Biotechnologia:

Etanol z celulozy

Celuloza – (C

6

H

10

O

5

)

n

Nierozgałęziony biopolimer, polisacharyd, o cząsteczkach złożonych z
kilkunastu do kilkuset tysięcy jednostek D-glukozy, połączonych
wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Celuloza jest podstawowym
składnikiem ścian komórkowych roślin. Jest nierozpuszczalna w
wodzie.

Zalety etanolu jako biopaliwa:

Zwiększa liczbę oktanową, a także, jako utleniacz, powoduje zmniejszenie
emisji toksycznych produktów spalania takich jak tlenek węgla, tlenki azotu i
pyły. Przyczynia się do aktywizacji rolnictwa, a także zmniejszenia kosztów
importu ropy naftowej.

Zastosowanie :

Etanol jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym oraz rozpuszczalnikiem o
szerokim
zastosowaniu. Etanol jest także wartościowym paliwem. Może być stosowany bądź
jako samodzielne paliwo dla specjalnie skonstruowanych silników bądź, i co częstsze,
jako dodatek do benzyn (w Brazylii 86% sprzedawanych nowych aut jest
przystosowanych do spalania etanolu ).

Zalecenia Unii Europejskiej mówią o 5% udziale etanolu w
rynku
paliw w 2010 r.

Wady etanolu jako biopaliwa:

Niedogodności wynikające ze stosowania etanolu jako dodatku do paliw
związane są z
gorszymi właściwościami smarownymi i podwyższeniem lotności paliw.

Właściwości:

Etanol jest bezbarwną cieczą o gęstości 789,4 kg/m

3

,

wrzącą w temperaturze 78,4

O

C pod normalnym

ciśnieniem (0,1013 MPa). Ciepło spalania etanolu wynosi
ok. 27 MJ/kg.

Etanol

Surowce:

Główne potencjalne surowce do produkcji etanolu z

celulozy:

- słoma kukurydziana – główny odpad z uprawy kukurydzy, w USA

ok. 200 mln ton rocznie.

- Proso rózgowe (Switchgrass) – nie wymaga specjalnego

nawożenia, ani środków ochrony roślin, może rosnąć w
trudnych warunkach klimatycznych, często sadzone by
zapobiec erozji gleby, dostarcza duży plon biomasy 15 do 25
ton na hektar, co potencjalnie daje ok. 9500 litrów etanolu z
hektara uprawy,

- Miskant (Trawa słoniowa) – daje plon 25 ton biomasy na hektar,
- Miazga drzewna – odpad z produkcji papieru,
- inne odpady drzewne oraz rolne.

słoma kukurydziana

Proso rózgowe (Switchgrass)

Trawa słoniowa

odpady drzewne

Otrzymywanie etanolu z celulozy

Przeciętna wydajność etanolu z
surowców celulozowych wynosi 0,42
m

3

/tonę

suchej masy.

Obróbka wstępna

Metody przygotowania biomasy:

- mielenie i namaczanie,
- „Steam Explosion” – patent firmy SunOpta, traktowanie

biomasy parą o temp. 180 - 210

O

C, o ciśnieniu 1 - 3 MPa,

przez 1 do 10 min, po czym następuje nagłe rozprężenie do
ciśnienia atmosferycznego,

- hydroliza chemiczna:

- stężonym kwasem,
- rozcieńczonym kwasem,

Hydroliza chemiczna

Stężonym kwasem:

- H

2

SO

4

lub HCl,

- temperatura 10 - 45

O

C,

- wydajność ok. 90%,
- czas: 2 do 6h,
- zalety: w instalacji nie musi być generowane duże ciśnienie i

wysoka temperatura,

- wady: trudny proces oddzielenia kwasu od hydrolizatu i jego

regeneracja,

- w praktyce nie stosowana na skale przemysłowa.

Hydroliza chemiczna

Rozcieńczonym kwasem:

- H

2

SO

4

(0.5 - 2%),

- temperatura ok. 200

O

C,

- wysokie ciśnienie,
- wydajność ok. 50%,
- zalety: otrzymany hydrolizat jest mniej zdegradowany niż w

metodzie z stężonym kwasem, hydrolizat może być łatwo

zobojętniony i przejść do kolejnego etapu produkcji etanolu,

krótki czas trwania procesu

- wady: duże koszty instalacji i nakłady energii na utrzymanie

warunków procesu,

- stosowana w Brazylii i USA.

Hydroliza enzymatyczna

Do hydrolizy enzymatycznej stosuje się enzymy z grupy celulaz

należące do klasy hydrolaz. Ten rodzaj hydrolizy można
stosować po wstępnej obróbce biomasy np. metodą Steam
Explosion.

Enzymy stosowane do hydrolizy celulozy:

- endo-1,4-β-glukonaza,
- egzo-1,4-β-glukonaza,
- β-glukozydaza (celobioza).

Do hydrolizy całej biomasy stosuje się poza celulazami enzymy z

grup xylulaz i hemicelulaz. Dostępne są handlowo preparaty
enzymatyczne stanowiące mieszaninę powyższych enzymów
np. Viscoferm® firmy Novozymes.

Hydroliza enzymatyczna

Komputerowy modele cząsteczki

celulazy na powierzchni celulozy:

Hydroliza enzymatyczna

Schemat działania
celulaz:

glukoz
a

2
pirogronian

2 aldehyd octowy

2 etanol

Szlak
fruktozobisfosforanowy

Dekarboksylaz
a
pirogronianow
a

Dehydrogenaza
alkoholowa

2 NADH

2

2 NAD

CO

2

Fermentacja alkoholowa

Saccharomyces
cerevisiae

Optimum pH dla fermentacji prowadzonej przez drożdże wynosi 4.5 - 4.7.
Przy wyższych wartościach pH powstają znaczne ilości glicerolu i kwasów
organicznych. Kwaśne środowisko ogranicza ryzyko infekcji bakteryjnej.
Optimum temperaturowe to 30 - 40°C. Wraz z temp. maleje odporność
drożdży na toksyczne działanie etanolu. Gdy stężenie etanolu jest równe
8 - 9%, temp. nie powinna przekraczać 30°C. Na hamowanie fermentacji
wpływa również stężenie etanolu, tlenu oraz cukrów w pożywce.

glukoz
a

2
pirogronian

2 aldehyd
octowy

2 etanol

Szlak 2-keto-3-deoksy-6-
fosfoglukoninowy

Dekarboksyl
aza
pirogroniano
wa

Dehydrogenaza
alkoholowa

2 NADH

2

2 NAD

CO

2

Cukry rozkładane są w szlaku Entnera-Doudoroffa (szlak 2-keto-3-
deoksy-6-fosfoglukoninowy), w którym jeden mol heksozy
przechodzi w 2 mole etanolu, 2 mole CO

2

i tylko jeden mol ATP.

Optymalna temp. fermentacji to 25 - 31

o

C. Przyrost biomasy o ok.

1/3 mniejszy niż u drożdży, przy jednoczesnej większej szybkości
przyswajania glukozy i produkcji etanolu. Wydajność produkcji
etanolu 92%, przy produkcji ciągłej uzyskuje się stężenie etanolu
od 55 do 65 g/L.

Fermentacja alkoholowa

Zymomonas
mobilis

Fermentacja alkoholowa

Clostridium thermocellum – termofilne (45-60 °C) bakterie

przetrwalnikujące, rozkładające celulozę za pomocą enzymów
celulolitycznych

Inne
mikroorganizmy

Uproszczony schemat ścieżek
metabolicznych:

Produkt i oczyszczanie

Przy fermentacji ciągłej uzyskuje się średnio od 50 - 60g etanolu
na litr cieczy po fermentacyjnej na godzinę. Ilość uzyskiwanego
produktu można zwiększyć do ok. 80 g/l

.

h przy zastosowaniu

membran odbierających etanol w trakcie trwania procesu
fermentacji. Najbardziej obiecującą metodą poprawy wydajności
nad, którą prowadzone są badania jest zwiększenie gęstości
komórek w bioreaktorze poprzez immobilizację ich na stałym
nośniku lub poprzez zastosowanie szczepów zdolnych do
tworzenia kłaczków. Produktywność etanolu w procesie ciągłym
przy zwiększonej gęstości komórek może wynieść od 90 do 200
g/l

.

h.

Etanol może być oczyszczany różnymi metodami:

- destylacje z cieczy pofermentacyjnej,

- perwaporacja (poprzez membrany) po oddzieleniu biomasy,

- w sposób ciągły przy fermentacji próżniowej (53.2 hPa, 35

O

C),

- ekstrakcję selektywnym rozpuszczalnikiem,

- w bioreaktorze membranowym poprzez separacje metabolitów
(destylacja mambranowa).

Jednostopniowa produkcja etanolu z

celulozy

SSF – Simultaneous Saccharyfication and

Fermenatation

W metodzie tej stosuje się jeden bioreaktor z mikroorganizmami
jednocześnie produkującymi celulazy i przeprowadzającymi fermentacje
etanolową. Główną trudnością w tej technologii jest zapewnienie
optymalnej temperatury dla hydrolizy celulozy (45 - 50

o

C) i fermentacji

sacharydów (28 - 35

o

C) w jednym bioreaktorze. Obecnie głównym

mikroorganizmem wykorzystywanym w tej metodzie jest Clostridium
thermocellum, który w temp. 55 - 60

o

C produkuje 1 mola etanolu z 1

mola celulozy, przy tej temperaturze możliwa jest bezpośrednia
destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem etanolu w trakcie fermentacji.
Metoda te nie jest jednak opłacalna ze względu na małą wydajność oraz
duża wrażliwość na etanol Cl. Thermocellum. Trwają obecnie prace nad
uzyskaniem nowych szczepów bardziej odpornych na etanol. Dokonuje
się również modyfikacji genetycznych Saccharomyces cerevisiae i
Zymomonas mobilis w kierunku uzyskania szczepów produkujących
celulazy oraz prowadzących fermentacji w wyższej temperaturze, co
pozwoliło by je wykorzystać w metodzie SSF.

Produkcja etanolu z celulozy na świecie

Według szacunków przemysłowa
produkcja etanolu z celulozy stanie się w
pełni opłacalna przy osiągnięciu ceny
1.07$/galon, ma to nastąpić około roku
2012.

Największe prowadzone
obecnie inwestycje w
USA, których mają w pełni
funkcjonować od 2010
roku:

- Abengoa Bioenergy
Biomass of Kansas, LLC of
Chesterfield, Missouri,
produkcja 11.4 mln galonów
etanolu na rok

- ALICO, Inc. of LaBelle,
Florida, 13.9 mln
galonów/rok

- BlueFire Ethanol, Inc. of
Irvine, California, 19 mln
galonów/rok

- Iogen Biorefinery Partners,
LLC, of Arlington, Virginia,
18 mln galonów/rok

- Range Fuels (formerly Kergy
Inc.) of Broomfield, Colorado
40 mln galonów etanolu na
rok

Co może być napędzane

bioetanolem ? - np. Koenigsegg

CCXR

Koenigsegg CCXR:

- 1018 KM,
- 4.7 litra , V8,
- od 0 do 100km/h: 2.9 s,
- prędkość max : 407 km/h,
- paliwo E85 i E100,
- cena: 1.5 mln euro

Literatura

- „Postawy biotechnologii przemysłowej”, Praca zbiorowa pod

redakcja Włodzimierza Bednarskiego i Jana Fiedurka, WNT
2007,

- „Mikrobiologia ogólna”, Hans G. Schlegel, PWN 2000,
- „Biotechnologia - podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne”,

A. Chmiel, PWN 1998,

- „Research Advances Cellulosic Ethanol, NRLT leads the way.”

March 2007,

- „Zarys możliwości wykorzystania etanolu jako odnawialnego

źródła energii”, Prof. dr hab. inż. Krzysztof W. Szewczyk,
Politechnika Warszawska,

- „Oregon Cellulose-Ethanol Study: Overview of Cellulose-Ethanol

Production Technology.”,

- źródła internetowe.