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