Παραγωγή βιοαιθανόλης από βιομάζα

H βιοαιθανόλη αποτελεί ένα βιοκαύσιμο, υψηλής ενεργειακής απόδοσης που μπορεί να υποκαθιστά την βενζίνη. Παράγεται από σακχαρούχα, κυτταρινούχα και αμυλούχα φυτά (σιτάρι, καλαμπόκι, σόργο, τεύτλα, άχυρο, ξύλο κ.ά.) και χρησιμοποιείται, κυρίως, είτε ως έχει σε βενζινοκινητήρες που έχουν υποστεί κατάλληλες μετατροπές είτε σε μίγμα με βενζίνη σε κανονικούς βενζινοκινητήρες.

Η βιοαιθανόλη μπορεί να προστεθεί σε ποσοστό 5% στη βενζίνη σύμφωνα με το πρότυπο EN 228. Αυτό το μίγμα δεν απαιτεί τροποποίηση του κινητήρα και καλύπτεται από τις εγγυήσεις του οχήματος. Με την κατάλληλη μετατροπή του κινητήρα, η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλότερα επίπεδα, για παράδειγμα, σε ποσοστό 86% (Ε85).

Οι υδατάνθρακες (κυτταρίνη και ημικυτταρίνη) της φυτικής βιομάζας και το άμυλο μπορούν να μετατραπούν σε σάκχαρα με τη μέθοδο της υδρόλυσης. Στη συνέχεια τα σάκχαρα μπορούν να μετατραπούν σε αλκοόλη μέσω της ζύμωσης, η οποία συνιστά μία αναερόβια βιολογική διεργασία που καταλύεται με τη δράση μικροοργανισμών, συνήθως ενζύμων. Η προκύπτουσα, από την εν λόγω διεργασία, αλκοόλη είναι η (βιο)αιθανόλη. Η καταλληλότητα του είδους της βιομάζας για την παραγωγή βιοαιθανόλης εξαρτάται από την ικανότητά της να μετατρέπεται σε σάκχαρα.

Σύσταση φυτικής βιομάζας

Η φυτική ύλη, ξυλώδης και μη, αποτελείται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό (90-99%) από μεγαλομοριακές (πολυμερείς ενώσεις) και κατά το υπόλοιπο (1-10%) από απλές ή ολιγομερείς ενώσεις. Οι μεγαλομοριακές ενώσεις διακρίνονται σε τρεις βασικές ομάδες (βάσει της σύστασης και της δομής αυτών): στην κυτταρίνη, στην ημικυτταρίνη και στην λιγνίνη. Η κυτταρίνη συνιστά την πλέον διαδεδομένη οργανική ένωση στη φύση. Είναι ένα γραμμικό πολυμερές της ανυδρογλυκόζης με μεγάλο βαθμό πολυμερισμού και έχει εμπειρικό τύπο (C₆H₁₀O₅)_m. Παρουσιάζει μεγάλη χημική και μηχανική αντοχή και στην καθαρή της μορφή έχει χρώμα λευκό και ειδικό βάρος ίσο με 1,5. Τα μακρομόρια της κυτταρίνης διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους και αναπτύσσουν δεσμούς υδρογόνου, σχηματίζοντας έτσι τα στοιχειώδη ινίδια (ή κρυσταλλίτες), τα οποία θεωρούνται σήμερα ως η ελάχιστη ορατή δομική μονάδα της ίνας. Τα στοιχειώδη ινίδια ενώνονται μεταξύ τους με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται δέσμες αυτών. Αυτές ενώνονται μεταξύ τους (με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης) και σχηματίζουν τις ίνες.

Η ημικυτταρίνη είναι γραμμικά διακλαδούμενο πολυμερές που προκύπτει από ανυδρίτες διαφόρων σακχάρων, καθώς και από ανυδρίτες ουρανικών οξέων. Παρουσιάζει μικρό βαθμό πολυμερισμού και μικρή μηχανική και χημική αντοχή. Συμμετέχει σαν πληρωτικό υλικό στο σχηματισμό τόσο των ινιδίων όσο και των ινών. Η ημικυτταρίνη (όπως και η λιγνίνη) δεν συναντάται ελεύθερη στη φύση, αλλά συνοδεύεται πάντα από την κυτταρίνη και την λιγνίνη.

Η λιγνίνη είναι το αφθονότερο και σπουδαιότερο, μετά την κυτταρίνη, συστατικό της φυτικής βιομάζας. Εν αντιθέσει με την κυτταρίνη και την ημικυτταρίνη, δεν αποτελείται από υδατάνθρακες, αλλά προκύπτει από την συνένωση μονάδων φαινυλοπροπανίου. Η συνένωση αυτή οδηγεί στο σχηματισμό ενός άμορφου τρισδιάστατου πολυμερούς. Στο φυτό η λιγνίνη δρα σαν συγκολλητική ύλη τόσο των ινιδίων όσο και των ινών.

Αξίζει ακόμη να σημειωθεί πως η περιεκτικότητα των ομάδων αυτών (κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης) διαφέρει αναλόγως του είδους της φυτικής ύλης. Παραδείγματος χάρη, η κυτταρίνη περιέχεται κατά 40-50% στο ξύλο και στο μπαμπού, κατά 95-99% στο βαμβάκι και κατά 20-30% στο φλοιό των δένδρων. Η ημικυτταρίνη είναι περισσότερη στα «σκληρά»^[1] ξύλα (περίπου 36%) απ’ ότι στα «μαλακά»^[2] (περίπου 28%). Αντίθετα η λιγνίνη είναι περισσότερη στα «μαλακά» ξύλα (περίπου 30%) απ’ ότι στα σκληρά (περίπου 20%).

Η κυτταρίνη είναι αδιάλυτη στους περισσότερους διαλύτες και υδρολύεται δύσκολα υπό την επίδραση οξέων και ενζύμων. Η λιγνίνη αν και διασπάται σε ενώσεις μικρότερου μοριακού βάρους, δεν είναι ευδιάλυτη στο νερό. Επίσης, κατά την αποδόμησή της στους 525 Κ σχηματίζονται ρίζες φαινοξέος οι οποίες έχουν την τάση να σχηματίζουν ένα στερεό υπόλειμμα δια μέσου συμπύκνωσης ή πολυμερισμού. Η ημικυτταρίνη είναι σε μεγάλο βαθμό διαλυτή σε αλκαλικές συνθήκες και, ως εκ τούτου, πιο εύκολα υδρολύεται.

Πίνακας 1: Περιεκτικότητα σακχάρων στο κλάσμα των υδατανθράκων της φυτικής ύλης (% κ.β.)

Σάκχαρα	Μαλακά ξύλα	Σκληρά ξύλα
Γλυκόζη	61-65	55-73
Ξυλόζη	9-13	20-39
Μανόζη	7-16	0,4-4
Γαλακτόζη	6-17	1-4
Αραβινόζη	<3,5	<1

[Πηγή: Α. Demirbas (2008)]

Παραγωγή βιοαιθανόλης

Η συνθετική αιθανόλη παράγεται μέσω της καταλυτικής ενυδάτωσης (hydration) του αιθυλενίου, παράγωγου του πετρελαίου, σύμφωνα με την αντίδραση:

C₂H₄ + H₂0 → C₂H₅OH

αιθυλένιο νερό (ατμός) αιθανόλη

Η βιοαιθανόλη μπορεί να παραχθεί από πλήθος υδατανθράκων (με γενικό μοριακό τύπο: (CH₂O)_n). H ζύμωση της σακχαρόζης έχει πραγματοποιηθεί με τη χρήση εμπορικών ενζυμικών σκευασμάτων. Αρχικώς η σακχαρόζη υδρολύεται προς γλυκόζη και φρουκτόζη.

C₁₂H₂₂Ο₁₁ → C₆H₁₂O₆+ C₆H₁₂O₆

σακχαρόζη γλυκόζη φρουκτόζη

Στη συνέχεια, η γλυκόζη και η φρουκτόζη μετατρέπονται σε αιθανόλη.

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OΗ + 2CΟ₂

γλυκόζη (φρουκτόζη) αιθανόλη διοξείδιο του άνθρακα

Επίσης, το άμυλο μπορεί να μετατραπεί σε D-γλυκόζη, με τη βοήθεια του ενζύμου γλυκοαμυλάση. Αυτή η ενζυμική υδρόλυσηακολουθείται, στη συνέχεια, από τη ζύμωση, την απόσταξη και την αφυδάτωση με σκοπό την παραγωγή άνυδρης βιοαιθανόλης. Το καλαμπόκι, το οποίο περιέχει άμυλο σε ποσοστό 60-70%, αποτελεί τη βασική πρώτη ύλη παγκοσμίως για τη βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης από άμυλο.

Οι υδατάνθρακες (κυτταρίνη και ημικυτταρίνη) που βρίσκονται λιγνοκυτταρινούχα υλικά μπορούν να μετατραπούν σεβιοαιθανόλη αφού πρώτα λάβει χώρα η απολιγνινοποίηση, η επεξεργασία της ύλης με ατμό υπό πίεση και μία ελαφρά όξινη προ-υδρόλυση. Κατόπιν των σταδίων αυτών λαμβάνει χώρα η ενζυμική υδρόλυση και η ζύμωση. Το σημαντικότερο στάδιο της παραγωγής βιοαιθανόλης αποτελεί το στάδιο της ενζυμικής επεξεργασίας της κυτταρίνης για την παραγωγή σακχάρων. Συνήθως του σταδίου αυτού προηγείται ένα στάδιο προκατεργασίας.

Μέσω της υδρόλυσης διασπώνται οι δεσμοί υδρογόνου των ημικυτταρινών και κυτταρινών με αποτέλεσμα τη μετατροπή τους σε σάκχαρα: πεντόζες και εξόζες. Αυτά τα σάκχαρα μπορούν στη συνέχεια να υποστούν ζύμωση για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι υδρόλυσης μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο βασικές κατηγορίες: στη χημική υδρόλυση (με τη χρήση πυκνού ή αραιού οξέος) και στην ενζυμική υδρόλυση. Στη χημική υδρόλυση η προκατεργασία και η υδρόλυση μπορούν να υλοποιηθούν από κοινού σε ένα στάδιο.