Hydrolyzační alkohol (Cellulosic ethanol) - ethanol získaný kvasným kvašením cukerných látek získaný hydrolýzou celulózy obsažené v odpadech z lesního průmyslu.
Na hydrolýzách se z 1 tuny dřeva získá až 200 litrů etylalkoholu, což umožňuje nahradit 1,5 tuny brambor nebo 0,7 tuny obilí. Kromě celulózy obsahuje složení buněčných membrán několik dalších sacharidů , známých pod společným názvem hemicelulózy , extrahovaných z buněčných membrán 1% roztokem kyseliny chlorovodíkové nebo sírové při zahřívání.
Hydrolyzovaný alkohol může být vyroben za použití různých technologií hydrolýzy.
Některá schémata hydrolýzy zahrnují získání směsi ethyl a methyl alkoholů [1] .
Bioetanol je alkohol, který se získává z cukrů fermentací za pomoci mikroorganismů. Běžnou kvasinkou používanou k tomuto účelu je vědecký název Saccharomyces cerevisiae. Cukry se získávají z rostlin, které využívají energii slunečního světla prostřednictvím fotosyntézy k vytvoření svých organických složek z oxidu uhličitého (CO 2 ). Cukry mohou být skladovány ve formě škrobu (např. obilná zrna, brambory) nebo sacharózy (např. cukrová řepa, cukrová třtina), nebo mohou být rozloženy na strukturní složky (např. celulóza), které dávají rostlině tvar a stabilitu. V současnosti se bioetanol vyrábí především fermentací sacharózy (brazilská cukrová třtina) nebo hydrolyzátů škrobu (kukuřice, obilí). Po destilaci a vysušení lze etanol použít jako palivo. Tento typ výroby však vytváří konkurenční situaci na trhu s potravinami. Kromě toho omezená plocha osázená plodinami a obavy o životní prostředí spojené s nezbytnou intenzifikací zemědělství brání velkovýrobě etanolu na bázi škrobu. Cílem je proto stále více využívat nízkonákladové rostlinné zbytky, jako je sláma, dřevní odpad a produkty na ochranu krajiny nebo energetické rostliny, jako je prosa prosa (Panicum virgatum) nebo miscanthus , které nevyžadují intenzivní zemědělství a rostou i na chudých půdách. Na rozdíl od konvenčního bioetanolu, který se vyrábí téměř výhradně z částí plodin bohatých na cukr nebo škrob, jako je kukuřice a pšenice, lze k výrobě celulózového etanolu použít jakoukoli celulózovou část rostliny. Jako možné suroviny pro výrobu celulózového etanolu jsou považovány trávy, řasy a rostlinný odpad .
Výhody celulózového etanolu jsou na jedné straně v tom, že jeho výroba je z hlediska životního prostředí efektivnější a klimaticky neutrální a na druhé straně v menší konkurenceschopnosti při pěstování potravinářských plodin. navzdory intenzivní vládní podpoře v některých zemích nemůže velkovýroba celulózového etanolu v současné době konkurovat tradičnímu bioetanolu a fosilním palivům kvůli vysokým výrobním nákladům [2] . [3]
Celulóza se skládá ze zbytků molekul glukózy , které lze získat hydrolýzou celulózy v přítomnosti kyseliny sírové [4] :
( C 6H 10O 5 ) n + nH 2O - > nC 6H 12O 6
V budoucnu se musí z roztoku odstranit kyselina sírová, která se vysráží například vápencem. Konečná reakce fermentace glukózy je popsána rovnicí:
C6H12O6 - > 2C2H5OH + 2CO2 _ _ _ _ _ _
V roce 1819 francouzský chemik Henri Braconnot objevil, že celulózu lze přeměnit (hydrolyzovat) na cukry pomocí kyseliny sírové. Tento cukr je následně fermentován na alkohol.
Ve Spojených státech otevřela společnost Standard Alcohol Company v Jižní Karolíně v roce 1910 první závod na výrobu etanolu z celulózy. Později byl otevřen druhý závod v Louisianě. Oba závody však byly po první světové válce z ekonomických důvodů uzavřeny.
První pokus o komercializaci procesu získávání etanolu ze dřeva byl učiněn v Německu v roce 1898. Zahrnoval použití zředěné kyseliny k hydrolýze celulózy na glukózu a byl schopen vyrobit 7,6 litrů etanolu na 100 kg dřevěného odpadu. Němci brzy vyvinuli průmyslový proces optimalizovaný pro výrobu asi 190 koňských sil. na tunu biomasy. Tento proces se brzy dostal do Spojených států a vyvrcholil dvěma komerčními zařízeními působícími na jihovýchodě během první světové války. Tyto závody využívaly tzv. „americký proces“ – jednostupňovou hydrolýzu zředěné kyseliny sírové. Přestože výtěžky byly poloviční oproti původnímu německému procesu (25 amerických galonů (95 l) etanolu na tunu oproti 50), produktivita amerického procesu byla mnohem vyšší. Pokles výroby řeziva donutil továrny zavřít krátce po skončení první světové války. Mezitím v USFS Forest Products Lab probíhala malá, ale pokračující studie hydrolýzy glukózy se zředěnou kyselinou. Během 2. světové války se USA znovu obrátily na celulózový etanol, tentokrát k přeměně na butadien na výrobu syntetického kaučuku. Společnost Vulcan Copper and Supply Company získala zakázku na výstavbu a provoz závodu na zpracování pilin na etanol. Závod byl založen na modifikacích původního německého „Schollerova procesu“ vyvinutého „USFS Product Laboratories“. Tento závod dosahoval výtěžku etanolu 50 amerických galonů (190 l) na suchou tunu, ale stále nebyl ziskový a byl po válce uzavřen.
S rychlým rozvojem enzymové technologie v posledních dvou desetiletích byl proces kyselé hydrolýzy postupně nahrazen enzymatickou hydrolýzou . Pro předúpravu je nezbytná chemická předúprava suroviny. hydrolýza (separace) hemicelulózy, aby mohla být účinněji přeměněna na cukry. Předúprava zředěnou kyselinou se vyvinula z raných prací na kyselé hydrolýze dřeva v USFS Forest Products Laboratory. Nedávno vyvinula USFS Forest Products Laboratory ve spolupráci s University of Wisconsin-Madison sulfitovou předúpravu k překonání lignocelulózové obstrukce pro spolehlivou enzymatickou hydrolýzu dřevní buničiny.
Bioethanol je ethylalkohol získaný fermentací z cukrů za pomoci mikroorganismů. K tomuto účelu se obvykle používá kvasinka ( Saccharomyces cerevisiae ) . Cukr pochází z rostlin, které využívají energii slunečního světla prostřednictvím fotosyntézy k vytvoření svých organických složek z oxidu uhličitého (CO 2 ). Cukry mohou být skladovány ve formě škrobu (např. obiloviny, brambory) nebo sacharózy (např. cukrová řepa , cukrová třtina ), nebo mohou být začleněny do strukturních složek rostlin (např. celulózy ), které dávají rostlině její tvar a stabilitu. V současné době se bioetanol vyrábí především fermentací sacharózy (brazilská cukrová třtina ) nebo hydrolyzátů škrobu ( kukuřice , ostatní obiloviny ). Po destilaci a vysušení lze etanol použít jako palivo. Tento druh technické kultury však vytváří konkurenci na trhu s potravinami. Kromě toho omezená dostupná plocha a obavy o životní prostředí spojené s nezbytnou intenzifikací zemědělství brání velkovýrobě etanolu na bázi škrobu. Cílem vědců je tedy stále více využívat levné rostlinné zbytky, jako je sláma , dřevní odpad a nebo energetické plodiny, jako je prosina obecná ( Panicum virgatum ) nebo miscanthus , které nevyžadují intenzivní zemědělství a často rostou na pustinách.
Rostlinné zbytky nebo energetické plodiny obsahují málo škrobu nebo sacharózy, ale obsahují sacharidy , uložené jako lignocelulózy v buněčných stěnách. Lignocelulózy se skládají z celulózy, hemicelulózy a nefermentovatelného ligninu ("dřevěná buničina"). Celulóza, stejně jako škrob, je polymer šestiuhlíkových molekul cukru, glukózy, spojených dlouhými řetězci. Oba se liší pouze typem připojení. Hemicelulózy se skládají převážně z pětiuhlíkových cukrů, xylózy a arabinózy , které spolu sousedí v rozvětvených řetězcích.
Stejně jako tradiční etanol lze i celulózový etanol přidávat do benzínu a používat jej dnes ve všech benzínových vozidlech. Jeho potenciál ke snížení emisí skleníkových plynů je větší než u tradičního etanolu získaného z obilovin. Výroba celulózového etanolu může stimulovat hospodářský růst ve venkovských oblastech, otevřít nové trhy pro zemědělce a zvýšit využívání obnovitelných zdrojů energie. Nejběžnější směsi benzínu nebo motorové nafty s alkoholem, nazývané gaschol a dischol .
Přes úzkou podobnost mezi fermentací škrobu a lignocelulózou, lignocelulóza představuje určité potíže. Nejprve se musí lignocelulóza zkapalnit a zcukernit. To je mnohem obtížnější než u škrobu, protože cukerné řetězce jsou těžko dostupné. Proto musí být rostlinný materiál předběžně chemicky nebo tepelně ošetřen. Teprve poté může dojít ke zcukernění pomocí speciálních enzymů (celulázy, xylanázy, glukosidázy), které štěpí celulózové řetězce na glukózu stejně jako amylázy ve škrobu. Tyto enzymy jsou odvozeny z hub, které se přirozeně podílejí na hnilobě, podílejí se na nich rostlinné zbytky. Vzhledem k tomu, že je zapotřebí podstatně více enzymů než pro sacharifikaci škrobu, vede to k vyšším nákladům. Výzkum v posledních letech však vedl k nižším nákladům.
Druhým důležitým rozdílem je, že lignocelulóza lignocelulóza obsahuje nejen glukózu jako stavební blok cukru jako ve škrobu, ale také další cukry, jako je xylóza a arabinóza (= C5 nebo pentózový cukr ). Nemohou je však využít kvasinky používané k výrobě etanolu. Proto je nutné používat speciálně vyšlechtěné kvasinky, které kromě glukózy dokážou zkvasit na etanol i další cukry.
Tradiční výroba etanolového paliva využívá pouze kvasinky typu Saccharomyces. Jedná se o stejný kvas, který se používá k výrobě chleba, piva a vína. Výhodou kvasinek oproti bakteriím je, že manipulace s nimi v průmyslových procesech byla zavedena po staletí. Z tohoto důvodu jsou ideální pro výrobu etanolu z lignocelulózy. Jejich hlavní nevýhodou však je, že mohou fermentovat pouze cukry C6 (=hexózy), ale ne cukry C5 (=pentózy).
V posledních letech se různým výzkumným skupinám z Evropy a USA podařilo získat kmeny kvasinek, které také fermentují cukr C5 na etanol. Genetický materiál kvasinek ukazuje, že by jednou mohli používat cukr C5. V průběhu svého vývoje však tuto vlastnost opět ztratili. Pomocí genového inženýrství bylo možné tuto vlastnost kvasinkovým buňkám vrátit nebo je dokonce výrazně zlepšit. K tomu vnesli příslušný genetický materiál z jiných kvasinek, hub a bakterií. Výsledkem byly kvasinkové buňky schopné fermentovat cukry C6 i C5.
V případě cukerné xylózy C5 byly použity dvě různé strategie. Vědci z Lund University ve Švédsku použili dvoustupňový mechanismus (xylóza reduktáza/xylitol dehydrogenáza z kvasinky Pichia stipitis) k zavedení xylózy do metabolismu kvasinek Saccharomyces. Vědcům z Frankfurtské univerzity a Technické univerzity v nizozemském Delftu se však nedávno podařilo úspěšně vyšlechtit kvasinky, které xylózu přímo v jednom kroku rozkládají pomocí enzymu xylózaizomeráza, integrují se do jejich metabolismu a fermentují na etanol. Vědci z Delftu používají eukaryotickou xylózaizomerázu, zatímco frankfurtští vědci používají bakteriální xylózaizomerázu, která má tu výhodu, že je méně silně inhibována inhibitorem xylitolem.
V případě C5 cukerné arabinózy byla 5-kroková degradační cesta u kvasinek Saccharomyces, která je běžná u hub, shledána méně vhodnou. Naproti tomu na univerzitě ve Frankfurtu byla úspěšně zavedena třístupňová metabolická dráha, která se normálně vyskytuje pouze u bakterií. Pokud byla tato metabolická cesta integrována do kvasinek a poté nucena používat arabinózu jako jediný zdroj energie po několik měsíců, byly skutečně vyvinuty kvasinkové kmeny, které byly schopny fermentovat arabinózu stejně jako glukózu. Poté byly společně s vědci z Lundské univerzity vypěstovány kvasinky, které dokázaly fermentovat všechny cukry, tedy glukózu, xylózu a arabinózu, za vzniku etanolu.
Třetí rozdíl mezi klasickým etanolovým procesem a celulózovým etanolem spočívá v toxických látkách, které vznikají při chemické a tepelné předúpravě rostlinného materiálu (např. furfuralů). Tyto inhibitory poškozují mikroorganismy používané při fermentaci. Před fermentací se proto musí odstranit, což však vyžaduje další náklady.
Byly nalezeny některé bakteriální druhy, které jsou schopné přímo převádět celulózový substrát na ethanol. Jedním z příkladů je Clostridium thermocellum , které využívá komplexní celulózu k rozkladu celulózy a k syntéze ethanolu. C. thermocellum však při metabolismu celulózy produkuje kromě etanolu i další produkty, včetně acetátu a laktátu , což snižuje účinnost procesu. Některé výzkumné snahy jsou zaměřeny na optimalizaci produkce etanolu pomocí geneticky upravených bakterií, které se zaměřují na cestu produkce etanolu.
Konverze všech cukrů může výrazně zlepšit ekonomiku fermentace rostlinné biomasy. Sláma obsahuje asi 32 % glukózy, 19 % xylózy a 2,4 % arabinózy. 1 tuna slámy obsahuje 320 kg glukózy. Úplnou fermentací vzniká asi 160 kg etanolu, což odpovídá objemu 200 litrů. Kompletní fermentace pentózového cukru xylózy poskytuje dalších 124 litrů etanolu na tunu slámy.
Ve studii zveřejněné v roce 2009 (Biofuels Benchmarking) odhadla Agentura pro obnovitelné zdroje (FNR) náklady na lignocelulózový etanol na bázi slámy na přibližně 24 EUR/GJ pro rok 2020, přičemž hodnota byla stále 30 EUR/GJ. v roce 2007. Při výhřevnosti bioetanolu 23,5 MJ/l to odpovídá cca 56 centům/l (2020) nebo cca 70 centům/l (2007). To znamená, že náklady jsou vyšší než náklady na škrob-etanol. V této souvislosti studie dochází k závěru, že bioetanol lignocelulózy pravděpodobně nebude konkurenceschopný bez financování. [11] Je však třeba poznamenat, že skutečné náklady se projeví pouze tehdy, když je systém provozován komerčně. Největší náklady způsobují enzymy pro zcukernatění celulózy. Výrobci enzymů však upozorňují, že levné procesy pro účinnější enzymy již existují, ale nevyplatí se je vyrábět, protože po nich není poptávka. Z dlouhodobého hlediska bude celulózový etanol pravděpodobně pouze dočasným řešením. Biopaliva třetí generace, jako je B. Biobutanol, fungují lépe, ale pouze pokud jsou odvozena z lignocelulózy.
| Vozidla na alternativní paliva | |
|---|---|
| palivový článek | |
| Svalnatý pohon |
|
| solární energie |
|
| Vzduchový motor | |
| Elektrická baterie a motor |
|
| motor na biopalivo | |
| Vodík |
|
| jiný | |
| Vícepalivová |
|
| Dokumentární filmy |
|
| viz také |
|