Hydrolysalkohol (cellulosaetanol) - etanol erhållen genom jästjäsning av sockerliknande ämnen erhållen genom hydrolys av cellulosa som finns i skogsindustriavfall.
Vid hydrolysanläggningar erhålls upp till 200 liter etylalkohol från 1 ton ved, vilket gör det möjligt att ersätta 1,5 ton potatis eller 0,7 ton spannmål. Förutom cellulosa innehåller cellmembranens sammansättning flera andra kolhydrater , kända under det vanliga namnet hemicellulosa , extraherade från cellmembran med en 1% lösning av salt- eller svavelsyra vid upphettning.
Hydrolysalkohol kan framställas med en mängd olika hydrolystekniker.
Vissa hydrolysscheman innebär att man erhåller en blandning av etyl- och metylalkoholer [1] .
Bioetanol är en alkohol som erhålls från sockerarter genom jäsning med hjälp av mikroorganismer. En vanlig jäst som används för detta ändamål är det vetenskapliga namnet Saccharomyces cerevisiae. Socker erhålls från växter, som använder energin från solljus genom fotosyntes för att skapa sina organiska komponenter från koldioxid (CO 2 ). Socker kan lagras i form av stärkelse (t.ex. spannmål, potatis) eller sackaros (t.ex. sockerbetor, sockerrör), eller så kan de brytas ner till strukturella komponenter (t.ex. cellulosa) som ger växten form och stabilitet. För närvarande produceras bioetanol huvudsakligen genom jäsning av sackaros (brasiliansk sockerrör) eller stärkelsehydrolysat (majs, spannmål). Efter destillering och torkning kan etanol användas som bränsle. Denna typ av produktion skapar dock en konkurrenssituation på livsmedelsmarknaden. Dessutom hindrar den begränsade arealen för grödor och de miljöhänsyn som är förknippade med den nödvändiga intensifieringen av jordbruket storskalig produktion av stärkelsebaserad etanol. Därför är målet att i allt högre grad använda lågkostnadsskörderester som halm, träavfall och landskapsvårdsprodukter eller energiväxter som växelgräs (Panicum virgatum) eller miscanthus , som inte kräver intensiv odling och dessutom växer på magra jordar. Till skillnad från konventionell bioetanol, som nästan uteslutande produceras av delar av grödor som är rika på socker eller stärkelse, såsom majs och vete, kan vilken cellulosahalt som helst av en växt användas för att producera cellulosaetanol. Gräs, alger och växtavfall anses vara möjliga råvaror för framställning av cellulosaetanol.
Fördelarna med cellulosaetanol är dels att produktionen är mer effektiv och klimatneutral ur miljösynpunkt, dels att den är mindre konkurrenskraftig med odling av livsmedelsgrödor. trots intensivt statligt stöd i vissa länder kan storskalig produktion av cellulosaetanol för närvarande inte konkurrera med traditionell bioetanol och fossila bränslen på grund av de höga produktionskostnaderna [2] . [3]
Cellulosa består av rester av glukosmolekyler , som kan erhållas genom hydrolys av cellulosa i närvaro av svavelsyra [4] :
( C6H10O5 ) n + nH2O - > nC6H12O6 _ _ _ _ _ _ _
I framtiden måste svavelsyra avlägsnas från lösningen och fällas ut till exempel med kalksten. Den slutliga reaktionen av glukosfermentering beskrivs med ekvationen:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2 CO 2
1819 upptäckte den franske kemisten Henri Braconnot att cellulosa kunde omvandlas (hydrolyseras) till sockerarter med hjälp av svavelsyra. Detta socker jäser sedan till alkohol.
I USA öppnade Standard Alcohol Company den första cellulosaetanolfabriken i South Carolina 1910. Senare öppnades en andra fabrik i Louisiana. Båda anläggningarna stängdes dock efter första världskriget av ekonomiska skäl.
Det första försöket att kommersialisera processen att erhålla etanol från trä gjordes i Tyskland 1898. Det innebar användning av utspädd syra för att hydrolysera cellulosa till glukos och kunde producera 7,6 liter etanol per 100 kg träavfall. Tyskarna utvecklade snart en industriell process optimerad för att producera cirka 190 hästkrafter. per ton biomassa. Denna process nådde snart USA, och kulminerade i två kommersiella installationer som var verksamma i sydost under första världskriget. Dessa anläggningar använde den så kallade "amerikanska processen" - en enstegshydrolys av utspädd svavelsyra. Även om avkastningen var hälften av den ursprungliga tyska processen (25 US gallons (95 L) etanol per ton mot 50), var produktiviteten i den amerikanska processen mycket högre. En nedgång i virkesproduktionen tvingade bruken att stänga strax efter första världskrigets slut. Under tiden pågick en liten men pågående studie av glukoshydrolys med utspädd syra vid USFS Forest Products Lab. Under andra världskriget vände USA sig åter till cellulosaetanol, denna gång för att omvandlas till butadien för att göra syntetiskt gummi. Vulcan Copper and Supply Company har tilldelats ett kontrakt för att bygga och driva en sågspån-till-etanolfabrik. Anläggningen var baserad på modifieringar av den ursprungliga tyska "Scholler-processen" utvecklad av "USFS Product Laboratories". Denna anläggning uppnådde ett etanolutbyte på 50 US gallons (190 L) per torrt ton, men var fortfarande inte lönsamt och stängdes efter kriget.
Med den snabba utvecklingen av enzymteknologi under de senaste två decennierna har processen för sur hydrolys gradvis ersatts av enzymatisk hydrolys . Kemisk förbehandling av råvaran är nödvändig för förbehandling. hydrolys (separering) av hemicellulosa så att den kan omvandlas till sockerarter mer effektivt. Den utspädda syraförbehandlingen utvecklades från tidigt arbete med syrahydrolys av trä vid USFS Forest Products Laboratory. Nyligen utvecklade USFS Forest Products Laboratory, i samarbete med University of Wisconsin-Madison, en sulfitförbehandling för att övervinna obstruktion av lignocellulosa för pålitlig enzymatisk hydrolys av trämassa.
Bioetanol är etylalkohol som erhålls genom jäsning från sockerarter med hjälp av mikroorganismer. En jäst ( Saccharomyces cerevisiae ) används vanligtvis för detta ändamål . Socker kommer från växter, som använder energin från solljus genom fotosyntes för att skapa sina organiska komponenter från koldioxid (CO 2 ). Sockerarter kan lagras i form av stärkelse (t.ex. spannmål, potatis) eller sackaros (t.ex. sockerbetor , sockerrör ), eller så kan de inkorporeras i växternas strukturella komponenter (t.ex. cellulosa ) som ger växten dess form och stabilitet. För närvarande produceras bioetanol huvudsakligen genom jäsning av sackaros (brasiliansk sockerrör ) eller stärkelsehydrolysat ( majs , andra spannmål ). Efter destillering och torkning kan etanol användas som bränsle. Den här typen av teknisk kultur skapar dock konkurrens med matmarknaden. Dessutom hindrar den begränsade tillgängliga arealen och de miljöhänsyn som är förknippade med den nödvändiga intensifieringen av jordbruket storskalig produktion av stärkelsebaserad etanol. Målet för forskarna är alltså att i allt högre grad använda billiga skörderester som halm , träavfall och eller energigrödor som växelgräs ( Panicum virgatum ) eller miscanthus , som inte kräver intensivt jordbruk och ofta växer på ödemark. .
Växtrester eller energigrödor innehåller lite stärkelse eller sackaros, men innehåller kolhydrater , lagrade som lignocellulosa i cellväggarna. Lignocellulosa är sammansatt av cellulosa, hemicellulosa och icke-fermenterbart lignin ("vedmassa"). Cellulosa är, liksom stärkelse, en polymer av sockermolekyler med sex kol, glukos, sammanlänkade med långa kedjor. Båda skiljer sig endast i typen av anslutningar. Hemicellulosor är huvudsakligen sammansatta av sockerarter med fem kolatomer, xylos och arabinos , som ligger intill i grenade kedjor.
Liksom traditionell etanol kan cellulosaetanol läggas till bensin och användas i alla bensinfordon idag. Dess potential att minska utsläppen av växthusgaser är större än den för traditionell etanol som härrör från spannmål. Produktion av cellulosaetanol kan stimulera ekonomisk tillväxt på landsbygden, öppna upp nya marknader för bönder och öka användningen av förnybara energikällor. De vanligaste blandningarna av bensin eller diesel med alkohol, som kallas gaschol respektive dishol .
Trots den nära likheten mellan stärkelsefermentering och lignocellulosa, uppvisar den senare vissa svårigheter. Först måste lignocellulosa göras flytande och försockrad. Detta är mycket svårare än med stärkelse eftersom sockerkedjorna är svåra att nå. Därför måste växtmaterialet preliminärt behandlas kemiskt eller termiskt. Först efter detta kan försockring ske med hjälp av speciella enzymer (cellulaser, xylanaser, glukosidaser), som bryter ner cellulosakedjor till glukos på samma sätt som amylaser i stärkelse. Dessa enzymer kommer från svampar som är naturligt inblandade i förruttnelse och växtrester är inblandade. Eftersom det krävs betydligt fler enzymer än för stärkelseförsockring leder detta till högre kostnader. De senaste årens forskning har dock lett till lägre kostnader.
Den andra viktiga skillnaden är att lignocellulosa lignocellulosa inte bara innehåller glukos som en sockerbyggsten, som i stärkelse, utan även andra sockerarter som xylos och arabinos (= C5 eller pentossocker ). De kan dock inte användas av jästen som används för att framställa etanol. Därför är det nödvändigt att använda specialavlad jäst, som förutom glukos även kan jäsa andra sockerarter till etanol.
Traditionell produktion av etanolbränsle använder endast jäst av typen Saccharomyces. Detta är samma jäst som används för att göra bröd, öl och vin. Fördelen med jästsvampar framför bakterier är att deras hantering i industriella processer har etablerats i århundraden. Av denna anledning är de idealiska för framställning av etanol från lignocellulosa. Deras största nackdel är dock att de bara kan fermentera C6-socker (=hexoser) men inte C5-socker (=pentoser).
De senaste åren har olika forskargrupper från Europa och USA kunnat erhålla jäststammar som även fermenterar C5-socker till etanol. Genetiskt material från jäst visar att de en gång kunde använda C5-socker. Men under sin utveckling förlorade de denna egendom igen. Med hjälp av genteknik var det möjligt att återföra denna egenskap till jästceller eller till och med förbättra dem avsevärt. För att göra detta introducerade de lämpligt genetiskt material från andra jästsvampar, svampar och bakterier. Detta resulterade i jästceller som kan fermentera både C6- och C5-socker.
När det gäller C5-sockerxylos användes två olika strategier. Forskare vid Lunds universitet i Sverige använde en tvåstegsmekanism (xylosreduktas/xylitoldehydrogenas från jästen Pichia stipitis) för att introducera xylos i metabolismen av jästen Saccharomyces. Forskare från University of Frankfurt och Technical University of Delft i Nederländerna har dock nyligen framgångsrikt kunnat föda upp jäst som bryter ner xylos direkt i ett steg med enzymet xylosisomeras, integrerat i deras ämnesomsättning och fermenterat till etanol. Delft-forskarna använder eukaryot xylosisomeras, medan forskarna i Frankfurt använder bakteriellt xylosisomeras, som har fördelen att hämmas mindre starkt av hämmaren xylitol.
När det gäller C5-sockerarabinos visade sig 5-stegsnedbrytningsvägen i Saccharomyces-jäst, som är vanlig hos svampar, vara mindre lämplig. Däremot har en trestegs metabolisk väg som normalt bara finns i bakterier etablerats framgångsrikt vid universitetet i Frankfurt. Om denna metaboliska väg integrerades i jäst och sedan tvingades använda arabinos som sin enda energikälla under flera månader, utvecklades faktiskt jäststammar som kunde fermentera såväl arabinos som glukos. Sedan odlades tillsammans med forskare från Lunds universitet jäst som kunde fermentera alla sockerarter, det vill säga glukos, xylos och arabinos, till etanol.
En tredje skillnad mellan den klassiska etanol-bränsleprocessen och cellulosaetanol ligger i de giftiga ämnen som bildas under den kemiska och termiska förbehandlingen av växtmaterial (t.ex. furfuraler). Dessa hämmare skadar de mikroorganismer som används vid fermentering. Därför måste de tas bort innan jäsning, vilket dock kräver extra kostnader.
Vissa bakteriearter har hittats som är kapabla att direkt omvandla ett cellulosasubstrat till etanol. Ett exempel är Clostridium thermocellum , som använder komplex cellulosa för att bryta ner cellulosa och syntetisera etanol. C. thermocellum producerar dock även andra produkter under cellulosametabolismen, inklusive acetat och laktat , förutom etanol, vilket minskar effektiviteten i processen. Vissa forskningsinsatser är inriktade på att optimera etanolproduktionen med genetiskt modifierade bakterier som fokuserar på etanolproduktionsvägen.
Omvandlingen av alla sockerarter kan avsevärt förbättra ekonomin för jäsning av växtbiomassa. Halm innehåller cirka 32 % glukos, 19 % xylos och 2,4 % arabinos. 1 ton halm innehåller 320 kg glukos. Heljäsning ger cirka 160 kg etanol, vilket motsvarar en volym på 200 liter. Fullständig jäsning av pentossockret xylos ger ytterligare 124 liter etanol per ton halm.
I en studie publicerad 2009 (Biofuels Benchmarking) uppskattade Renewable Resources Agency (FNR) kostnaden för halmbaserad lignocellulosaetanol till cirka 24 €/GJ för 2020, medan värdet fortfarande var 30 €/GJ. år 2007. Med ett värmevärde på bioetanol på 23,5 MJ/l motsvarar detta ca 56 cent/l (2020) eller ca 70 cent/l (2007). Det innebär att kostnaderna är högre än för stärkelse-etanol. Mot denna bakgrund drar studien slutsatsen att lignocellulosabioetanol sannolikt inte kommer att vara konkurrenskraftig utan finansiering. [11] Det bör dock noteras att de verkliga kostnaderna blir uppenbara först när systemet drivs kommersiellt. De största kostnaderna orsakas av enzymer för försockring av cellulosa. Enzymtillverkarna påpekar dock att det redan finns lågkostnadsprocesser för effektivare enzymer, men de är inte värda att producera eftersom det inte finns någon efterfrågan på dem. På lång sikt är cellulosaetanol sannolikt bara en tillfällig lösning. Tredje generationens biobränslen som B. Biobutanol presterar bättre, men bara om de kommer från lignocellulosa.
| Alternativa bränslefordon | |
|---|---|
| bränslecell | |
| Muskulös drivkraft |
|
| solenergi |
|
| Luftmotor | |
| Elektriskt batteri och motor |
|
| biobränslemotor _ | |
| Väte |
|
| Övrig | |
| Multibränsle |
|
| Dokumentärer |
|
| se även |
|