Planowanie Projektów Odnawialnych Źródeł Energii Biomasa (odpady fermentowalne)

Transkrypt

1 Slajd 1 Lennart Tyrberg, Energy Agency of Southeast Sweden Planowanie Projektów Odnawialnych Źródeł Energii Biomasa (odpady fermentowalne) Prepared by: Mgr inż. Andrzej Michalski Verified by: Dr inż. Andrzej Tonderski, POMCERT

2 Slajd 2 1. Proces przemiany skrobi 2. Hydroliza hemicelulozy z biomasy 3. Fermentacja przy użyciu drożdży 4. Przykładowe techniki wstępnej obróbki 5. Surowce 6. Przeszkody dla wzrostu wykorzystania etanolu 7. Doświadczenia krajowe 8. Doświadczenia zagraniczne

3 Slajd 3 Proces przemiany skrobi Konwencjonalna produkcja etanolu z wykorzystaniem enzymów (α-amylazy i glukoamylazy) oraz drożdży. Proces przemiany skrobi przez glukozę do etanolu i dwutlenku węgla. Niedogodności wynikające ze złożoności lignocelulozowych składników ścian komórkowych, które składają się na biomasę. W konwencjonalnej produkcji etanolu, skrobia i cukry są przekształcane w etanol w kilku etapach obejmujących udział szeregu enzymów. Termostabilną α-amylazę stosuje się w obecności wody i ciepła do upłynnienia skrobi, a następnie stosuję się glukoamylazę by zmienić skroploną skrobię w cukry. Następnie dodaje się biokatalizator w postaci drożdży, które przefermentowują cukry do etanolu. Proces ten jest dojrzałą technologią, która odbywa się na skalę przemysłową. Gdy lignoceluloza jest substratem dla produkcji etanolu, mogą wystąpić pewne niedogodności. Wady te związane są ze złożonością lignocelulozowych składników ścian komórkowych, które składają się na biomasę.

4 Slajd 4 Hydroliza hemicelulozy z biomasy Hydroliza części hemicelulozy z biomasy lignocelulozowej generuje znaczne ilości cukrów pentozowych i potencjalnych inhibitorów mikrobów. Obecność tych związków wykazuje zbyt dużego wpływ na mikroorganizmy fermentujące, co prowadzi do wolnego wzrostu komórek i niskiej wydajności produkcji etanolu. Ponadto hydroliza części hemicelulozy z biomasy lignocelulozowej generuje znaczne ilości cukrów pentozowych i potencjalnych inhibitorów mikrobów. Obecność tych związków nie wykazuje zbyt dużego wpływ na mikroorganizmy fermentujące, co prowadzi do wolnego wzrostu komórek i niskiej wydajności produkcji etanolu.

5 Slajd 5 Fermentacja przy użyciu drożdży Fermentacja przy użyciu drożdży jest ograniczona przez fakt, że grzyby drożdżowe mogą fermentować tylko cukry o 6 atomach węgla (heksozy). Podczas fermentacji przy użyciu naturalnych drożdży fermentacja ogranicza się tylko do glukozy, skrobi, jak również innych cukrów, które mogą być enzymatycznie przekształcane w glukozę. Dwa z głównych składników ścian komórkowych roślin: celuloza i hemiceluloza są zbudowane z cukrów fermentujących, które są częściowo skrystalizowane i osadzone w ligninę, tak, że cukry nie są dostępne. Fermentacja przy użyciu drożdży jest ograniczona przez fakt, że grzyby drożdżowe w zasadzie mogą fermentować tylko cukry o 6 atomach węgla (heksozy), podczas gdy wiele cukrów obecnych w biomasie to pentozy, tj. zawierają 5 atomów węgla, lub pentozy powstają jako produkty pośrednie. Podczas fermentacji przy użyciu naturalnych drożdży fermentacja rzeczywiście ogranicza się tylko do glukozy, skrobi, jak również innych cukrów, które mogą być enzymatycznie przekształcane w glukozę i dlatego kwalifikują się jako ulegające fermentacji. Tak więc tylko niektóre z materiałów, w których cukry fermentujące są łatwo dostępne dla enzymów i drożdży, są oczywiście korzystne dla fermentacji alkoholowej, podczas gdy większość nie jest. Jednak dwa z głównych składników w ścianach komórkowych roślin - celuloza i hemiceluloza - są w zasadzie zbudowany z cukrów fermentujących. Problemem jest to, że są one częściowo skrystalizowane i osadzone w ligninę, tak, że cukry nie są dostępne.

6 Slajd 6 Przykładowe techniki wstępnej obróbki Różne techniki wstępnej obróbki, w tym stosowanie rozcieńczonych kwasów, gorącej wody lub amoniaku umożliwiają przerwanie tej struktury, zdekrystalizowanie celulozy i sprawienie, że cukry zawarte w hemicelulozie i celulozie są dostępne do dalszej fermentacji. Procesy te są nadal w fazie rozwoju i są zbyt kosztowne. W toku są badania nad modyfikacją genetyczną mikroorganizmów, w taki sposób aby wstępna obróbka była zbędna. Różne techniki wstępnej obróbki, w tym stosowanie rozcieńczonych kwasów, gorącej wody lub amoniaku umożliwiają przerwanie tej struktury, zdekrystalizowanie celulozy i sprawienie, że cukry zawarte w hemicelulozie i celulozie są dostępne do dalszej fermentacji. Procesy te są nadal w fazie rozwoju i jak na razie, są zbyt kosztowne, a także niektóre z produktów ubocznych powstających w czasie stosowania tych technik są inhibitorami w procesie fermentacji. W toku są badania nad modyfikacją genetyczną mikroorganizmów, w taki sposób aby wstępna obróbka była zbędna

7 Slajd 7 Surowce Duża część dzisiejszej produkcji etanolu jest oparta na specjalnych uprawach (kukurydza) rosnących na żyznej ziemi. Na całym świecie wzrasta świadomość niedoboru gruntów do takich upraw, co wywołało negatywne reakcje na możliwość wykorzystania etanolu jako paliwa. Ze względu na rywalizację o żyzne ziemie, produkcja etanolu powinna być oparte na odpadach fermentowalnych lub przynajmniej biomasy niejadalnej. Surowce do produkcji etanolu. Duża część dzisiejszej produkcji etanolu jest oparta na specjalnych uprawach (kukurydza) rosnących na żyznej ziemi. Na całym świecie wzrasta świadomość niedoboru takich gruntów, co wywołało reakcje negatywne do wykorzystania etanolu jako paliwa. Ze względu na rywalizację o żyzne ziemie, produkcja etanolu powinna być oparte na odpadach fermentowalnych lub przynajmniej biomasy niejadalnej.

8 Slajd 8 Przeszkody dla wzrostu wykorzystania etanolu Główną przeszkodą dla wzrostu wykorzystania etanolu jest cena etanolu, która odzwierciedla głównie koszt destylacji i nie jest prawdopodobne, aby spadła w najbliższej przyszłości. Z powodu konkurencji o zagospodarowanie gruntów ornych, produkcja etanolu powinna opierać się nie tylko na odpadach biodegradowalnych. Główną przeszkodą dla wzrostu wykorzystania etanolu jest cena etanolu. Cena odzwierciedla głównie koszt destylacji i nie jest prawdopodobne, aby spadła w najbliższej przyszłości Z powodu konkurencji o zagospodarowanie gruntów ornych, produkcja etanolu powinna opierać się nie tylko na odpadach biodegradowalnych, ale także powinna uwzględniać odpady fermentowalne, aby ograniczyć wykorzystanie biomasy, która może być pożywieniem dla ludzi lub zwierząt.

9 Slajd 9 Lennart Tyrberg, Energy Agency of Southeast Sweden THANK YOU! Dziękujemy! THANK YOU