6.2. Procesul de producţie a bioetanolului din materiale lignocelulozice

Figura 6.2.1 Procesul de producţie al bioetanolului din biomasa lignocelulozicǎ, pe baza procesului NREL. [16]

48

Procesul de bazǎ pentru producerea bioetanolului se bazeazǎ pe modelul

NREL, principalele operaţii ale procesului sunt prezentate în Figura 6.2.1.

Manipularea materiei prime. Materia primǎ, în acest caz, resturi din lemn

de esenţǎ tare, este livratǎ în zona de alimentare pentru manipulare , depozitare şi

reducerea dimensiunii.

Pretratarea. Componenta principalǎ a procesului de pretratare este reactorul

de pretratare, care transformǎ cea mai mare parte din hemiceluloza conţinutǎ în

materia primǎ est transformatǎ în zaharuri solubile (în primul rând xilozǎ, manozǎ,

arabinozǎ şi galactozǎ), prin hidrolizǎ, cu acid sulfuric diluat şi la temperaturǎ

ridicatǎ. Datoritǎ faptului cǎ hidroliza se reslizeazǎ în aceste condiţii o parte din

lignina conţinutǎ în materia primǎ este solubilizatǎ. În plus în urma hidrolizei

hemicelulozei este eliberat şi acid acetic. În urma hidrolizei se formeazǎ de asemenea,

în urma descompunerii produşilor zaharuri : pentoze (în primul rând furfural) şi

hexoze ( în primul rând hidroximetil furfural). În urma hidrolizei. Amestecul format

din particule solide şi lichide rezultat în urma pretratamentului este racit. În urma

acestei operaţiuni este vaporizatǎ o cantitate mare de apǎ, o parte din acidul acetic, şi

o mare parte dn furfural şi hidroximetil furfural. Eliminarea acestor aldehide

heterociclice este beneficǎ, deoarece acestea pot fi toxice pentru microorganismele

utilizate mai tarziu la procesul de fermentare.

Detoxifierea, adaugarea varului şi cocndiţionare. În plus faţǎ de

îndepǎrtarea aldehidelor, procesul de detoxifiere are rolul de a separa faza

nereacţioanatǎ solidǎ de hidrolizatul lichid. Faza lichidǎ, conţine acid sulfuric şi alţi

inhibitori în plus faţǎ de zaharurile hemicelulozice. Înainte de procesul de fermentare,

detoxifierea lichidului rezultat în urma pretratamentului este necesarǎ pentru a

elimina inhibitorii formaţi în timpul acestui proces. Schimbul de ioni este utilizat

pentru a elimina acidul sulfuric şi acidul acetic care sunt toxice mai departe

microorganismele utilizate în procesul de fermentaţie. Dupǎ ce amestecul trece prin

coloana schimbatoare de ioni, pH-ul se ridicǎ la 10 (prin adǎugarea varului), fiind

menţinut la aceastǎ valoare o anumitǎ perioadǎ de timp. Neutralizarea şi precipitarea

gipsului este urmǎtorul pas. Gipsul este eliminat prin filtrare , iar partea lichidǎ este

amestecatǎ în cele din urmǎ cu fracţiunea solidǎ (fracţiunea solidǎ separatǎ în urma

procesului de detoxifiere) înainte de a fi trimis la SSCF.

49

SSCF. Dupǎ procesul de adǎugare a varului, o micǎ parte din amestecul

detoxifiat este deviat catre zona de producţie a microorganismelor (Zymomonas

mobilis ), în timp ce cea mai mare parte este trimisǎ în zona de proces (SSCF). Douǎ

operaţii sunt efectuate în acest proces : zona de zaharificare (hidrolizǎ), în care

celuloza este transformatǎ la glucozǎ utilizând celulaze, şi fermentarea glucozei şi a

altor zaharuri la etanol. Pentru procesul de fermentare se utilizeaza bacteria Z. Mobilis

care va fermentata atât glucoza cât şi xiloza la etanol. Seminţe pentru inoculare,

nutrienţi, enzime, şi amestec rezultat în urma detoxifierii şi neutralizǎrii sunt adǎugate

în curent continuu în fermentator. Supa de etanol rezultatǎ este colectatǎ şi trimisǎ în

zona de separare.

Separarea. Distilarea şi absorbţia pe site moleculare este utilizatǎ pentru a

recupera etanolul din amestecul rezultat în urma procesului de fermentare şi

producerea de etanol de puritate aprope 100%. Distilarea se realizeazǎ în douǎ

coloane. Prima coloanǎ (coloana de bere), eliminǎ CO2- ul dizolvat şi o parte din apǎ,

cea de-a doua coloanǎ de distilare concentreazǎ etanolul la o compoziţie apropiatǎ de

cea a unui azeotrop. Ulterior apa din amestecul azeotrop se îndepǎrteazǎ prin

adsorbţia pe site moleculare.

6.2.1. Reacţiile chimice care au loc în fiecare etapǎ a procesului tehnologic

În tabelele urmǎtoare vor fi prezentate reacţiile care au loc în fiecare etapǎ a

procesului tehnologic de obţinere a bioetanolului din deşeuri provenite din prelucrarea

lemnului de esenţă tare. Totodată vor fi preazentate pentru fiecare reacţie în parte

gradele molare de avansare. În continuare pe baza reacţiilor prezentate în aceste

capitole va fi realizat bilantul de materiale pentru fiecare etapă a procesului în parte,

urmând ca mai apoi să fie realizat şi bilanţul total de materiale.[17]

50

6.2.1. Reacţiile chimice care au loc în timpul etapei de pretratament

Reacţia Conversia Gradul de

avansare1 Hidroliza paţială a

celulozei la glucoză0.065

2 Hidroliza parţială celulozei la celobioză

0.007

3 Hidroliza parţială a hemicelulozei la

xiloză

0.750

4 Conversia hemicelulozei la

furfural

0.100

5 Hidroliza parţială a hemicelulozei (mananului) la

manoză

0.750

6 Conversia hemicelulozei (mananului) la

HMF

0.250

7 Hidroliza parţială hemicelulozei (arabanului) la

arabinoză

0.750

8 Conversia hemicelulozei (arabanului) la

furfural

0.25

51

Tabel 6.2.2. Reacţiile chimice care au loc în timpul detoxifierii.

Reacţia Conversia Gradul de avansare

1 Conversia acidului

sulfuric la sulfat de amoniu

1.0

2 Conversia acidului acetic

la acetat de amoniu

1.0

Tabel 6.2.3.Reacţiile chimice care au loc în etapa adaugǎrii de var

Reacţia Conversia Gradul de avansare

1 Reacţia de neutralizare a

acidului sulfuric

1.0

Tabel 6.2.4. Reacţii de zaharificare care au loc în timpul etapei SSCFReacţia Conversia Gradul de

avansare1 Hidroliza

parţială a celulozei la celobioză

0.012

2 Hidroliza parţială a

celulozei la glucoză

0.800

3 Hidroliza parţială a

celobiozei la glucoză

1.00

Tabel.6.2.5. Reacţiile de fermentare care au loc în timpul etapei SSCF

52

Reacţia Conversia Gradul de

avansare1 Fermentare

glucozei la etanol0.920

2 Conversia glucozei in

biomasa celulară

0.027

3 Hidroliza parţialǎ a glucozei la

glicerol

0.002

4 Conversia glucozei la acid

succinic

0.008

5 Conversia glucozei la acid

acetic

0.022

6 Conversia glucozei la acid

lactic

0.013

7 Conversia xilozei la etanol

0.850

8 Conversia xilozei la biomasa

celulară

0.029

9 Hidroliza parţialǎ a xilozei la

glicerol

0.002

10 Hidroliza parţialǎ a xilozei la xilitol

0.006

11 Conversia parţialǎ a xilozei la acid

succinic

0.009

12 Conversia parţiala a xilozei la acid

acetic

0.024

13 Conversia parţialǎ a xilozei la acid

lactic

0.014

Tabel 6.2.6. Reacţii secundare care au loc în timpul etapei SSCF

Reacţia Convesia Gradul de avansare

53

1 Conversia parţială a glucozei la acid

la acid lactic

1.0

2 Conversia parţială a xilozei la acid

lactic

1.0

3 Conversia arabinozei la acid

lactic

1.0

4 Conversia galactozei la acid

lactic

1.0

5 Conversia manozei la acid

lactic

1.0

54

55