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
Bedyk I., Oleksiak S.: Biopaliwa w Unii Europejskiej – promocja i uwarunkowania, Pali- wa, Oleje i Smary w Eksploatacji, 2002, nr 101.
BioEthanol Japan Begins Production of Cellulosic Ethanol from Wood Scraps, Uses Ce- lunol Technology published by Green Car Congress, http://www.greencarcongress.com.
Burczyk B.: Biorafinerie ile w nich chemii? Wiadomości Chemiczne, 2009, nr 63.
Feil F.S.: Stan obecny i rozwój wybranych technologii biomasy, Materiały Konferencyjne: Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku, Wyd. ECBREC/IBMER, Warszawa, 2001.
Ustawa o biokomponentach i biopaliwach ciekłych, DzU z 2006 r., nr 169. poz. 1199.
Wirtualny Nowy Przemysł – wnp.pl, http://nafta.wnp.pl.
Worldwatch Institute Biofuels for transport: global potencial and implications for sus-
tainable energy and agriculture, Earthscan, 2007.