Etanol celulozowy

Etanol wytwarzany z odpadów roślinnych jest znany jako etanol celulozowy lub etanol lignocelulozowy . Podobnie jak konwencjonalne paliwo etanolowe , jest to benzyna, którą można otrzymać w wyniku fermentacji roślin ( bioetanol ). W przeciwieństwie do konwencjonalnego bioetanolu, który jest wytwarzany prawie wyłącznie z bogatych w cukier lub skrobię części roślin uprawnych, takich jak kukurydza i pszenica , do produkcji etanolu celulozowego można wykorzystać każdą część rośliny zawierającą celulozę. Trawy , glony i roślinne odpady w szczególności są uważane za potencjalne surowce do produkcji etanolu celulozowego.

Zalety etanolu celulozowego polegają z jednej strony na tym, że jego produkcja jest bardziej wydajna i neutralna dla klimatu z ekologicznego punktu widzenia, az drugiej strony stanowi mniejszą konkurencję w uprawach roślin spożywczych . Pomimo intensywnego finansowania przez państwo, produkcja etanolu celulozowego na dużą skalę nie jest obecnie konkurencyjna w stosunku do konwencjonalnego bioetanolu i paliw kopalnych ze względu na wysokie koszty produkcji .

Bioetanol z biomasy roślinnej

Bioetanol to alkohol otrzymywany w wyniku fermentacji cukrów przy pomocy mikroorganizmów. Ogólnie używa się do tego drożdży o naukowej nazwie Saccharomyces cerevisiae . Cukry pochodzą z roślin, które w procesie fotosyntezy wykorzystują energię światła słonecznego do budowy swoich składników organicznych z dwutlenku węgla (CO ₂ ). Cukry mogą być magazynowane w postaci skrobi (np. Zboża, ziemniaki) lub sacharozy (np. Burak cukrowy, trzcina cukrowa) lub są przekształcane w składniki strukturalne (np. Celulozę ), które nadają roślinie jej kształt i kształt. Obecnie bioetanol pozyskiwany jest głównie poprzez fermentację sacharozy (brazylijska trzcina cukrowa) lub hydrolizatów skrobi (kukurydza, ziarno). Po destylacji i wysuszeniu etanol można wykorzystać jako paliwo. Jednak ten rodzaj produkcji stwarza sytuację konkurencyjną na rynku żywności. Ponadto ograniczone powierzchnie upraw i problemy ekologiczne związane z konieczną intensyfikacją rolnictwa utrudniają produkcję etanolu na bazie skrobi na dużą skalę. Wykorzystanie niedrogich pozostałości roślinnych, takich jak słoma, skrawki drewna i utrzymanie krajobrazu lub uprawy energetyczne, takie jak Celem jest zatem coraz częściej rózga rózgowa (w tym rózga pręgowa, Panicum virgatum ) lub miskant , które nie wymagają intensywnej uprawy rolnej i rosną na złej jakości gleby.

Resztki roślin lub rośliny energetyczne zawierają mało skrobi lub sacharozy , ale zawierają węglowodany w postaci lignoceluloz zmagazynowanych w ich ścianach komórkowych. Lignocelulozy składają się z celulozy , hemiceluloz i niefermentowalnej ligniny („pulpy drzewnej”). Podobnie jak skrobia, celuloza jest polimerem zbudowanym z cząsteczek cukru z sześcioma atomami węgla, glukozą , które są połączone, tworząc długie łańcuchy. Obie różnią się tylko rodzajem linków. Hemicelulozy składają się głównie z cukrów z pięcioma atomami węgla, ksylozy i arabinozy , które są połączone ze sobą rozgałęzionymi łańcuchami.

Proces produkcji etanolu celulozowego

Aby móc produkować bioetanol z lignocelulozy, celulozę i hemicelulozę należy najpierw podzielić na poszczególne cukry. Odbywa się to za pomocą kwasów i specjalnych enzymów. Następnie drożdże muszą sfermentować mieszaninę glukozy, ksylozy i arabinozy do etanolu. Fermentacja, destylacja i suszenie odbywają się w taki sam sposób, jak klasyczny proces z paliwem etanolowym . Od końca 2013 r. Etanol celulozowy w ilości ponad 75 mln litrów rocznie jest produkowany na skalę przemysłową w zakładzie w północnych Włoszech obsługiwanym przez firmę „Beta Renewables”. Jednak w 2017 roku firma przeszła restrukturyzację. Obecne firmy posiadające odpowiednie procedury to m.in. B. Ineos Bio, Iogen, POET i Verbio. Inne firmy w Niemczech i Austrii znajdują się w zestawieniu Federalnego Stowarzyszenia Niemieckiego Przemysłu Bioetanolu eV

Wstępna obróbka i scukrzanie materiału roślinnego

Pomimo dużych podobieństw w fermentacji skrobi i lignocelulozy, ta ostatnia ma pewne trudności. Najpierw lignoceluloza musi zostać upłynniona i scukrzona. Jest to znacznie trudniejsze niż w przypadku skrobi, ponieważ łańcuchy cukrowe są trudno dostępne. Dlatego materiał roślinny należy najpierw poddać obróbce chemicznej lub termicznej. Dopiero wtedy scukrzanie może nastąpić za pomocą specjalnych enzymów ( celulaz , ksylanazy , glukozydaz ), które, podobnie jak amylazy w skrobi, rozszczepiają łańcuchy celulozy na glukozę. Enzymy te są pozyskiwane z grzybów, które w naturze biorą udział w gniciu resztek roślinnych. Ponieważ potrzeba znacznie więcej enzymów niż do scukrzania skrobi, prowadzi to do zwiększonych kosztów. Jednak wysiłki badawcze doprowadziły w ostatnich latach do obniżenia kosztów.

Fermentacja mieszaniny cukru z heksoz i pentoz

Drugą istotną różnicą jest to, że w lignocelulozie, w przeciwieństwie do skrobi, jako składnik cukru występuje nie tylko glukoza, ale także inne cukry, takie jak ksyloza i arabinoza (= cukier C5 lub pentozy). Jednak drożdże używane do produkcji etanolu nie mogą ich wykorzystać. Dlatego należy używać specjalnie wyhodowanych drożdży, które oprócz glukozy mogą również fermentować inne cukry do etanolu.

Do produkcji tradycyjnego paliwa etanolowego używa się wyłącznie drożdży typu Saccharomyces . To te same drożdże, które są używane do produkcji chleba , piwa i wina . Drożdże mają tę przewagę nad bakteriami, że ich postępowanie w procesach przemysłowych jest znane od wieków. Z tego powodu idealnie nadają się do produkcji etanolu z lignocelulozy. Ich główną wadą jest jednak to, że mogą fermentować tylko cukry C6 (= heksozy), ale nie cukry C5 (= pentozy).

W ostatnich latach różne grupy badawcze z Europy i USA były w stanie wyprodukować szczepy drożdży, które również fermentują cukier C5 do etanolu. Materiał genetyczny drożdży wskazuje, że kiedyś były one w stanie wykorzystywać cukier C5. Jednak w toku swojej ewolucji ponownie utracili tę właściwość . Za pomocą inżynierii genetycznej można było ponownie nadać komórkom drożdży tę właściwość lub nawet znacznie je ulepszyć. W tym celu wprowadzono do nich odpowiedni materiał genetyczny z innych drożdży, grzybów i bakterii. Doprowadziło to do powstania komórek drożdży, które mogą fermentować zarówno cukry C6, jak i C5.

W przypadku ksylozy cukrowej C5 zastosowano dwie różne strategie. Naukowcy na Uniwersytecie w Lund w Szwecji stosowany mechanizm dwuetapowego ( reduktazy ksylozy / dehydrogenazy ksylitolu z drożdży Pichia stipitis ), aby wprowadzić ksylozy do metabolizmu w Saccharomyces drożdży. Naukowcom z Uniwersytetu we Frankfurcie i Uniwersytetu Technicznego w Delft w Holandii udało się ostatnio z powodzeniem wyhodować drożdże, które integrują ksylozę bezpośrednio w swoim metabolizmie w jednym etapie za pomocą enzymu izomerazy ksylozy i przefermentować ją do etanolu. Naukowcy z Delft używają eukariotycznej izomerazy ksylozy, podczas gdy naukowcy z Frankfurtu używają bakteryjnej izomerazy ksylozy, która ma tę zaletę, że jest mniej silnie hamowana przez inhibitor ksylitol.

W przypadku arabinozy cukrowej C5 5-stopniowa ścieżka degradacji drożdży Saccharomyces , która często występuje w grzybach, okazała się nieodpowiednia . W przeciwieństwie do tego na Uniwersytecie we Frankfurcie z powodzeniem ustanowiono trzystopniowy szlak metaboliczny, który poza tym występuje tylko u bakterii. Gdyby ten szlak metaboliczny został zintegrowany z drożdżami, a następnie zmuszony do używania arabinozy jako jedynego źródła energii przez kilka miesięcy, faktycznie powstały szczepy drożdży, które oprócz glukozy mogłyby fermentować arabinozy. Następnie wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu w Lund wyhodowano drożdże, które mogą fermentować wszystkie cukry, tj. Glukozę, ksylozę i arabinozę, do etanolu.

Inhibitory fermentacji

Trzecia różnica między klasycznym procesem paliwowo -etanolowym a etanolem celulozowym to substancje toksyczne, które powstają podczas chemicznej i termicznej obróbki wstępnej materiału roślinnego (np. Furfurale ). Te inhibitory uszkadzają mikroorganizmy używane w fermentacji. Dlatego należy je usunąć przed fermentacją, co jednak wiąże się z dodatkowymi kosztami.

Logistyka

Czwartą kluczową różnicą jest mniejsza gęstość odpadów roślinnych, tj. H. niższa gęstość energii w porównaniu z ziarnami zboża lub kukurydzy . Oznacza to zwiększone koszty transportu i zwiększone wymagania dotyczące przestrzeni magazynowej. Dlatego badane są bardziej wydajne techniki prasowania , transport już rozdrobnionego materiału i mniejsze, zdecentralizowane zakłady produkcyjne.

Uwarunkowania ekonomiczne

Zastosowanie wszystkich cukrów może znacząco poprawić opłacalność fermentacji biomasy roślinnej. Słoma zawiera około 32% glukozy, 19% ksylozy i 2,4% arabinozy. Tak więc 1  t słomy zawiera 320  kg glukozy. Pełna fermentacja produkuje około 160 kg etanolu, co odpowiada objętości 200  l . Pełna fermentacja ksylozy pentozowo-cukrowej daje dodatkowe 124 litry etanolu na tonę słomy.

W badaniu opublikowanym w 2009 r. ( Biopaliwa - Analiza porównawcza ) Agencja ds. Surowców Odnawialnych (FNR) oszacowała koszt etanolu lignocelulozowego ze słomy odpadowej na około 24 EUR / GJ w 2020 r., W porównaniu do 30 EUR / GJ w 2007 r. . Przy wartości opałowej wynoszącej 23,5 MJ / l bioetanolu, odpowiada to około 56 centów / l (2020) lub około 70 centom / l (2007). Oznacza to jednak, że koszty są wyższe niż koszty skrobi- etanolu. W tym kontekście badanie prowadzi do wniosku, że jest mało prawdopodobne, aby bioetanol wyprodukowany z lignocelulozy był konkurencyjny bez dotacji. Należy jednak wziąć pod uwagę, że rzeczywiste koszty pokazują tylko system działający komercyjnie. Największe koszty powodują enzymy do scukrzania celulozy. Jednak producenci enzymów zwracają uwagę, że istnieją już niedrogie procesy na bardziej skuteczne enzymy, ale nie warto ich wytwarzać, ponieważ nie ma popytu. W dłuższej perspektywie etanol celulozowy prawdopodobnie będzie stanowić jedynie tymczasowe rozwiązanie. Biopaliwa trzeciej generacji, takie jak B. Biobutanol wykazuje lepsze właściwości, ale tylko wtedy, gdy jest pozyskiwany z lignocelulozy.

literatura

• Jessica Becker, Eckhard Boles: Zmodyfikowany szczep Saccharomyces cerevisiae, który zużywa l-arabinozę i wytwarza etanol . W: Mikrobiologia stosowana i środowiskowa . taśma 69 , nie. 7 , 2003, ISSN  0099-2240 , s. 4144-4150 , doi : 10.1128 / AEM.69.7.4144-4150.2003 , PMID 12839792 . 
• Reinhard Wandtner: Paliwo: Gdy samochody jeżdżą ze słomą i gałęziami . W: Frankfurter Allgemeine Zeitung . 12 października 2005 ( faz.net [dostęp 8 lutego 2017]). 

Indywidualne dowody

1. ↑ Substancja ta albo nie została jeszcze sklasyfikowana pod względem jej niebezpieczeństwa, albo nie znaleziono jeszcze wiarygodnego i możliwego do cytowania źródła.
2. ↑ Juan J. Cadillo-Benalcazar, Sandra GF Bukkens, Maddalena Ripa, Mario Giampietro: Dlaczego Unia Europejska produkuje biopaliwa? Badanie spójności i wiarygodności dominujących narracji za pomocą ilościowego opowiadania historii . W: Badania energii i nauki społeczne . taśma 71 , styczeń 2021, s. 101810 , doi : 10.1016 / j.erss.2020.101810 ( elsevier.com [dostęp 13.05.2021]). 
3. ↑ Monica Padella, Adrian O'Connell, Matteo Prussi: Co wciąż ogranicza wykorzystanie etanolu celulozowego? Analiza aktualnego stanu sektora . W: Nauki stosowane . taśma 9 , nie. 21 , 24 października 2019, ISSN  2076-3417 , s. 4523 , doi : 10.3390 / app9214523 ( mdpi.com [dostęp 13 maja 2021]). 
4. ↑ MR Schmer, KP Vogel, RB Mitchell i RK Perrin: Energia netto etanolu celulozowego z trawy rózgowej . W: PNAS . 105, nr 2, 2008, str. 464-469. doi : 10.1073 / pnas.0704767105 . i dużo bioetanolu przy niewielkim zużyciu. W: Wissenschaft.de. 8 stycznia 2008, dostęp 8 września 2019 (niemieckie streszczenie). 
5. ↑ Beta Renewables w kryzysie związanym z etanolem celulozowym, zgodnie z wnioskiem macierzystym Grupo M&G o restrukturyzację: Biofuels Digest. Pobrano 13 maja 2020 r. (Amerykański angielski). 
6. ↑ Ineos Bio. Pobrano 2 maja 2021 r . 
7. ↑ Iogen Corporation. Źródło 13 maja 2020 r . 
8. ↑ Biopaliwo - POET. Źródło 13 maja 2020 r . 
9. ^ Niemiecka agencja internetowa i reklamowa Tele Markt GmbH: VERBIO nabywa fabrykę etanolu celulozowego od DuPont w stanie Nevada / IOWA, USA. Źródło 13 maja 2020 r . 
10. ↑ Producent. Źródło 13 maja 2020 r . 
11. ↑ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V .: Biofuels - A Comparative analysis (PDF; 2,0 MB), Gülzow 2009, s. 64/65, dostęp 5 marca 2010.
12. ↑ Jens Lubbadeh: Paliwo ze słomy : Paliwo do parzenia z super drożdżami. W: Spiegel Online . 18 sierpnia 2008, obejrzano 5 marca 2010 .