Biotechnologia II W12

Biorafineria

Biorafinerie integrują technologię biokonwersji potrzebne do obróbki surowców biologicznych i różne procesy jednostkowe oraz aparaturę do produkcji materiałów, które są tradycyjnie wykonywane z ropy naftowej.

Jedyną alternatywą dla surowców kopalnych jest biomasa roślinna i surowce odnawialne. Posiadają one ogromny potencjał, obecnie wykorzystywany w 3,5%.

Podstawowymi składnikami biomasy są:

- różnego rodzaju węglowodany 75%,

- lignina 20%,

- białka oraz tłuszcze ok. 5%,

- w mniejszych ilościach - minerały, barwniki i witaminy.

Wszechstronność biomasy zapewnia możliwość produkcji jednego lub kilku, ale w mniejszej ilości, związku/ów o wysokiej jakości lub wysokiej jakości paliw płynnych np. biodisela i bioetanolu.

Biokonwersja surowców odnawialnych jest najlepszym sposobem gospodarowania zasobami i ochrony środowiska.

Istnieje i rozwija się równolegle wiele koncepcji wykorzystania biomasy w procesach biorafinerii. Wszystkie odpady rolne, przemysłowe, z uwagi na swój bogaty skład, są doskonałymi surowcami do uzyskiwania użytecznych produktów na drodze procesów biochemicznych (enzymatyczna biokonwersja, procesy fermentacyjne, uzyskanie pożądanych , procesy termiczne - biomasa do syngazu).

Jak zwiększyć wydajność biorafinacji:

a) Poprzez stosowanie drobnoustrojów modyfikowanych genetycznie. Te modyfikacje prowadzi się w ten sposób by mikroorganizmy wytwarzały enzymy niezbędne do produkcji określonego produktu.

b) Modyfikacja genetyczna roślin w celu zmniejszenia w ich tkankach hemiceluloz i innych polisacharydów strukturalnych, a zwiększenia ilości skrobi oraz cukrów.

Bez względu na to jakie są stosowane metody obróbki surowca, biorafinerie gwarantują pełne, praktyczne wykorzystanie wszystkich składników biomasy roślinnej i dają możliwość produkcji szerokiej gamy produktów i są przy tym samowystarczalne energetycznie, i praktycznie bezodpadowe.

Główne zalety biorafinerii:

a) ekstrakcja z dużą wydajnością,

b) tworzenie rafinerii do przerobu dużej ilości surowca,

c) użycie substancji odpadowych, np. odpady leśne, poprodukcyjne,

d) odpady pozostałe po procesie, np. popiół, szlam i pył są wykorzystywane do użyźniania gleby.

Rozwój biorafinerii:

Biorafinerie pierwszej generacji - produkcja etanolu; z surowych, suchych nasion, otrzymywano etanol i odpad na paszę dla zwierząt i generowany CO₂.

Obecnie opracowuje się technologie trzeciej generacji. Biorafinerie trzeciej generacji mogą wykorzystywać mieszanki biomasy rolniczej, leśnej i mogą produkować różne produkty, w zależności od potrzeb. Opracowuje się również technologie, które wykorzystywałyby jako surowiec chemikalia, paliwa oraz tworzywa sztuczne.

Zakłady, gdzie się przerabia nasiona kukurydzy stosują technologię biorafinerii, która wykorzystuje wilgotne mielone surowce poprodukcyjne. W wyniku przerobu kukurydzy można otrzymywać skrobię, a z odpadów otrzymywać syropy fruktozowe, olej i gluten kukurydziany.

Przyszłe kierunki biorafinerii (III generacji):

różny, zmienny surowiec biologiczny • złoża spożywcze: paszowe, biomasa ligninocelulozowa (różne trawy, krzaki, trzcina, pozostałości po żniwach

• biomasa leśna (drewno, odpady po obróbce drewna)

różna kombinacja obróbki i użytej • bioprocesy: bakteryjne, enzymatyczne

technologii • procesy: chemiczne, termochemiczne

produkcja związków i energii, …

różne multisystemy produkcji

Przykładowe produkty wytwarzane przez biorafinerię:

- celuloza - przemysł papierniczy,

- skrobia, sacharoza - konwersja do glukozy, z której można otrzymywać etanol, a z niego kwas octowy; otrzymywanie kwasu mlekowego,

- polimery,

- z roślin oleistych otrzymywanie oleju (po rafinacji), a z niego glicerolu i kwasów tłuszczowych. Z kwasów tłuszczowych wytwarzanie mydeł i innych produktów kosmetycznych. Otrzymywanie gliceryny kosmetycznej oraz margaryny.

- z białek otrzymywanie aminokwasów.

Dąży się od takiej modyfikacji genetycznej roślin (wprowadzając geny bakterii), aby tworzyły więcej rozgałęzionych łańcuchów kwasów tłuszczowych.

Biopaliwa przyszłości:

a) zielona biomasa roślinna jest doskonałym źródłem celulozy, której scukrzenie umożliwiłoby otrzymanie glukozy, z której w wyniku fermentacji uzyskano by bioetanol.

b) produkcja bioetanolu z soft biomass - wykorzystanie mikroorganizmów zdolnych do fermentacji etanolowej cukrów 5-węgowych, takich jak ksyloza i arabinoza.

Drożdże Saccharomyces cerevisiae nie są zdolne do prowadzenia fermentacji cukrów 5-węglowych. Zrekombinowane bakterie Zymomonas mobilis mają zdolność do fermentacji 5-węglowych cukrów, z wysoką wydajnością, ale nie są odporne na inhibitory fermentacji alkoholowej.

Escherichia coli fermentuje ksylozę i arabinozę, z wydajnością tworzenia etanolu porównywalną do tej, którą uzyskuje się w przypadku fermentacji glukozy przez drożdże szczepów Saccharomyces. Jednak bakterie te nie są odporne na inhibitory fermentacji alkoholowej.

Rekombinant Corynebacterium glutamicum zdolny do hydrolizy cukrów 5- i 6-węglowych, z wydajnością produkcji etanolu powyżej 10g/l. Szczep odporny na inhibitory fermentacji alkoholowej. Szczep uzyskany poprzez wprowadzenie do komórek bakterii Corynebacterium glutamicum genów kodujących dekarboksylazę pirogronianowa i dehydrogenazę alkoholową, pochodzących od szczepu bakterii Zymomonas mobilis.

W przemyśle dąży się do tego, aby uzyskać szczepy drobnoustrojów zdolnych do prowadzenia fermentacji alkoholowej cukrów 5- i 6-węglowych, z wydajnością produkcji etanolu wynoszącą powyżej 40g/l oraz odpornych na inhibitory fermentacji alkoholowej.

Jeżeli szczep Corynebacterium glutamicum (bakteria tlenowa) umieścimy w bioreaktorze, uzyskując jego szczelne wypełnienie wyhodowanymi w warunkach tlenowych bakteriami, to przy zastosowaniu niewielkiej ilości tlenu bakterie te przejdą w stan bakteriostazy, tzn. nie będą się namnażały i zachowają zdolność fermentacji na bardzo wysokim poziomie. Dzięki temu szczep nie będzie tracił energii i surowców budulcowych na podwojenie ilości DNA oraz zwiększenie ilości pozostałych składników komórki przed podziałem. Natomiast ta energia i surowce budulcowe wykorzystane zostaną w celu wytworzenia pożądanego produktu.

Biorafinacja dotyczy zasadniczo surowców pochodzenia roślinnego czyli biomasy. Podczas tego procesu rośliny zostają rozdzielone na komponenty botaniczne i chemiczne. Większość surowców rolniczych ma właściwości chemiczne i fizyczne, które czynią je przydatnymi do produkcji wyrobów spożywczych i niespożywczych. Lecz pojęcie to dotyczy także procesów przemiany z zastosowaniem czynników biologicznych czyli tzw. biokonwersji.

Biorafineria jest układem, który łączy procesy konwersji biomasy i urządzenia do jej przetwarzania w jeden zakład produkujący związki chemiczne, paliwa i energię.

Biorafinerie potrzebują dużej i stałej dostawy biomasy. Surowiec stosowany w biorafineriach może składać się z ziarna takiego jak kukurydza, pszenica czy jęczmień, roślin oleistych, odpadów rolniczych, zrębów drewna i produktów wycinki lasu oraz specjalnych upraw energetycznych takich jak proso rózgowe, wierzba energetyczna czy hybrydowy tulipanowiec. Co prawda stosowanie ziarna i roślin oleistych jako źródeł energii zmniejsza ich dostępność jako źródła pożywienia czy paszy, ale części roślin, które pozostają po zbiorze ziarna np. słoma także stanowią źródło biomasy, a ich zastosowanie nie uszczupla zasobów żywności.

Wybór gatunków roślin przeznaczonych na uprawy dla biorafinerii zależny jest od przydatności całej rośliny w procesie przetwórczym, a także od tego, jak zaadaptuje się do miejscowych warunków uprawy. W Europie roślinami rozważanymi pod tym kątem są pszenica i rzepak, a w Stanach Zjednoczonych kukurydza oraz sorgo i trzcina cukrowa.

3

---