Pytania na kolokwium I
z Biopaliw

Dokonaj podziału paliw ze względu na rodzaj surowca, z którego zostały wykonane (podaj przykłady).

Biopaliwa I generacji – powstające z surowców żywnościowych takich jak: ziarna zbóż, słonecznika, rzepaku, buraków cukrowych, ziemniaków, owoców.

Biopaliwa II generacji – produkowane z surowców nieżywnościowych i odpadowych jak: słoma, palne frakcje odpadów komunalnych, osady czynne z oczyszczalni ścieków, plantacje energetyczne

Biopaliwa III generacji – noszą miano „paliw przyszłości”, ponieważ należą do nich oleje wytwarzane z alg, które po przetworzeniu na wodór zasilać będą ogniwa paliwowe

Dokonaj podziału biopaliw ze względu na ich stan skupienia. Podaj przykłady.

Biopaliwa stałe - to słoma (w postaci bel, kostek lub brykietów), specjalne gatunki drzew, takie jak wierzba krzewiasta, ślazowiec pensylwański, ale także granulat trocinowy lub słomiany (tzw. pellet), siano lub inne gatunki roślin.
Biopaliwa ciekłe otrzymywane są głównie w drodze fermentacji alkoholowej węglowodanów do etanolu, fermentacji butylowej biomasy do butanolu lub zestryfikowanych w biodiesel olejów roślinnych (np. olej rzepakowy);
Biopaliwa gazowe (biogaz) powstają w wyniku fermentacji beztlenowej ciekłych i stałych odpadów rolniczej produkcji zwierzęcej, takich jak gnojownica czy obornik. Mogą być również produkowane w procesie zgazowania biomasy ( np. drewno), otrzymywany zostaje wtedy gaz generatorowy tzw. gaz drzewny.

Wymień i omów krótko metody konwersji biomasy w paliwo.

1. Metody biologiczne
   - Fermentacja alkoholowa surowców zawierających węglowodany do etanolu. W kolejnym etapie etanol może być przetwarzany chemicznie do eterów, np. ETBE
   - Fermentacja metanowa biofrakcji odpadów oraz biomasy roślinnej stanowiącej odpady lub pochodzącej z celowych upraw energetycznych. W wyniku fermentacji jest wytwarzany biogaz, zawierający metan i CO₂
   - Fermentacje ciemne odpadów, prowadzące do produkcji gazu zawierającego H₂ i CO₂.
   - Produkcja biowodoru z wykorzystaniem glonów w procesach biofotolizy lub bakterii w procesach fotofermentacji

2. Metody fizyczne i chemiczne

- Wytwarzanie olejów roślinnych
- Wytwarzanie estrów metylowych/etylowych z olejów roślinnych i tłuszczy

Wymień i omów metody termochemiczne przetwarzania biomasy w biopaliwa.

• Zgazowanie biomasy w obecności czynników zgazowujących, w T = 600 – 1200 oC, prowadzące do wytworzenia gazu surowego, który po oczyszczeniu definiowany jest jako syngaz (mieszanina tlenku węgla i wodoru

• Piroliza polegająca na konwersji biomasy do oleju surowego i biokarbonizatu, przy braku tlenu, w T = 400 – 650 ^oC

• Procesy hydrotermiczne, umożliwiające wytworzenie biooleju zwanego „zielonym dieslem” w T=300-350 oC i p=120 – 180 barów, w obecności wody

Wyjaśnij pojęcia: zielony diesel, BtL, amyloza, amylopektyna, hemiceluloza, lignina.

Hemiceluloza – polisacharyd zbudowany z więcej niż jednego rodzaju cukru (heksozy lub pentozy), stopień polimeryzacji rzadko przekracza 200 (np. glukoza, ksyloza, galaktoza, mannoza, ramnoza, fukoza, pochodne kwasu uronowego)

Lignina – amorficzny, aromatyczny polimer utworzony w wyniku polimeryzacji jednego i więcej spośród trzech alkoholi manometrycznych: trans-p-kumarylowego, trans-p-koniferylowego i trans-p-sinapylowego

Zielony diesel - bioolej wytwarzany w procesach hydrotermicznego odpadowych olejów roślinnych i tłuszczy zwierzęcych, prowadzących do powstania oleju surowego i następnie jego rafinacji

Amylopektyna - jest rozgałęzionym polisacharydem, w którym większość reszt glukozy powiązana jest w sposób α-1→4, część natomiast tworzy rozgałęzienia α-1→6

Amyloza - zbudowana jest z nierozgałęzionych łańcuchów poli-α-(1→4)-D glukozy, n = 300 – 4000.

BtL – paliwa otrzymywane z biomasy (Biomass to liquid)

Wymień i scharakteryzuj co najmniej trzy źródła biomasy do produkcji biopaliw.

-Leśnictwo – drewno kawałkowe, drewno odpadowe w postaci drzew i gałęzi z przecinek oraz cięć sanitarnych lasów, odpady w postaci kory, trocin
-Rolnictwo – drewno z plantacji energetycznych (np. wierzba, topola), rośliny z upraw polowych zawierających węglowodany (zboża, buraki), rośliny oleiste, produkty uboczne, odpady
-Przemysł – w tym przetwórstwo rolno-spożywcze, np. makuchy z wytwórni olejów
-Gospodarka komunalna – surowe osady ściekowe z oczyszczalni ścieków, organiczne frakcje odpadów komunalnych
-Biologiczne – roślinność wodna, glony, osady z biologicznej oczyszczalni ścieków

Wymień i scharakteryzuj składniki biomasy drzewnej. Wymień i omów składniki włókniste biomasy drzewnej.

Składniki biomasy drzewnej:
a) ekstrakty - to substancje występujące w tkankach roślinnych, które mogą być oddzielone za pomocą rozpuszczalników i odzyskiwane z roztworów poprzez odparowanie, destylację, krystalizację (np.: żywica, guma, garbniki, barwniki, olejki eteryczne)
b) popiół - to nieorganiczne składniki biomasy w postaci tlenków o charakterze alkalicznym np.:Fe2O3, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, i charakterze kwaśnym, np.: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂.
c) materiały włókniste
- celuloza – polisacharyd składający się z łańcuchów zawierających do kilkunastu tysięcy reszt D-glukozy. Celuloza nadaje sztywność i kształt roślinom.
- hemiceluloza – związki wielocukrowe (polisacharydy) występujące w ścianach komórkowych zdrewniałych tkanek roślinnych. Spełniają rolę substancji zapasowych.
- lignina - amorficzny, aromatyczny polimer utworzony w wyniku polimeryzacji jednego i więcej spośród trzech alkoholi manometrycznych: trans-p-kumarylowego, trans-p-koniferylowego i trans-p-sinapylowego

Co tą są polisacharydy i jak są zbudowane – omów na przykładzie.

Polisacharydy - grupa węglowodanów i zarazem biopolimerów, które są złożone z merów będących cukrami prostymi połączonych wiązaniami glikozydowymi (np. skrobia, glikogen, celuloza)
Budowa na przykładzie celulozy:
- podstawową jednostką chemiczną z której jest zbudowana jest celebioza,
- jest liniowym homopolimerem reszt β-D- glukopiranozy połączonych między sobą wiązaniami 1,4-β-glikozydowymi
- stopień polimeryzacji wynosi 300 – 10000
- wytrzymałość mechaniczna celulozy wzrasta wraz ze wzrostem stopnia polimeryzacji

Wymień co najmniej 5 roślin energetycznych, które mogą być stosowane do fermentacji alkoholowej.

Kukurydza, topinambur, ziemniak, burak, rzepak

Wyjaśnij pojęcia: liczba centowa, liczba oktanowa, stabilność oksydacyjna, perwaporacja, sita molekularne, upłynnianie, scukrzanie.

Liczba centowa – jest miara zdolności paliwa do tłokowych silników z zapłonem samoczynnym do samozapłonu

Liczba oktanowa - to liczba określająca odporność na niekontrolowane spontaniczne spalanie paliwa dla silników o zapłonie iskrowym, który może spowodować spalanie stukowe (detonację).

Sita molekularne – syntetyczne materiały nanoporowate, których pory mają ściśle określoną średnicę oraz strukturę umożliwiającą selektywną adsorpcję związków chemicznych

Perwaporacja – polega na rozdziale związków chemicznych z mieszanin fazy ciekłej, za pomocą nieporowatych polimerowych membran

Upłynnianie – hydroliza skrobi do maltozy

Scukrzanie – hydroliza maltozy do glukozy

Przedstaw możliwości zastosowania bioetanolu jako paliwa.

- W postaci czystej
- Eteru etylo-tert-butylowego (ETBE)
- Eteru etylo-tert-amylowego (TAEE)
- W mieszaninach z benzyną

Omów surowce stosowane do produkcji bioetanolu.

• Surowce zawierające sacharozę, np. buraki, trzcina, sorgo cukrowe,

• Owoce zawierające skrobię, np. kukurydza, żyto, pszenica, jęczmień, ziemniaki, ryż, maniok

• Biomasa lignocelulozowa, np. uprawy roślin energetycznych, odpady i produkty uboczne pochodzące z rolnictwa, papier, tektura – będące frakcją odpadów komunalnych

Porównaj procesy i operacje jednostkowe stosowane w produkcji bioetanolu w zależności od używanego surowca.

Wymień i krótko scharakteryzuj rodzaje hydrolizy stosowanej do obróbki materiału lignocelulozowego stosowanego do produkcji bioetanolu.

• Hydroliza kwaśna - przy użyciu H₂SO₄ lub HCl (rzadziej), stężenie kwasu oraz warunki procesu (T, p, t) zależą od rodzaju zastosowanej technologii

• Hydroliza zasadowa - zwiększenie podatności biomasy na fermentację głównie poprzez degradację struktur ligniny. Przeprowadza się ją przy użyciu NaOH, KOH, lub Ca(OH)₂

• Hydroliza LHW (Liquid Hot Water) - usunięcie jak największej ilości hemicelulozy i zwiększenie dostępności celulozy dla enzymów

Zaproponuj kolejność procesów, które należy zastosować przy produkcji bioetanolu
a) z ziemniaków – wstępna obróbka, hydroliza/scukrzanie, fermentacja, odwadnianie/osuszenie etanolu
b) z odpadów lignocelulozowych – wstępna obróbka, hydroliza/scukrzanie, fermentacja, detoksykacja, odwadnianie/osuszanie etanolu

Na czym polega fermentacja alkoholowa?

Fermentacja alkoholowa - beztlenowa przemiana cukrów, z udziałem mikroorganizmów
C ₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + energia
Proces zachodzi wewnątrz komórek wytwarzających enzymy, dekarboksylazę pirogronianową i dehydrogenazę alkoholową.

Narysuj schemat oraz omów działanie kolumny rektyfikacyjnej.

Wyjaśnij dlaczego bioetanol może być zarówno paliwem 1 jak i 2 generacji.

Ponieważ wytwarzany jest w dwojaki sposób:
- Wytwarzanie bioetanolu z surowców zawierających skrobię – technologie 1 generacji
- Wytwarzanie bioetanolu z biomasy lignocelulozowej – technologie 2 generacji

Wyjaśnij różnicę między metodą mokrą i suchą produkcji bioetanolu z surowców zawierających skrobię.
a) metoda sucha – mielenie, upłynnianie, scukrzanie, fermentacja, separacja, destylacja/rektyfikacja odwadnianie
b) metoda mokra – moczenie, mielenie, usuwanie kiełków, mielenie, oddzielanie glutenu, upłynnianie, scukrzanie, fermentacja, destylacja/rektyfikacja, odwadnianie
Różnica polega na tym, że w metodzie ziarna zbórz są uprzednio moczone w wodze z SO₂ oraz następnie spęczniałe ziarna są mielone i usuwane są z nich kiełki.

Przedstaw i omów schemat procesu produkcji bioetanolu firmy Coskata INc., z wykorzystaniem połączonych technologii gazyfikacji i konwersji przy udziale bakterii.

W procesie przetwarzania surowca lignocelulozowego wykorzystuje się znaną technologię gazyfikacji. Gazyfikacja zamiast rozbijać cząsteczkę na cukry proste surowiec zostaje przetworzony w gaz syntetyczny, będący mieszanką tlenku węgla i wodoru. Zamiast fermentacji lub konwersji termochemicznej, pompuje się gaz do reaktora zawierającego bakterie, które wykorzystują go jako substrat, produkując etanol. Bakterie są w stanie wytworzyć nawet 99,7 % etanol.

Omów co najmniej 5 parametrów przewidzianych normami do badania przydatności bioetanolu jako biopaliwa (albo w mieszankach z benzyną).

• całkowita kwasowość przeliczona na kwas octowy - silne właściwości kwasowe paliwa będą wskazywać na skłonność do szybkiej korozji elementów silnika

• zawartość nieorganicznych chlorków - działają korodująco na metale obecne w systemach paliwowych silnika (układ wydechowy, system wtrysku paliwa) nawet w niskich stężeniach

• zawartość siarczanów i zawartość siarki - przekłada się na obecność w spalinach tlenków siarki, które mogą spowalniać pracę trójzadaniowych reaktorów katalitycznych w układzie oczyszczania spalin

• zawartość miedzi – Cu jest bardzo aktywnym katalizatorem utleniania węglowodorów w niskich temperaturach. Jej obecność w etanolu wynika z infrastruktury jego procesu produkcyjnego

• zawartość wyższych mono-alkoholi nasyconych C3-C5 - które w niewielkich ilościach są obecne w etanolu, pochodzą z procesu produkcyjnego

Wzory chemiczne alkoholi, które mogą być stosowane jako biopaliwa.
metanol - CH₃OH
etanol - C₂H₅OH
propanol - C₃H₇OH
butanol - C₄H₉OH