Bioenergiák: etanol, butanol

Az előadások a következő témára: "Bioenergiák: etanol, butanol"— Előadás másolata:

1 Bioenergiák: etanol, butanol

2 Élesztő anyagcsere

3 Alapanyagok Cukor Keményítő Cellulóz

4 Alapanyagok Cukor Keményítő Cellulóz

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

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

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

8 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

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

10 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

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

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

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

14 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

15 Bioetanol felhasználás
Élvezeti cikk

16 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!

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

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

19 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

20 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

21 Bioetanol cellulózból
Legnagyobb mennyiségben keletkező anyag Lignin, cellulóz, hemicellulóz

22 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

23 Clostridia: biopolimer bontás
Poliszacharidok Celluláz: celluloszóma Amiláz

24 Bacillus lebontó enzimek
Proteázok, lipázok Celluláz, amiláz

25 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

26 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

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

28 AB biokémia: Embden-Meyerhof

29 AB biokémia Acetogenezis Szolventogenezis

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

31 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

32 Biobutanol előnyök

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