Hydrolysealkohol (Cellulosic ethanol) - ethanol opnået ved gærgæring af sukkerlignende stoffer opnået ved hydrolyse af cellulose indeholdt i skovindustriaffald.
På hydrolyseanlæg får man op til 200 liter ethylalkohol fra 1 ton træ, hvilket gør det muligt at erstatte 1,5 ton kartofler eller 0,7 ton korn. Ud over cellulose omfatter sammensætningen af cellemembraner adskillige andre kulhydrater , kendt under det almindelige navn hemicelluloser , ekstraheret fra cellemembraner med en 1% opløsning af salt- eller svovlsyre ved opvarmning.
Hydrolysealkohol kan fremstilles ved hjælp af en række forskellige hydrolyseteknologier.
Nogle hydrolyseskemaer involverer opnåelse af en blanding af ethyl- og methylalkoholer [1] .
Bioethanol er en alkohol, der udvindes af sukkerarter ved gæring ved hjælp af mikroorganismer. En almindelig gær, der bruges til dette formål, er det videnskabelige navn Saccharomyces cerevisiae. Sukker er hentet fra planter, som bruger sollysets energi gennem fotosyntese til at skabe deres organiske komponenter ud fra kuldioxid (CO 2 ). Sukker kan opbevares i form af stivelse (f.eks. korn, kartofler) eller saccharose (f.eks. sukkerroer, sukkerrør), eller de kan nedbrydes til strukturelle komponenter (f.eks. cellulose), der giver planten form og stabilitet. I øjeblikket produceres bioethanol hovedsageligt ved fermentering af saccharose (brasiliansk sukkerrør) eller stivelseshydrolysater (majs, korn). Efter destillation og tørring kan ethanol bruges som brændstof. Denne type produktion skaber dog en konkurrencesituation på fødevaremarkedet. Hertil kommer, at det begrænsede areal til afgrøder og de miljøhensyn, der er forbundet med den nødvendige intensivering af landbruget, hindrer storstilet produktion af stivelsesbaseret ethanol. Derfor er målet i stigende grad at bruge billige afgrøderester som halm, træaffald og landskabsplejeprodukter eller energianlæg som skiftegræs (Panicum virgatum) eller miscanthus , som ikke kræver intensivt landbrug og også vokser på dårlig jord. I modsætning til konventionel bioethanol, som næsten udelukkende fremstilles af dele af afgrøder, der er rige på sukker eller stivelse, såsom majs og hvede, kan enhver celluloseholdig del af en plante bruges til at fremstille celluloseholdig ethanol. Græsser, alger og planteaffald betragtes som mulige råvarer til fremstilling af celluloseholdig ethanol.
Fordelene ved celluloseethanol er på den ene side, at dens produktion er mere effektiv og klimaneutral ud fra et miljøsynspunkt, og på den anden side, at den er mindre konkurrencedygtig i forhold til dyrkning af fødevareafgrøder. trods intensiv regeringsstøtte i nogle lande, kan storskalaproduktion af celluloseholdig ethanol i øjeblikket ikke konkurrere med traditionel bioethanol og fossile brændstoffer på grund af de høje produktionsomkostninger [2] . [3]
Cellulose består af rester af glucosemolekyler , som kan opnås ved hydrolyse af cellulose i nærværelse af svovlsyre [4] :
( C6H10O5 ) n + nH2O - > nC6H12O6 _ _ _ _ _ _ _
I fremtiden skal svovlsyre fjernes fra opløsningen, der udfældes for eksempel med kalksten. Den endelige reaktion af glucosefermentering er beskrevet ved ligningen:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
I 1819 opdagede den franske kemiker Henri Braconnot , at cellulose kunne omdannes (hydrolyseres) til sukker ved hjælp af svovlsyre. Dette sukker gæres derefter til alkohol.
I USA åbnede Standard Alcohol Company den første celluloseholdige ethanolfabrik i South Carolina i 1910. Senere blev en anden fabrik åbnet i Louisiana. Begge værker blev dog lukket efter Første Verdenskrig af økonomiske årsager.
Det første forsøg på at kommercialisere processen med at opnå ethanol fra træ blev lavet i Tyskland i 1898. Det involverede brug af fortyndet syre til at hydrolysere cellulose til glukose og var i stand til at producere 7,6 liter ethanol pr. 100 kg træaffald. Tyskerne udviklede hurtigt en industriel proces, der var optimeret til at producere omkring 190 hestekræfter. pr. ton biomasse. Denne proces nåede snart USA og kulminerede i to kommercielle installationer, der opererede i sydøst under Første Verdenskrig. Disse anlæg brugte den såkaldte "amerikanske proces" - en et-trins hydrolyse af fortyndet svovlsyre. Selvom udbyttet var det halve af den oprindelige tyske proces (25 US gallons (95 L) ethanol pr. ton versus 50), var produktiviteten af den amerikanske proces meget højere. Et fald i tømmerproduktionen tvang møllerne til at lukke kort efter afslutningen af Første Verdenskrig. I mellemtiden var en lille, men igangværende undersøgelse af glucosehydrolyse med fortyndet syre i gang på USFS Forest Products Lab. Under Anden Verdenskrig vendte USA sig igen til celluloseholdig ethanol, denne gang for at blive omdannet til butadien til fremstilling af syntetisk gummi. Vulcan Copper and Supply Company er blevet tildelt en kontrakt om at bygge og drive et savsmuld-til-ethanol-anlæg. Anlægget var baseret på modifikationer af den oprindelige tyske "Scholler-proces", udviklet af "USFS Product Laboratories". Dette anlæg opnåede et ethanoludbytte på 50 US gallons (190 L) pr. tørt ton, men var stadig ikke rentabelt og blev lukket efter krigen.
Med den hurtige udvikling af enzymteknologi i de sidste to årtier er processen med syrehydrolyse gradvist blevet erstattet af enzymatisk hydrolyse . Kemisk forbehandling af råmaterialet er nødvendig for forbehandlingen. hydrolyse (separering) af hemicellulose, så den kan omdannes til sukker mere effektivt. Den fortyndede syreforbehandling udviklede sig fra tidligt arbejde med syrehydrolyse af træ på USFS Forest Products Laboratory. For nylig udviklede USFS Forest Products Laboratory i samarbejde med University of Wisconsin-Madison en sulfit-forbehandling til at overvinde lignocellulose-obstruktion for pålidelig enzymatisk hydrolyse af træmasse.
Bioethanol er ethylalkohol opnået ved gæring fra sukkerarter ved hjælp af mikroorganismer. En gær ( Saccharomyces cerevisiae ) bruges normalt til dette formål . Sukker kommer fra planter, som bruger sollysets energi gennem fotosyntese til at skabe deres organiske komponenter ud fra kuldioxid (CO 2 ). Sukker kan opbevares i form af stivelse (f.eks. korn, kartofler) eller saccharose (f.eks. sukkerroer , sukkerrør ), eller de kan være inkorporeret i de strukturelle komponenter af planter (f.eks. cellulose ), der giver planten dens form og stabilitet. I øjeblikket fremstilles bioethanol hovedsageligt ved fermentering af saccharose (brasiliansk sukkerrør ) eller stivelseshydrolysater ( majs , andre kornsorter ) . Efter destillation og tørring kan ethanol bruges som brændstof. Denne form for teknisk kultur skaber dog konkurrence med fødevaremarkedet. Hertil kommer, at det begrænsede tilgængelige areal og de miljøhensyn, der er forbundet med den nødvendige intensivering af landbruget, hindrer storstilet produktion af stivelsesbaseret ethanol. Målet for videnskabsfolk er således i stigende grad at bruge billige afgrøderester som halm , træaffald og eller energiafgrøder som skiftegræs ( Panicum virgatum ) eller miscanthus , som ikke kræver intensivt landbrug og ofte vokser på øde jord. .
Planterester eller energiafgrøder indeholder lidt stivelse eller saccharose, men indeholder kulhydrater , lagret som lignocelluloser i cellevægge. Lignocelluloser er sammensat af cellulose, hemicellulose og ikke-fermenterbar lignin ("træmasse"). Cellulose er ligesom stivelse en polymer af 6-carbon sukkermolekyler, glucose, forbundet med lange kæder. Begge adskiller sig kun i typen af forbindelser. Hemicelluloser er hovedsageligt sammensat af femkulstofsukkere, xylose og arabinose , som støder op i forgrenede kæder.
Ligesom traditionel ethanol kan celluloseholdig ethanol tilsættes benzin og bruges i alle benzinbiler i dag. Dens potentiale til at reducere drivhusgasemissionerne er større end for traditionel ethanolafledt af korn. Fremstilling af celluloseethanol kan stimulere økonomisk vækst i landdistrikterne, åbne nye markeder for landmænd og øge brugen af vedvarende energikilder. De mest almindelige blandinger af benzin eller diesel med alkohol, kaldet henholdsvis gaschol og dischol .
På trods af den tætte lighed mellem stivelsesfermentering og lignocellulose giver sidstnævnte nogle vanskeligheder. Først skal lignocellulose gøres flydende og forsukret. Dette er meget sværere end med stivelse, fordi sukkerkæderne er svære at nå. Derfor skal plantematerialet forbehandles kemisk eller termisk. Først herefter kan forsukring ske ved hjælp af specielle enzymer (cellulaser, xylanaser, glucosidaser), som nedbryder cellulosekæder til glucose på samme måde som amylaser i stivelse. Disse enzymer stammer fra svampe, der naturligt er involveret i forrådnelse, og planterester er involveret. Da der kræves betydeligt flere enzymer end til stivelsesforsukring, resulterer dette i højere omkostninger. Men forskning i de senere år har ført til lavere omkostninger.
Den anden vigtige forskel er, at lignocellulose lignocellulose ikke kun indeholder glucose som sukkerbyggesten, som i stivelse, men også andre sukkerarter som xylose og arabinose (= C5 eller pentosesukker ). De kan dog ikke bruges af gæren, der bruges til at fremstille ethanol. Derfor er det nødvendigt at bruge specialavlet gær, som udover glukose også kan fermentere andre sukkerarter til ethanol.
Traditionel produktion af ethanolbrændstof bruger kun gær af typen Saccharomyces. Dette er den samme gær, som bruges til at lave brød, øl og vin. Fordelen ved gær frem for bakterier er, at deres håndtering i industrielle processer har været etableret i århundreder. Af denne grund er de ideelle til fremstilling af ethanol fra lignocellulose. Deres største ulempe er dog, at de kun kan fermentere C6-sukker (=hexoser), men ikke C5-sukker (=pentoser).
I de senere år har forskellige forskergrupper fra Europa og USA været i stand til at skaffe gærstammer, der også fermenterer C5-sukker til ethanol. Gærgenetisk materiale viser, at de engang kunne bruge C5-sukker. Men i løbet af deres udvikling mistede de igen denne ejendom. Ved hjælp af genteknologi var det muligt at returnere denne egenskab til gærceller eller endda forbedre dem markant. For at gøre dette introducerede de det passende genetiske materiale fra andre gær, svampe og bakterier. Dette resulterede i gærceller, der var i stand til at fermentere både C6- og C5-sukker.
I tilfælde af C5-sukkerxylose blev der brugt to forskellige strategier. Forskere ved Lunds Universitet i Sverige brugte en to-trins mekanisme (xylosereduktase/xylitoldehydrogenase fra gæren Pichia stipitis) til at indføre xylose i metabolismen af gæren Saccharomyces. Forskere fra University of Frankfurt og Technical University of Delft i Holland har dog for nylig været i stand til at opdrætte gær, der nedbryder xylose direkte i ét trin med enzymet xylose-isomerase, integreret i deres stofskifte og fermenteret til ethanol. Delft-forskerne bruger eukaryotisk xylose-isomerase, mens Frankfurt-forskerne bruger bakteriel xylose-isomerase, som har den fordel at være mindre kraftigt hæmmet af inhibitoren xylitol.
I tilfælde af C5-sukkerarabinose blev 5-trins nedbrydningsvejen i Saccharomyces-gær, som er almindelig hos svampe, fundet at være mindre egnet. I modsætning hertil er en tre-trins metabolisk vej, som normalt kun findes i bakterier, med succes blevet etableret ved universitetet i Frankfurt. Hvis denne metaboliske vej blev integreret i gær og derefter tvunget til at bruge arabinose som sin eneste energikilde i flere måneder, blev der faktisk udviklet gærstammer, der var i stand til at fermentere arabinose såvel som glucose. Så blev der sammen med forskere fra Lunds Universitet dyrket gær, der kunne fermentere alle sukkerarter, det vil sige glucose, xylose og arabinose, til ethanol.
En tredje forskel mellem den klassiske ethanol-brændstof-proces og celluloseholdig ethanol ligger i de giftige stoffer, der dannes under den kemiske og termiske forbehandling af plantemateriale (f.eks. furfuraler). Disse inhibitorer beskadiger de mikroorganismer, der bruges i gæringen. Derfor skal de fjernes inden gæring, hvilket dog kræver ekstra omkostninger.
Der er fundet nogle bakteriearter, som er i stand til direkte at omdanne et cellulosesubstrat til ethanol. Et eksempel er Clostridium thermocellum , som bruger kompleks cellulose til at nedbryde cellulose og syntetisere ethanol. C. thermocellum producerer dog også andre produkter under cellulosemetabolisme, herunder acetat og laktat , udover ethanol, hvilket reducerer effektiviteten af processen. Nogle forskningsindsatser er fokuseret på at optimere ethanolproduktionen med gensplejsede bakterier, der fokuserer på ethanolproduktionsvejen.
Omdannelsen af alle sukkerarter kan i høj grad forbedre økonomien ved fermentering af plantebiomasse. Halm indeholder omkring 32% glucose, 19% xylose og 2,4% arabinose. 1 ton halm indeholder 320 kg glukose. Fuldgæring giver omkring 160 kg ethanol, hvilket svarer til en volumen på 200 liter. Fuldstændig gæring af pentosesukkeret xylose giver yderligere 124 liter ethanol pr. ton halm.
I en undersøgelse offentliggjort i 2009 (Biofuels Benchmarking) anslog Renewable Resources Agency (FNR) omkostningerne ved halmbaseret lignocelluloseholdig ethanol til omkring €24/GJ for 2020, mens værdien stadig var €30/GJ. i 2007. Med en brændværdi af bioethanol på 23,5 MJ/l svarer det til ca. 56 cents/l (2020) eller ca. 70 cents/l (2007). Det betyder, at omkostningerne er højere end for stivelse-ethanol. På denne baggrund konkluderer undersøgelsen, at lignocellulose bioethanol sandsynligvis ikke vil være konkurrencedygtig uden finansiering. [11] Det skal dog bemærkes, at de reelle omkostninger først viser sig, når systemet drives kommercielt. De største omkostninger skyldes enzymer til forsukring af cellulose. Enzymproducenter påpeger dog, at der allerede findes billige processer til mere effektive enzymer, men de er ikke værd at producere, fordi der ikke er efterspørgsel efter dem. På lang sigt vil celluloseholdig ethanol sandsynligvis kun være en midlertidig løsning. Tredje generations biobrændstoffer som B. Biobutanol klarer sig bedre, men kun hvis de er afledt af lignocellulose.
| Alternativt brændstof køretøjer | |
|---|---|
| brændselscelle | |
| Muskuløst drev |
|
| solenergi |
|
| Luftmotor | |
| Elektrisk batteri og motor | |
| biobrændstof motor | |
| Brint |
|
| Andet | |
| Multibrændstof |
|
| Dokumentarfilm |
|
| se også |
|