Etanolul (Biocarburanți)

Biocarburanţii cuprind orice sursă de combustibil sau de energie care este produsă

din materie organică, ca şi uleiuri combustibile produse din plante sau animale. Exemple de

materii utilizate la producerea biocarburanţilor sunt alcoolul din zaharuri fermentate, lemnul

şi grăsimile animale. Definiţia poate fi extinsă incluzând deşeuri municipale solide şi unele

deşeuri industriale.

Utilizarea biocarburanţilor este un instrument eficient de protecţie a mediului. Pe

lângă valorile mici ale CO2 net, arderea biocarburanţilor va genera mai puţine emisii de

SO2, care este una din principala cauză a ploilor acide, mai puţine emisii de particule

(funingine), hidrocarburi nearse (HC) şi monoxid de carbon (CO). Există multe forme de

biomasă solidă care este combustibilă cum ar fi: lemnul, paiele, alte plante uscate,

resturi animaliere sau cojile cerealelor.

Combustibilii oxigenaţi sunt acele hidrocarburi care conţin în lanţul molecular unul

sau mai mulţi atomi de oxigen. Printre aceşti combustibili cei mai cunoscuţi sunt alcoolii

(metanol şi etanol) şi derivaţii de tip eter: MTBE (Metil Tertiar Butil Eterul ) şi ETBE (Etil

Tertiar Butil Eterul). Aceşti combustibili cunoscuţi în ultimul secol de lumea motoristică, au

fost folosiţi pentru formularea combustibililor de curse pentru a îmbunătăţi performanţele

motorului; totuşi ei au fost excluşi de pe piaţa combustibililor din motive economice.

Utilizarea etanolului în motoare este cunoscută din 1890 şi a înaintat semnificativ în

anii 1910-1920 ca şi în timpul celui de-al doilea Război Mondial. Interesul pentru el a scăzut

din 1945 fiindcă benzina obţinută din petrol era mai ieftină. Interesul pentru combustibili

oxigenaţi a reapărut în 1973 odată cu criza petrolieră, din motive economice şi politice

Etanolul

Etanolul este o substanță organică din clasa alcoolilor. Mai poartă denumirea de alcool

etilic și are formula moleculară C2H5OH putând fi scris CH3 – CH2 – OH.

Se prezintă ca o substanță lichidă incoloră, solubilă în apă în orice proporții.

Solubilitatea se datorează grupării hidroxil din molecula alcoolului prin intermediul careia

între moleculele de apă și de alcool se stabilesc legături de hidrogen intermoleculare.

Bioetanolul este de departe cel mai folosit biocombustibil pentru transport. Producţia

de bioetanol din biomasa este o modalitate de a reduce atât consumul de ţiţei precum şi o

modalitate de reduce poluarea mediului. Bioetanolul poate fi produs din diferite tipuri de

materii prime. Aceste materii prime sunt clasificate în trei categorii: zaharuri simple,

amidonoase şi lignocelulozǎ. Preţul materiilor prime este foarte volatil, ceea ce poate afecta

destul de mult costurile producţiei de bioetanol. O problemǎ majorǎ a producţiei de

bioetanol este disponibilitatea de materii prime necesarǎ producţiei. Biomasa lignocelulozicǎ

este materia primǎ cea mai promiţǎtoare având în vedere disponibilitatea mare şi costul

scǎzut, însǎ producţia comercialǎ la scarǎ largǎ de bioetanol din materiale lignocelulozice nu

a fost încǎ pusǎ în aplicare.

Modalitati de obtinere a bioetanolului. Moduri de utilizare la m.a.s.:

100% sau in amestecuri cu benzina. Alcoolii monoatomici pot fi obţinuţi prin:

- sinteza materiei prime chimice;

- fermentarea glucidelor sau amidonului provenite din plante (biocombustibil de prima

generaţie);

- prelucrarea masei ligno-celulozice (biocombustibil de generaţia a doua).

Materii prime care conţin zaharozǎ Trestia de zahǎr, fie sub formǎ de suc sau melasǎ de trestie de zahǎr, este cea mai

importantǎ materie primǎ utilizatǎ în ţǎrile tropicale şi subtropicale pentru producerea de

etanol. În ţǎrile europene, melasa de sfeclǎ este cea mai importantǎ materie primǎ care

conţine zahǎr. Pe lângǎ aceste culturi energetice, sorgul dulce a devenit o materie primǎ

importantǎ având în vedere perspectiva cǎ din tulpinile sale poate fi extras un suc cu un

conţinut ridicat de zaharozǎ, cerealele sale conţin o mare cantitate de amidon, iar resturile

vegetale provenite din culturile acestor plante reprezintǎ o sursǎ importantǎ de biomasǎ

lignocelulozicǎ.

Posibilitatea de a produce etanol combustibil din suc de sorg dulce, a fost examinatǎ

în China de Nord, astfel s-au recomandat conceperea centralelor flexibile capabile sǎ

producǎ etanol atât din zahǎr cât şi din suc de sorg dulce, având în vedere conceperea

centralelor flexibile capabile sǎ producǎ etanol atât din zahǎr cât şi din suc de sorg dulce.

Schema fluxului de operaţii pentru procesul de obţinere a etanolului din trestie de zahǎr

Materii prime amidonoase Pentru a produce etanol din amidon este necesar sǎ se rupǎ lanţurile acestor

carbohidraţi pentru a obţine sirop de glucozǎ, care poate fi transformat mai departe în

etanol de cǎtre drojdii. Acest tip de materie primǎ este cea mai utilizatǎ pentru producerea

de etanol în America de Nord şi Europa. Porumbul şi grâul sunt principalele surse de amidon.

În ţǎrile tropicale, pentru producţia de etanol din culturi amidonoase pot fi folosite culturile

de tuberculi.

Evaluarea economicǎ a diferitelor materiale amidonoase pentru producerea de

etanol a fost tratatǎ în diferite studii. Potrivit acestor studii, în cazul Regatului Unit, în

condiţiile în care preţul pe tona de grâu este de 115€, costurile nete de etanol sunt calculate

la 0.38€ pe litru, dar dacǎ grâul este cultivat alǎturi de alte plante se obţine un preţ de 45€

pe tona, costurile de etanol poate scǎdea la 0.21€ pe litru.

Schema fluxului de operaţii pentru obţinerea bioetanolului din porumb

PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMASĂ

Alcoolul etilic (etanol) Toate zaharurile cu C6 sunt fermentabile şi în principal glucoza şi zaharoza pot fi

transformate în alcool şi dioxid de carbon după fermentare. Procesul de fermentare este

anaerob şi catalizat de o enzimă produsă de drojdie: Saceheromyces Cerevisiae. Reacţiile de

fermentare sunt următoarele:

C 6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (∆H=-412 kJ/kg) (glucoză) (etanol)

12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2 (∆H=-479 kJ/kg) (zaharoză) (etanol)

Unde: ∆H - reprezintă entalpia masică.

Etanolul produs în Europa pentru a fi utilizat sub formă de biocarburant poate fi

obţinut din prelucrarea zaharurilor provenite din sfecla de zahăr şi grâu. Această filieră de

obţinere a biocarburanţilor generează şi coproduşi cum ar fi: reziduurile lichide (poşircă), ce

pot fi utilizate ca fertilizant datorită conţinutului bogat de materii minerale sau pulpă de

sfeclă de zahăr şi borhot de grâu, bogate în proteine, care pot fi utilizate în hrana animalelor

Hidroliza Se aplică industrial la prelucrarea amidonului obţinut din cereale. Sunt utilizate două

procedee: - metoda umedă: grăunţele sunt măcinate şi constituenţii (tărâţe, gluten, amidon

etc.) sunt separaţi clasic, prin spălare. Numai amidonul este supus hidrolizei enzimatice şi

zaharurile obţinute sunt fermentate.

Coproduşii rezultaţi sunt vânduţi separat pe pieţe specifice. - metoda uscată:

grăunţele sunt măcinate şi constituenţii sunt supuşi în totalitate hidrolizei enzimatice şi

fermentării. Coprodusul este borhotul (numit în lb. engleză Dried Distiller Grain and Solubles

DDGS).

Fermentaţia Fermentaţia tradiţională a zaharurilor C6 (hexoze) de către drojdii rămânea calea

industrială de obţinere a etanolului. Numeroase lucrări de cercetare au abordat fermentarea

cu bacterii, alte drojdii precum şi cu ajutorul unor ciuperci sau fermentarea zaharurilor C5

(pentoze). Aceste încercări au rezultate interesante însă nu s-au aplicat industrial în

obţinerea etanolului.

În industrie la ora actuală se aplică două metode de fermentare: metoda discontinuă

şi metoda continuă. Metoda continuă (procedeele Speichim şi Biostil) este cea mai

productivă şi are un randament superior metodei discontinue cu 1…6% însă este foarte

sensibilă la contaminări bacteriene.

Strecurare moleculară Obţinută prin procesele de absorbţie - desorbţie a apei pe un suport de zeoliţi

sintetici sau de silicoaluminaţi metalici cu o structură cristalină tridimensională poroasă. O a

treia metodă tehnică a fost aplicată în trecut dar nu a fost suficient adoptată pentru

obţinerea etanolului din sfeclă de zahăr. Această metodă are la bază o preevaporare printr-o

membrană, din punct de vedere energetic metoda putând fi aplicată pentru alţi alcooli.

Avantajele alcoolului se manifestă cel mai evident cu creşterea gradului de

comprimare: la ε = 14 randamentul efectiv atinge 37% (în cazul benzinei ηe

=31%). Datorită

majorării ηe

scade consumul specific al energiei la o unitate de putere (fig. 2.). Factorii

menţionaţi şi gradul mai ridicat de umplere a cilindrilor permite o creştere esenţială (pînă la

15%) a puterii motorului alimentat cu alcool

În funcţie de materia primă, tehnologia de producere, preţurile la bioetanol variază

de la o ţară la alta (fig.7). În Brazilia preţul etanolului este 1 dolar/galon (3,785 l) faţăde 1,5

dolari/ galon de benzină. Preţul etanolului produs din celelalte culturi este mai mic decît al

benzinei şi diferă de la 0,22 la 0,7 Є/l.

În prezent, activitatea de cercetare-dezvoltare în domeniul bioetanolului se

concentrează pe utilizarea biomasei ligno-celulozice: lemnul şi reziduurile forestiere,

culturile energetice (salcia, trestia chinezească, eucaliptul), reziduurile agricole (paie, tilpini

de porumb, sorg şi begasă), deşeurile municipale solide ca materie primă pentru pro-

ducerea bioetanolului. Pentru producerea unei tone de etanol sunt necesare 3-4 tone de

material lemnos uscat sau ierbos.

Criteriile de utilizare a etanolului şi eterilor Adaosul de compuşi oxigenaţi în benzină îmbunătăţesc cifra octanică. Încorporarea

unui procentaj volumic de 5% de etanol determină creşterea cifrei octanice a amestecului

(COR) cu 1,2 unităţi în timp ce pentru a obţine aceeaşi cifră octanică trebuie adăugată o

cantitate dublă de ETBE (10%).

Pe lângă îmbunătăţirea cifrei octanice, compuşii oxigenaţi aduc şi un aport de oxigen în

camera de ardere care conduce la o ardere mai completă a amestecului aer-combustibil.

Concluzii, avantaje, dezavantaje.

În ultimii 10-15 ani s-a înregistrat o majorare esenţială a utilizării bioetanolului ca

combustibil alternativ pentru transportul auto. Acest fenomen se datorează unor avantaje

ale bioetanolului ca combustibil, şi anume:

- reduce emisiile gazelor cu efect de seră cu 35-45% şi mai mult;

- sunt disponibile cantităţi mari de materie primă pentru producerea bioetanolului;

- preţul de cost al etanolului, în multe cazuri, competitiv cu cel al combustibilului fosil;