Etanolul ca biocombustibil. Producerea etanolului din biomasă lignocelulozică

Bioetanolul este definit ca alcoolul etilic de provenienţă naturală. Materiile prime utilizate în fabricarea etanolului sunt:-materii prime glucidice (trestie de zahăr,sfecla de zahăr, sorg, unele fructe etc.);-materii prime amidonoase (porumbul, grâul,cartoful, maniocul);-materii prime lignocelulozice (lemnul şi altemateriale din plante fibroase).Etanolul (alcoolul etilic, bioetanol) este cel mai utilizat biocombustibil lichid fie ca şi combustibil, fie ca aditiv al benzinei. Etanolul prezintă câteva avantaje când este folosit ca agentde oxidare. În primul rând, are un conţinut mai ridicat de oxigen, ceea ce implică o cantitate maimică de aditivi necesari. Raportându-l la metil tetra-butil eter (MTBE), un derivat almetanolului, etanolul are efect mai mare cu privire la mărirea cifrei octanice, nu este toxic, şi nueste poluant. Etanolul poate fi folosit ca și combustibil pentru motoare termice în următoarele forme: în amestecuri diluate, în amestecuri concentrate, pur și sub formă de etil tretrabutil eter (ETBE), care se folosește în prezent ca aditiv la benzină.Combustibilii pe bază de etanol pot fi obţinuţi din substrat vegetal (cereale, cartof, plantetehnice zaharoase, bagase din trestia de zahăr), sau, în ultimul timp se fac eforturi de eficientizarea procedeului de obţinere din biomasă lignocelulozică reziduală (paie, coceni, deşeuri lemnoase).ETANOLUL DIN LIGNOCELULOZĂCea mai importantă sursă de obţinere a bioetanolului, din punct de vedere cantitativ, oreprezintă materiile prime lignocelulozice sub formă de deşeuri agricole.Produse lignocelulozice care pot fi folosite ca surse de energie pot fi: reziduuri sau subproduseagricole: coceni de porumb, paie de cereale, reziduuri forestiere, reziduuri industriale, culturivegetale energetice, reziduuri menajere. Însă, spre deosebire de amidon, care este un polimer omogen şi uşor de hidrolizat, materia lignocelulozică vegetală este un polimer complex,heterogen, care conţine trei componente majore: celuloză (23-53%), hemiceluloză (20-35%) șilignină polifenolică (10-25%).Procedeul clasic, de conversie a biomasei lignocelulozice la etanol și alte produsebiochimice (fig. 3), aplicat şi dezvoltat de-a lungul ultimelor trei decenii, presupune următoareleetape principale:1. Biomasa lignocelulozică (BLC) este supusă mai întâi unor procese de pretratare care aurolul de a degrada complexul ligno-celulozic, prin crearea unor pori în lignina care cimenteazăceluloza, în scopul permiterii accesului celulazelor în etapa următoare de hidroliză enzimatică acelulozei.2. Hidroliza enzimatică constă în depolimerizarea poliglucidelor principale prezente în BLCși eliberarea monomerelor solubile constituente (glucoză, xiloză, arabinoză etc). În această etapăse obține o soluție conținând glucide fermentescibile și alte componente nutritive, care poate fifolosită în formularea unor medii de fermentație.3. Fermentarea hidrolizatului obținut la etanol sau alți compuși biochimici care pot fi folosițica biocombustibili sau ca materii prime în diverse domenii (etanol, butanol, acetonă, hidrogen,metan, acid lactic etc). Hidrolizatul poate fi convertit de asemenea cu ajutorul algelor la ulei casursă de biodiesel sau biocherosen.4. Etapa de extracție a produsului de fermentare, în care produșii de fermentație sunt extrașiprin distilare sau prin alte procedee, prelucrați și condiționați, obţinându-se un produs comercialcare poate fi biocombustibil (etanol, butanol, metan, hidrogen), sau materie primă pentruindustria chimică (butanol, acetonă, etanol, xilitol, alcooli superiori, acizi organici etc).Cu toate că biomasa lignocelulozică este disponibilă în cantităţi foarte mari, provocareaprincipală pentru a face produsul comercial este reducerea costurilor majore a procesului de

conversie a biomasei, în special operaţiile de pretratare şi hidroliză enzimatică.Tehnologii de pretratarePrin aplicarea procedeelor de pretratare a BLC nu se urmărește hidroliza fracţiuniicelulozice din biomasă, ci obținerea unui randament cât mai mare de conversie a celulozei laglucoză în etapa următoare de hidroliză enzimatică.1. Pretratarea chimicăProcedeele chimice de pretratare constau în aplicarea unor substanțe chimice (acizi,hidroxizi, agenți oxidanți etc) în scopul degradării ligninei și a celorlalte componentenecelulozice și a modificării structurii cristaline a celulozeiPretratarea acidă se bazează pe diferenţa de rezistenţă acidă dintre hemiceluloze şiceluloză. Acizii minerali determină gonflarea celulozei și solubilizarea ei. Cel mai des utilizateste acidul sulfuric în concentraţii de 1-3%. Temperatura şi durata tratamentului diferă în funcţiede tehnologia utilizată.Pretratarea alcalină presupune aplicarea hidroxizilor pentru degradarea BLC. Unul dintrecele mai studiate procedee presupune pretratarea cu hidroxid de sodiu. Condiţiile de mediu aleacestei pretratări constau în aplicarea unor soluții diluate (2%) sau concentrate (până la 25%) dehidroxid de sodiu, prin pulverizare sau imersarea biomasei în soluția de hidroxid.Pretratarea cu agenți oxidanți constă în delignifierea biomasei prin oxidarea ligninei șieliberarea celulozei din complexul lignocelulozic prin aplicarea unor agenți oxidanți: dioxid desulf, dioxid de clor, oxizi de azot, acid peracetic, peroxid de hidrogen, ozon etc. Dioxidul de clorși de sulf se folosesc în tehnologiile clasice aplicate în industria celulozei și a hârtiei, dar creeazăprobleme legate de efluenții poluanți rezultați, ca și ceilalți agenți oxidanți care duc la obținereaacizilor în combinație cu apa. Ozonul poate fi o alternativă mai bună, nepoluantă.Pretratarea cu amoniac a biomasei lignocelulozice este aplicată de mai multe deceniipentru obținerea unor furaje fibroase mai ușor de digerat de către animale. Paiele de cereale aufost tratate în unele ferme cu amoniac lichid sau gazos, obținându-se un furaj mai nutritiv decâtpaiele netratate. În procesul de obținere a etanolului din lignoceluloză, se aplică procedeuldenumit prescurtat AFEX (ammonia fibre expansion – expandarea fibrelor cu amoniac). Acest procedeu constă în adăugarea amoniacului lichid peste biomasă la presiuni între 100 și 400 psi șitemperaturi între 70 și 200oC, urmată de decomprimarea bruscă. Prin acțiunea amoniacului latemperaturi și presiuni ridicate și trecerea bruscă de la presiuni ridicate la presiune atmosferică,celuloza este decristalizată, hemiceluloza este hidrolizată, lignina este depolimerizată și creștenumărul și dimensiunea microporilor în peretele vegetal.2. Pretratarea fizicăPretratarea cu vapori constă în hidroliză rapidă a fibrei vegetale la temperatură înaltă(180-240oC) prin acțiunea vaporilor de apă sub presiune. Procedeul este denumit “steamexplosion” și are ca efect hidroliza hemicelulozei și destructurarea fibrelor de celuloză, mai alesla finalul tratamentului, care se face prin decompresie explozivă. Pretratarea cu vapori se aplicăcel mai des în combinație cu procedeul acid sau alcalin.Pretratarea prin iradiere este un procedeu cercetat la scară de laborator, însă nu s-aridicat la scară industrială.3. Pretratarea mecanicăÎn general, procedeele de pretratare urmăresc înlesnirea accesului celulazelor la substratullor – celuloza din biomasa lignocelulozică. Prinaplicarea diferitelor procedee mecanice se urmărește obținerea unor fragmente de biomasălignocelulozică de mărime redusă, având același scop, de îmbunătățire a hidrolizei prin creștereasuprafeței de acces a enzimelor celulozolitice la substrat. Procedeele mecanice ca: mărunțirea,

zdrobirea, tocarea, presarea, micronizarea, duc la fragmentarea biomasei, clivarea elementelor destructură a complexului lignocelulozic și obținerea unor fragmente de mărimi de la câțivacentimetri (în cazul tocării spre exemplu) la pulberi formate din particule de câțiva microni încazul micronizării.Alegerea metodei optime de pretratare este un aspect dificil, însă generalizând,pretratarea biomasei presupune reducerea mărimii fragmentelor (cel puțin până la câțivacentimetri în cazul așchiilor de lemn, dar de cele mai multe ori la dimensiuni mult mai mici).Căldura este de asemenea un factor important, aplicându-se în multe cazuri aburi sub presiune.În ceea ce privește performanțele măsurabile, procedeul ideal de pretratare ar trebui să aibăurmătoarele caracteristici:- să genereze fibre vegetale reactive în proporție cât mai mare;- pentozele să se regăsească în formă nedegradată;- să nu genereze produși toxici care să inhibe procesul de fermentație;- să necesite o pregătire a biomasei cât mai sumară (spre exemplu să necesite ofragmentare cât mai grosieră, sau deloc);- să poată fi efectuat în echipamente industriale de mărimi rezonabile, construite dinmateriale ieftine și accesibile și la costuri reduse;- să prezinte un grad ridicat de simplitate;- să nu genereze efluenți poluanți;- să nu consume o cantitate mare de energie;- să fie eficient și la umidități scăzute ale biomasei, pentru a reduce volumul de ape uzate.