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

Biomasszatermelés

Glükóz fermentáció

Etanol kinyerés

Etanol tisztítás

Fermentációs maradék

Bioetanol folyamatábra keményítőre

Biomasszatermelés

Glükóz fermentáció

Etanol kinyerés

Etanol tisztítás

Fermentációs maradék

Enzimgyártás:amiláz,

glukoamiláz

Keményítőenzimes

előkezelés

Keményítőfiziko-kémiaielőkezelés

Bioetanol folyamatábra cellulózra

Biomasszatermelés

Glükóz fermentáció

Etanol kinyerés

Etanol tisztítás

Fermentációs maradék + lignin

Enzim gyártás:exo-, endo

glükanázok, glükozidáz, xilanáz

Cellulózenzimes

előkezelés

Cellulózfiziko-kémiaielőkezelés

Pentóz fermentáció

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

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• 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