top of page

Artykuł

Autor: mgr inż. Małgorzata Smuga – Politechnika Koszalińska


INNOW ACYJNE METODY OTRZYMYW ANIA BIOETANOLU JAKO PALIW A II GENERACJI

WSTĘP

Biopaliwa są to paliwa otrzymywane z surowców roślinnych, zwierzęcych bądź z mikro- organizmów, które ogólnie nazywa się biomasą. Potrzeba zorganizowania produkcji biomasy na cele energetyczne wynika z krajowych i unijnych uregulowań prawnych [1].

Biopaliwa ciekłe, do których należy bioetanol są otrzymywane głównie na drodze fer- mentacji alkoholowej węglowodanów do etanolu. Bioetanol powstaje w wyniku upraw rol- nych, takich jak: buraków, zboża, słoneczników czy trzciny cukrowej. Nieustanna produkcja tych surowców, nazywanych również surowcami pierwszej generacji, może doprowadzić do katastrofy ekologicznej i żywieniowej w skali świata. Z tych powodów korzystnie byłoby produkować bioetanol z cukrów prostych otrzymywanych z roślinnych surowców odpado- wych. Biopaliwa płynne drugiej generacji wytwarzane z tych surowców nie są jeszcze szero- ko rozpowszechnione ze względu na wysoki koszt produkcji.

Biomasa ligninocelulozowa jest powszechnie dostępna i tania. Jej źródłem są m.in.:

  • –  rosnące zasoby drzew iglastych i liściastych, trzciny, proso rózgowe (panicum virgatum,

    ang. switch grass), trawy;

  • –  plantacje szybko rosnących drzew: wierzby, topoli, eukaliptusa; niektóre gatunki traw;

  • –  odpady drzewne, słoma, siano, łodygi upraw roślinnych;

  • –  ligninoceluloza procesowa – odpady drzewne przemysłu celulozowo-papierniczego,

  • –  słoma, omłoty zbóż, kolby kukurydzy, odpady przemysłu młynarskiego, olejarskiego, zu-

    żyty budulec drzewny, odpady papiernicze i komunalne itp.
    Biomasa może być dogodnym surowcem do przerobu w biorafineriach o profilu bioche-

    micznym/chemicznym, a także termochemicznym. Pozwala bowiem na otrzymywanie indy- widualnych związków oraz biopaliw. Te ostanie nazywa się „biopaliwami drugiej generacji” (do paliw pierwszej generacji zalicza się bioetanol otrzymywany ze skrobi oraz z sacharozy i biodiesel) [2].

Streszczenie

W artykule omówiono stosowane metody produkcji bioetanolu. Przedstawiono również sposób produkcji bioetanolu z surowców drugiej generacji oraz jego znaczenie dla rozwoju rolnictwa, które mogłoby dostarczać surowce dla tej technologii. Zaprezentowano także rodzaje produkowanych paliw, których biokomponentem jest etanol produkowany z biomasy.

378 AUTOBUSY

1. BIOETANOL – PALIWO ODNAWIALNE

Bioetanol paliwowy to odwodniony alkohol etylowy otrzymywany w procesie fermenta- cji z produktów roślinnych zawierających cukry proste lub wielocukry. Etanol jest paliwem odnawialnym, ponieważ pierwotnie rośliny wykorzystują energię słoneczną i wodę do wy- tworzenia glukozy. Następnie w procesie fermentacji alkoholowej tego cukru zostaje wytwo- rzony alkohol etylowy oraz ditlenek węgla. Podczas spalania etanolu w silniku powstaje woda, dwutlenek węgla i ciepło, które powoduje ekspansję gazów, a w konsekwencji ruch tłoków [3].

Etanol podobnie jak benzyna składa się z atomów węgla i wodoru, ale zawiera również w swojej strukturze atom tlenu, który zwiększa liczbę oktanową paliwa i obniża stężenie CO i węglowodorów w gazach spalinowych.

Najpopularniejsze paliwa oparte na etanolu to:

  • –  E10 – biopaliwo zawierające 10% obj. bioetanolu i 90% obj. benzyny. Paliwo to oferowa-

    ne jest m.in. w USA jako alternatywa dla konwencjonalnej benzyny;

  • –  E20 – biopaliwo składające się z 20% obj. bioetanolu i 80% obj. benzyny; oferowane jest

    głównie w Brazylii do silników przystosowanych do spalania tego typu paliwa;

  • –  E85 – jest biopaliwem do silników benzynowych składającym się z bioetanolu z 15-30% domieszką benzyny. Dodatek benzyny zapewnia możliwość uruchomienia silnika w ni- skich temperaturach i powoduje, że w przypadku pożaru ogień jest bardziej widoczny. Czysty etanol pali się bladym słabo widocznym płomieniem, a jego właściwości powodu-

    ją, że poniżej 15°C mogą wystąpić problemy z rozruchem pojazdu.

  • –  E95 – jest to biopaliwo do silników o zapłonie samoczynnym (diesla), będące mieszaniną

    składającą się z 95% obj. bioetanolu i 5% obj. dodatków poprawiających jego parametry.

  • –  E100 – oferowane jest wyłącznie w Brazylii i Argentynie. Paliwo to składa się z samego bioetanolu o czystości 96% obj. bez domieszki benzyny. Pozostałą ilość 4% obj. stanowi woda, której całkowite wydzielenie w procesie destylacji nie jest możliwe. Paliwo to nie nadaje się do stosowania w chłodnym i przejściowym klimacie ze względu na problemy

    z uruchomieniem silnika w temperaturze otoczenia poniżej 15°C [6].
    W Polsce bioetanol stosowany jest jako tlenowy dodatek do benzyn, który zmniejsza emi- sję tlenku węgla, tlenku azotu i węglowodorów. Według Narodowego Celu Wskaźnikowego przyjętego w Polsce w oparciu o dyrektywę UE udział bioetanolu stosowanego w benzynach powinien wynosić: w 2007 r.– 3,5%, w 2008 r.– 4,25%, w 2009 r.– 5,0%, w 2010 r.– 5,75%,

    a do 2020 r. będzie to 10% [5].

    2. TECHNOLOGIE PRZETWARZANIA SUROWCÓW LIGNOCELULOZOWYCH DO BIOETANOLU

    Surowce drugiej generacji stanowią potencjalne źródło do produkcji paliw w przyszłości. Największym problemem jest jednak rozkład wielocukrów (celulozy i hemicelulozy) do cu- krów prostych, które mogą ulegać fermentacji. Jak dotąd koszt przetworzenia surowców dru- giej generacji do bioetanolu jest wysoki i uniemożliwia wprowadzenia tych technologii na szerszą skalę. Struktura lignocelulozy jest krystaliczna i trudna do obróbki. Dlatego aby wy- tworzyć z niej płynne biopaliwo należy przeprowadzić szereg procesów. Dotychczas znane i wykorzystywane były dwie drogi biochemiczna lub termochemiczna. Innowacyjnym sposo- bem wytwarzania bioetanolu drugiej generacji jest przeprowadzenie procesu enzymatycznej hydrolizy surowców celulozowych z wykorzystaniem cieczy jonowych.

    Procesy przetworzenia lignocelulozy obejmują: ekstrakcję celulozy, jej hydrolizę z wyko- rzystaniem enzymów celulolitycznych oraz fermentację powstałych podczas scukrzania cu- krów prostych. Procesy te mogą być przeprowadzone w różny sposób:

– osobna hydroliza i fermentacja (SHF), każdy z trzech elementów prowadzony w osobnym

reaktorze w obecności katalizatora biologicznego;

AUTOBUSY 379

  • –  jednoczesne scukrzanie i fermentacja (SSF);

  • –  scukrzanie i tradycyjna fermentacja są połączone z fermentacją pentoz w jednoczesnym scu-

    krzaniu i kofermentacji (SSCF), natomiast produkcja celulozy jest nadal odrębnym procesem;

  • –  połączony bioproces (CBP) – wszystkie 3 etapy są połączone w jeden proces [2].

    Ciecze jonowe, zwane „zielonymi rozpuszczalnikami” są dużą szansą na przeprowadze- nie tego procesu w systemie CBP. Można je projektować w zależności od rozpuszczanego surowca. Ponadto podczas jednego procesu możliwe jest za pomocą odpowiednich cieczy jonowych wyekstrahowanie celulozy oraz „rozluźnienie” jej struktury. Pozwala to na łatwiej- szy dostęp dla enzymów celulolitycznych. Ciecze jonowe rozpuszczające celulozę są przyjazne dla środowiska i mogą być je odzyskiwane po zakończonym procesie, co zwiększa ich atrak- cyjność. W przyszłości ta technologia ma szansę stać się jedną z najbardziej opłacalnych [3].

    PODSUMOW ANIE

    Zasoby paliw konwencjonalnych są ograniczone i nieodnawialne, a ich wykorzystanie powoduje do zanieczyszczenie atmosfery gazami cieplarnianymi, przyczyniając się do ocie- plania się klimatu. Koniczność przeciwdziałania zmianom klimatu oraz chęć uzależnienia się od nadmiernego zużywania paliw nieodnawialnych, jak również ich importu zwiększyła zain- teresowanie wykorzystywaniem biopaliw płynnych i stałych. Bioetanol produkowany z su- rowców drugiej generacji, tj.: słoma, odpadki potartaczne oraz celulozowe, stałby się alterna- tywą dla paliw konwencjonalnych, a jego produkcja byłaby wielką szansą dla rozwoju wielu gospodarstw rolnych i gorzelni rolniczych.

    BIBLIOGRAFIA

    1. Bedyk I., Oleksiak S.: Biopaliwa w Unii Europejskiej – promocja i uwarunkowania, Pali- wa, Oleje i Smary w Eksploatacji, 2002, nr 101.

    2. BioEthanol Japan Begins Production of Cellulosic Ethanol from Wood Scraps, Uses Ce- lunol Technology published by Green Car Congress, http://www.greencarcongress.com.

    3. Burczyk B.: Biorafinerie ile w nich chemii? Wiadomości Chemiczne, 2009, nr 63.

    4. Feil F.S.: Stan obecny i rozwój wybranych technologii biomasy, Materiały Konferencyjne: Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku, Wyd. ECBREC/IBMER, Warszawa, 2001.

    5. Ustawa o biokomponentach i biopaliwach ciekłych, DzU z 2006 r., nr 169. poz. 1199.

    6. Wirtualny Nowy Przemysł – wnp.plhttp://nafta.wnp.pl.

    7. Worldwatch Institute Biofuels for transport: global potencial and implications for sus-

      tainable energy and agriculture, Earthscan, 2007.

Kontakt
Innowacje: Info
bottom of page