak farmakologicznie działające ekstrakty roślinne, w większości przypadków przetwórstwo olejów roślinnych, tłuszczów czy skrobi jest relatywnie proste i obejmuje zaledwie 2

3 kilka typowych operacji procesowych (cav, 140, 5/2009 r.). Przykładowo tłuszcze poddaje się zmydleniu dla uzyskania kwasów tłuszczowych, niezbędnych przy wytwórczości alkoholi tłuszczowych. Z nich bowiem produkuje się środki powierzchniowo-czynne (rys. 3) w zakładach chemii gospodarczej. Rys. 3. Fragment urządzeń dla przetwarzania biomasy do środków powierzchniowo-czynnych w zakładach chemii gospodarczej Wiele surowców roślinnych znajduje bezpośrednie zastosowanie w wytwórczości produktów użytkowych czego przykładem są włókna naturalne, które stosuje się wprost w przemyśle tekstylnym, czy w wytwórczości materiałów termoizolacyjnych. Natomiast ze słomy kukurydzy na drodze ekstrakcji formamidem (HCONH 2 ) uzyskuje się tworzywo o nazwie polihydroksylkanianem (PHA). Można go również wytwarzać metodą opracowaną w brytyjskim koncernie Imperial Chemical Industries (ICI) wprost z cukru przy użyciu specjalnego szczepu bakterii z gatunku ralstonia eutropha. Firmy Cargill oraz Dow Chemical opracowały proces przekształcania cukru w polimer o nazwie polilaktydem (PLA). Tu mikroorganizmy przetwarzają cukier w kwas mlekowy, a z tego uzyskuje się polimer poliestrowy, będący odpowiednikiem politereftalanu etylu (PET). Powszechnie wiadomo, że z tego polimeru wytwarza się włókna oraz tworzywa sztuczne, przy czym ich produkcja z półproduktów ropy jest bardziej skomplikowana. Innym przykładem zastosowania cukru jest wytwórczość włókna sztucznego, zwanego powszechnie nylonem, którego wyjściowym półproduktem jest kwas adypinowy 3

4 [HOOC(CH 2 ) 4 COOH]. Tradycyjnym substratem w skomplikowanej syntezie kwasu adypinowego bywa benzen, który wykazuje silne właściwości kancerogenne. Na uwagę zasługuje również przetwarzanie olejów roślinnych oraz tłuszczów zwierzęcych do komponentów smarów do różnorakich łożysk w maszynach i to o właściwościach biodegradowalnych. Wymienione wyżej surowce roślinne oraz zwierzęce poddaje się w pierwszej operacji katalitycznej reestryfikacji niskodrobinowym alkoholem. Posiadają one nie tylko doskonałe właściwości smarne, czy wysoką odporność hydrolityczną i termooksydacyjną, ale w dodatku charakteryzują je wysokie parametry lepkościowe. Ich konsystencję reguluje się dodatkami utwardzającymi, którymi są mydła z udziałem następujących metali: litu, baru, aluminium, wapnia oraz sodu (patrz rys. 4). Rys. 4. Laboratoryjna kontrola jakości smaru tłuszczowego przy użyciu penetrometru Frakcja glicerynowa jest produktem ubocznym w wytwórczości biodiesla na drodze katalitycznej reestryfikacji olejów roślinnych. Znajduje ona zastosowanie nie tylko w wytwórczości środków kosmetycznych, czy farmaceutycznych, ale również w różnorakich syntezach przemysłu chemicznego. W dodatku poprzez jej eteryfikację czy estryfikację uzyskuje się z niej wartościowe komponenty benzyn silnikowych jak i oleju napędowego. Kompleksowość struktur cząsteczek w roślinach można poniekąd potraktować jako wyzwanie w stosunku do konfiguracji molekuł węgla i ropy, będącymi dziś standardową bazą przemysłu chemicznego. Przykładowo w petrochemii ma się do czynienia z relatywnie prostymi strukturami substratów w ramach różnorakich syntez, czy polimeryzacji. Chociaż światowy przemysł chemiczny wytwarza ponad różnorakich wyrobów, to jednak 95% wszystkich surowców przerabia się tylko do około gotowych produktów. Produkuje się je przede wszystkim z: benzenu, ksylenów, toluenu, butanu, etylenu, chloru, gazu syntezowego oraz kwasu siarkowego. Celem biorafinerii jest pozyskiwanie określonych materiałów z surowców roślinnych, w których stosunek C:H:O (w molekułach) kształtuje się inaczej, niż w materiałach z nieodnawialnych substancji bazowych. Stąd biorą się pokaźne różnice w procesach oraz stosowanych 4

5 katalizatorach w chemicznym przetwarzaniu roślin w porównaniu do surowców kopalnych. Widać to wyraźnie na przykładzie procesów wytwarzania biopaliw silnikowych pierwszej i drugiej generacji. Procesy pozyskiwania etanolu oraz biodiesla wraz z gliceryną na relatywnie pokaźną skalę zostały doskonale opanowane, a ich instalacje produkcyjne są relatywnie proste. Oczywistym celem biorafinerii jest maksymalny uzysk użytecznych materiałów z różnorakich roślin. Stąd częsta konieczność rozczłonkowywania wysokomolarnych struktur celulozy, ligniny, cukru, czy skrobi. Tu enzymy oraz mikroorganizmy okazują się pomocne i to w pokaźnej skali w rozczłonkowywaniu makrocząstek biomasy w relatywnie niskich temperaturach, co korzystnie oddziałuje na minimalizację kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych. Wielokierunkowe przetwórstwo roślin przyczyniło się w ostatnich latach do ukształtowania się szeregu rozmaitych biorafinerii, których układy aparaturowe zależą od rodzaju przetwarzanej biomasy. I tak zielone biorafinerie przetwarzają wilgotny materiał przykładowo trawy, zbożowe biorafinerie bazują na skrobi (krochmalu), ze zbóż oraz ziemniaków, jak i pozostałościach z produkcji lignocelulozy. Z nich można uzyskać kwas mlekowy, przetwarzany następnie do biotworzyw sztucznych. Lignocelulozowa biorafineria zajmuje się przetwórstwem drewna, słomy oraz plew. Skoro te składniki biomasy nie są związane z przemysłem spożywczym, to stają się automatycznie znaczącą bazą surowcową dla innych gałęzi gospodarki światowej głównie dla przemysłu chemicznego. Surowce lignocelulozowe obejmują trzy pierwotne frakcje: hemicelulozę, celulozę i ligninę obok materiałów pozyskiwanych na drodze ekstrakcji, jak przykładowo terpeny. Z hemicelulozy przykładowo pozyskuje się kilka różnorakich cukrów oraz furanów, polialkoholi oraz alifatycznych amin. Z ligniny natomiast można między innymi wytwarzać wartościowy polimer fenolowy. Oczywiście rozwój w/w procesów przetwarzania różnorakich roślin do rozmaitych materiałów tak dla większości gałęzi gospodarki światowej, jak i powszechnego użytku zależy obecnie od kształtowania się cen ropy. Nie ma jednak wątpliwości, że wszystkie nieodnawialne surowce będą z biegiem czasu drożały, a to zapewnia dalszy intensywny rozwój przetwórstwa biomasy do różnorakich materiałów, niezbędnych gospodarce światowej. Ta dziedzina stosowania biomasy winna mieć pierwszeństwo w stosunku do odnawialnych źródeł energii. Gospodarka światowa może swoje potrzeby na energię elektryczną oraz ciepło użytkowe zaspokoić w pełni z energii: słońca, geotermalnej, wody i wiatru. 5