Bioenergiák: etanol, butanol

Élesztő anyagcsere

Alapanyagok Cukor Keményítő Cellulóz

Alapanyagok Cukor Keményítő Cellulóz

Alapanyagok Cukor Keményítő Cellulóz 2x1011 tonna biomassza/év/Föld, fele cellulóz Cellulóz, hemicellulóz, lignin Kristályos, stabil szerkezet: nehezen bontható

Bioetanol folyamatábra cukorra Biomassza termelés Etanol tisztítás Glükóz fermentáció Etanol kinyerés Fermentációs maradék

Bioetanol folyamatábra keményítőre Biomassza termelés Etanol tisztítás Keményítő fiziko-kémiai előkezelés Glükóz fermentáció Etanol kinyerés Enzim gyártás: amiláz, glukoamiláz Keményítő enzimes előkezelés Fermentációs maradék

Bioetanol folyamatábra cellulózra Pentóz fermentáció Biomassza termelés Etanol tisztítás Cellulóz fiziko-kémiai előkezelés Glükóz fermentáció Etanol kinyerés Cellulóz enzimes előkezelés Enzim gyártás: exo-, endo glükanázok, glükozidáz, xilanáz Fermentációs maradék + lignin

Bioetanol keményítőből Fizikai- kémiai előkezelés Keményítő hidrofób Hense edény Hidrátburok főzéssel

Bioetanol keményítőből Enzimes előkezelés cefrekádban Keményítő elágazó cukorpolimer α-amiláz (1,4-glükozid kötést bont) B. licheniformis, B. subtilis, A. oryzae Glükoamiláz (1,4-, 1,6-, 1,3-glükozid kötést bont A. niger

Bioetanol keményítőből Fermentáció Élesztő: anaerob fermentorban 15-35 ◦C, kevert, fed-batch vagy folyamatos 10-15 % EtOH tartalmú fermentációs termék termékgátlás biomassza

Bioetanol keményítőből EtOH kinyerés Desztilláció Rozsdamentes acél 82-87 % EtOH + H2O

Bioetanol keményítőből EtOH tisztítás Acetaldehid mentesítés 1-2 %, erős oxidálószer Desztilláció rézedényben Vízmentesítés Adszorpcióval 96-100 % EtOH Üzemanyag kiegészítőként Kémiai ipari alapanyagként

Bioetanol gyártás Fejlesztési területek EtOH tűrő élesztő GMO EtOH termelő baktérium pl. Zymomonas mobilis mezofil, gyorsan szaporodik, GMO Thermoanaerobacter aethanolicus termofil, gyorsan szaporodik, hatásfok nő Immobilizálás Élesztőre, baktériumra

Bioetanol felhasználás Élvezeti cikk

Bioetanol felhasználás Üzemanyag adalék E-15, E-25, E-85 Brazília kezdte 20% bekeverés 1970: karburátor probléma Ma: lehetséges Égéshő ≈ benzin Párolgáshő alacsonyabb Hidegindítás Csak vízmentes EtOH keverhető benzinnel!

Bioetanol felhasználás Vegyipari alapanyag Fermentációs ipari alapanyag Polihidroxi alkánsavak Ecetsav Takarmány kiegészítő Marhahús puhítás Dízel olaj adalék peroxidokkal

Fermentációs maradék: szeszmoslék 1 lit EtOH + 10 lit maradék Takarmány kiegészítő Energia: biogáz

Bioetanol gazdaságosság Alapanyag: cukor – cukorpolimer Energiaigény Teljes költség kb. 40 % Fosszilis vagy megújuló Megújuló: égetés vagy biogáz Hidrolizáló enzimek Keményítő: teljes költség 25 % Cellulóz: instabil enzimek, drága, nem hatékony Fermentációs maradék hasznosítás Takarmány = értékes melléktermék, ha van elég állat Biogáz = energia igény Életciklus számítások Helyi körülményektől függ mérsékelt égövben

Etil tercier butil éter (ETBE) Tiszta, színtelen vagy halványsárga, éter illatú folyadék Etanol (megújuló is lehet) és izobutilén (fosszilis) alapanyagból Oktán számot növeli Pb-t helyettesít, környezetbarátabb Elosztó hálózatok kezelik 1992-től használják Nem jól oldódik vízben, ez jó Hasonló: metil tercier butil éter

Bioetanol cellulózból Legnagyobb mennyiségben keletkező anyag Lignin, cellulóz, hemicellulóz

Bioetanol cellulózból Cellulóz, hemicellulóz lebontás Savakkal (sósav, kénsav) tömény-rövid vagy híg-hosszú kezelés Hőrobbantás (Steam explosion) Nagy nyomás, magas hőmérséklet Enzimatikus Celluláz, hemicelluláz Gombák, baktériumok

Clostridia: biopolimer bontás Poliszacharidok Celluláz: celluloszóma Amiláz

Bacillus lebontó enzimek Proteázok, lipázok Celluláz, amiláz

Aceton - Butanol termelés EtOH után a 2. legfontosabb fermentációs termék Pasteur (1861): mikrobiális butanol fermentáció 1900- szintetikus gumigyártás alapanyaga Clostridium acetobutylicum (1910-) Weizmann vs. Fernbach

ABE termelés Clostridium acetobutylicum Gram + Obligát anaerob Spórát képez Keményítő hidrolizátumon, melaszon jól nő csicsóka, tejpermeátum, almalé, alga is jó táp Butanol:Aceton:EtOH = 6:3:1 arányban Frakcionált desztilláció Szakaszos, folyamatos üzemmódban

ABE biokémia C. acetobutylicum Szerves oldószerek Szerves savak butanol, aceton etanol, i-propanol Szerves savak ecetsav, tejsav vajsav

AB biokémia: Embden-Meyerhof

AB biokémia Acetogenezis Szolventogenezis

AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz Nehéz befolyásolni pH kritikus pH ≈ 6-7 → acetogenezis pH ≤ 4 → bespórázik

AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz Fe limitáció Acetogenezis utat Fe hiány gátolja Piruvát ferredoxin oxidoreduktáz (PFOR) NADH ferredoxin oxidoreduktáz [FeFe] hidrogenáz Szubsztrát limitáció Stacioner fázisban szerves savakat újra felhasználja → szolventogenezis

Biobutanol előnyök

ABE hasznosítás Oldószer, vegyipari alapanyag Melléktermékek Biomassza: B-vitaminok H2, CO2: energia, vegyipar Bioüzemanyag Jobb, mint EtOH bekeverés