Bioenergia, megjul nyersanyagok, zldkmia- 3bioetanolDr. Rczey Istvnn

Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi EgyetemAlkalmazott Biotechnolgia s lelmiszertudomnyi Tanszk

*Alkohol ellltsAlkohol elllts:

1.) etilnbl szintetikus knsavas vz addci (fosszilis nyersanyagforrs, az sszes alkohol termels 5%-a) 2.) erjesztssel megjul forrsokbl

*lvezeti cikkek ellltsa

Mibl lehetne alkoholt ellltani?glkz (szlcukor) BOR - erjeszts maltz (maltacukor, kemnytbl)SR - fzsfruktz (gymlcscukor)PLINKA fzs

s mg sok minden cukor tartalm, vagy cukorr konvertlhat anyagbl, rpacukor, kemnyt, cellulz

*Ipari szeszgyrts

A szeszgyrts nyersanyagai:

Kzvetlenl erjeszthet sznforrsok: -melasz (leginkbb elterjedt): cukorgyrts (rpa, cukornd) mellktermke, amibl mr nem rdemes kikristlyostani a cukrot - hidrol (a kristlyos glkz elllts anyalgja)- cukorrpbl- cukorndbl- szulfitszennylg (cellulz elllts), Svdorszg, Finnorszg- tejsav (sajt s trgyrts)

*Sznforrsok2. Kzvetlenl nem erjeszthet sznforrsok:kemnyt (kukorica, bza, burgonya)amilz - linerisamilopektin (AP) elgazsokat is tartalmazglkz monomerekbl a 1 4, illetve az AP a 1 4 s a 1 6 ktsekkel kapcsoldva

inulin (csicska, Jeruzslem articska) 70%-ban fruktz polimer cellulz, hemicellulz ( mindennem fs szrak, szalmk, f, fa) remlhetleg a jv sznforrsa ( 1-4 ktsek)

*Terms - termstlagBza s kukorica

Diagram1

61984500

60087745

34534405

30214044

48744761

46144680

39105989

52586828

48956143

26387149

36924984

51977858

39106121

29414532

60078332

50889050

43798441

Bza

Kukorica

[ezer t]

Bza - Kukorica terms

tblzat

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforg-magRepce-mag

1990ezer tonna6 1984 500684104

kg/hektr5 0503 9901 9501 740

1991ezer tonna6 0087 745813112

kg/hektr5 1906 7102 0701 680

1992ezer tonna3 4534 40576544

kg/hektr4 0703 6501 7801 280

1993ezer tonna3 0214 04468222

kg/hektr3 0503 5001 6601 000

1994ezer tonna4 8744 76166753

kg/hektr4 5903 8501 6001 810

1995ezer tonna4 6144 68078989

kg/hektr4 1604 4301 6001 960

1996ezer tonna3 9105 989868138

kg/hektr3 2805 6101 8201 470

1997ezer tonna5 2586 828540145

kg/hektr4 2106 4101 2201 620

1998ezer tonna4 8956 14371873

kg/hektr4 1405 9501 6801 400

1999ezer tonna2 6387 149793328

kg/hektr3 5906 3801 5201 820

2000ezer tonna3 6924 984484179

kg/hektr3 6004 1501 6201 550

2001ezer tonna5 1977 858632205

kg/hektr4 3106 2201 9601 870

2002ezer tonna3 9106 121777208

kg/hektr3 5105 0501 8601 600

2003ezer tonna2 9414 532992108

kg/hektr2 6403 9501 9001 490

2004ezer tonna6 0078 3321 186291

kg/hektr5 1207 0002 4702 770

2005ezer tonna5 0889 0501 108283

kg/hektr4 5007 5602 1702 310

2006ezer tonna4 3798 4411 165334

kg/hektr4 0606 8702 1802 340

2007ezer tonna

kg/hektr

terms

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforgmagRepcemag

1990ezer tonna61984500684104

1991ezer tonna60087745813112

1992ezer tonna3453440576544

1993ezer tonna3021404468222

1994ezer tonna4874476166753

1995ezer tonna4614468078989

1996ezer tonna39105989868138

1997ezer tonna52586828540145

1998ezer tonna4895614371873

1999ezer tonna26387149793328

2000ezer tonna36924984484179

2001ezer tonna51977858632205

2002ezer tonna39106121777208

2003ezer tonna29414532992108

2004ezer tonna600783321186291

2005ezer tonna508890501108283

2006ezer tonna437984411165334

terms

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Bza

Kukorica

[ezer t]

Bza - Kukorica terms

termstlag

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Napraforgmag

Repcemag

[ezer t]

Napraforg- s repcemag terms

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforg-magRepce-mag

1990kg/hektr5050399019501740

1991kg/hektr5190671020701680

1992kg/hektr4070365017801280

1993kg/hektr3050350016601000

1994kg/hektr4590385016001810

1995kg/hektr4160443016001960

1996kg/hektr3280561018201470

1997kg/hektr4210641012201620

1998kg/hektr4140595016801400

1999kg/hektr3590638015201820

2000kg/hektr3600415016201550

2001kg/hektr4310622019601870

2002kg/hektr3510505018601600

2003kg/hektr2640395019001490

2004kg/hektr5120700024702770

2005kg/hektr4500756021702310

2006kg/hektr4060687021802340

50503990

51906710

40703650

30503500

45903850

41604430

32805610

42106410

41405950

35906380

36004150

43106220

35105050

26403950

51207000

45007560

40606870

Bza

Kukorica

[kg/ha]

Bza - Kukorica termstlag

19501740

20701680

17801280

16601000

16001810

16001960

18201470

12201620

16801400

15201820

16201550

19601870

18601600

19001490

24702770

21702310

21802340

Napraforg-mag

Repce-mag

[kg/ha]

Napraforg- s repcemag termstlag

Diagram2

50503990

51906710

40703650

30503500

45903850

41604430

32805610

42106410

41405950

35906380

36004150

43106220

35105050

26403950

51207000

45007560

40606870

Bza

Kukorica

[kg/ha]

Bza - Kukorica termstlag

tblzat

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforg-magRepce-mag

1990ezer tonna6 1984 500684104

kg/hektr5 0503 9901 9501 740

1991ezer tonna6 0087 745813112

kg/hektr5 1906 7102 0701 680

1992ezer tonna3 4534 40576544

kg/hektr4 0703 6501 7801 280

1993ezer tonna3 0214 04468222

kg/hektr3 0503 5001 6601 000

1994ezer tonna4 8744 76166753

kg/hektr4 5903 8501 6001 810

1995ezer tonna4 6144 68078989

kg/hektr4 1604 4301 6001 960

1996ezer tonna3 9105 989868138

kg/hektr3 2805 6101 8201 470

1997ezer tonna5 2586 828540145

kg/hektr4 2106 4101 2201 620

1998ezer tonna4 8956 14371873

kg/hektr4 1405 9501 6801 400

1999ezer tonna2 6387 149793328

kg/hektr3 5906 3801 5201 820

2000ezer tonna3 6924 984484179

kg/hektr3 6004 1501 6201 550

2001ezer tonna5 1977 858632205

kg/hektr4 3106 2201 9601 870

2002ezer tonna3 9106 121777208

kg/hektr3 5105 0501 8601 600

2003ezer tonna2 9414 532992108

kg/hektr2 6403 9501 9001 490

2004ezer tonna6 0078 3321 186291

kg/hektr5 1207 0002 4702 770

2005ezer tonna5 0889 0501 108283

kg/hektr4 5007 5602 1702 310

2006ezer tonna4 3798 4411 165334

kg/hektr4 0606 8702 1802 340

2007ezer tonna

kg/hektr

terms

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforgmagRepcemag

1990ezer tonna61984500684104

1991ezer tonna60087745813112

1992ezer tonna3453440576544

1993ezer tonna3021404468222

1994ezer tonna4874476166753

1995ezer tonna4614468078989

1996ezer tonna39105989868138

1997ezer tonna52586828540145

1998ezer tonna4895614371873

1999ezer tonna26387149793328

2000ezer tonna36924984484179

2001ezer tonna51977858632205

2002ezer tonna39106121777208

2003ezer tonna29414532992108

2004ezer tonna600783321186291

2005ezer tonna508890501108283

2006ezer tonna437984411165334

terms

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Bza

Kukorica

[ezer t]

Bza - Kukorica terms

termstlag

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Napraforgmag

Repcemag

[ezer t]

Napraforg- s repcemag terms

vMrtk-egysgBzaKukoricaNapraforg-magRepce-mag

1990kg/hektr5050399019501740

1991kg/hektr5190671020701680

1992kg/hektr4070365017801280

1993kg/hektr3050350016601000

1994kg/hektr4590385016001810

1995kg/hektr4160443016001960

1996kg/hektr3280561018201470

1997kg/hektr4210641012201620

1998kg/hektr4140595016801400

1999kg/hektr3590638015201820

2000kg/hektr3600415016201550

2001kg/hektr4310622019601870

2002kg/hektr3510505018601600

2003kg/hektr2640395019001490

2004kg/hektr5120700024702770

2005kg/hektr4500756021702310

2006kg/hektr4060687021802340

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Bza

Kukorica

[kg/ha]

Bza - Kukorica termstlag

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

Napraforg-mag

Repce-mag

[kg/ha]

Napraforg- s repcemag termstlag

*Cukor alap szeszgyrts fbb mveleteiNyersanyagok elksztse az erjesztshezErjesztsNyersszesz kinyersFinomtsAbszolutizls

*Etanolfermentci melasz sznforrsonFermentcis mvelettel 9-11%-os etilalkohol llthat elMikroba: Saccharomyces cerevisiaepH: 4-5, T: 32 oCAerob/anaerobFermentcis tptalaj:sznforrs: melaszsegdanyagok: knsav, foszforsav, ammniumhidroxid, habzsgtl Fermentci lehet:szakaszos (el, f s uterjeszts)szakaszos-tvgsosFolytonos (tejsavbaktriumok, antibiotikum adagols)

*Alkoholgyrts kemnytbl

Alkoholgyrts lehetsgei:

teljes gabonaszem feldolgozspl. ABSOLUT (vodka)- nagyon ignyes szeszesital gyrts, - szraz rls utni etanolfermentci kisebb beruhzsi kltsg zemanyag-etanol elllts

csak a kemnyt frakcibl pl. HUNGRANA (kukorica kemnytbl) az un. biorefinery koncepci, minden frakcit klnvlasztanak s rtkestenek nagyobb beruhzsi kltsg, nagyobb gyrmret, gazdasgosabb etanol elllts

*A svdorszgi Agroetanol AB technolgijaAgroetanol AB1 l etanol ellltsakorCl: a mellktermkek hasznostsaEnnek rdekben: enzimes kezels (elkezels)megfelel enzim kivlasztsa0.85 kg lignocellulz rostanyag

*Ftermk -mellktermkekAgroetanol (Svdorszg):2,65 kg bzbl:1 liter etanol (100%)0,85 kg rostanyag (takarmny)0,7 kg szndioxid

Mellette: kb 2.12 kg bszaszalma keletkezik

Azaz 1 kg ftermk (etilalkohol) ellltsa mellett 4,65 kg mellktermk (takarmny, szndioxid, szalma) keletkezik

*Kukorica kemnyt ellltsaMechanikai tiszttsBeprlsSzrtsGlutein kinyerseRost eltvoltsFinom rlsCsra elvlasztsDurva rlsztatsOlaj prsels, extrakciMoss, szrtsGluteinRostztatlKukoricalekvr (50%)Olaj pogcsaNyers olajKemnyt

*Kemnyt hidrolzisA kemnytt elszr pt elemeire kell hidrolizlni (glkzz) lehet savasan, vagy enzimesen.

Alkalmazott enzimek:-amilz: termostabil (90 C-ig) pH 4,8-5,0 folyst enzimamiloglkozidz (AMG): T: 60C; pH: 4,2-4,8 cukrost enzimpullulanz: T: 60C; pH: 4,2-4,8 AMG-vel egytt adagoljk, elgazs bont enzim

*Szesz kifzs s finomtsCefreoszlop (nyersszesz, melaszmoslk)Elprlat, vagy hidroszelekcis oszlopFinomt vagy rektifikl oszlopVgfinomtUtprlat oszlop

zemanyag-etanol ellltskor, ha kizrlag zemanyag-etanolt llt el a gyr, a finomts technolgija jelentsen mdosulClja ketts: nagy alkohol tartalm oldat ellltsa, ill szennyezsektl val tiszttsa (96%)

*Abszolutizls Terner azeotrop desztillci: Az etanol-vz elegyhez egy harmadik komponenst adagolnak, kvetelmnyek: harmadik komponens olcs legyen vzzel ne elegyedjen elegy forrpontja alacsonyabb legyen mint az egyes komponensek pl.: benzol, ciklohexn, metil-ciklohexn, kloroform

Membrn elvlasztssal (pervaporci) Adszorpci zeolitos tlteten

*j potencilis nyersanyag: cellulz alap biomassza

ErdszetNvnytermesztsHulladk- hasznostsvgsi maradkokszalma, energiafipari hulladkokfrszporgyors nvs fk(energiaerdk)hztartsi hulladkokerdirtsi maradkokgabonk, kukorica, cukornvnyekhulladk rostok

*Mellktermkkpzds a hazai mezgazdasgban

Chart2

0.69

1.1057142857

4.4591428571

12.428136

milli tonna/v

Sheet1

vMrtk-egysgBzaKukoricakukoricaszrrpaRozsZabBurgonyaCukorrpaNapraforg-magRepce-magSilkukorica s csalamdLucerna-szna

2000ezer tonna369249848.79177690186978641 9764841792 407683

2001ezer tonna5197785813.86151212991211509082 9036322053 000843

2002ezer tonna3910612110.7974441046951387522 2747772082 655701

2003ezer tonna294145327.994448810671025821 8129921082 278548

2004ezer tonna6007833214.69764814131252177843 5271 1862913 124942

2005ezer tonna5088905015.964211901071576573 5161 1082832 844806

2006ezer tonna4379844114.8899241081951565742 5481 1653342 551760

Mellktermk mennyisge [milli tonna]

vBudapest kommunlis hulladkarpaszalmaBzaszalma

20003.690.908.79

20015.201.3013.86

20023.911.0510.80

20032.940.817.99

20046.011.4114.70

20055.091.1915.96

20064.381.0814.89

tlag0.691.114.4612.43

BzaszalmarpaszalmaKukoricaszrKukoricaszr

4.461.1112.430.69

Sheet1

milli tonna/v

Sheet2

Sheet3

MBD000FEE0D.xls

*A mellktermk kpzds alakulsa a magyar mezgazdasgban az elmlt vek sorn

v

Mellktermk mennyisge

[milli tonna]

Bzaszalma

rpaszalma

Kukoricaszr

2000

3.69

0.90

8.79

2001

5.20

1.30

13.86

2002

3.91

1.05

10.80

2003

2.94

0.81

7.99

2004

6.01

1.41

14.70

2005

5.09

1.19

15.96

2006

4.38

1.08

14.89

*Erdszeti s mezgazdasgimellktermkek hasznostsa Hasznostsi lehetsgka folyamat energiaelltsa (szilrd tzelanyag)zemanyag-etanol termels

*A lignocellulzok szerkezete Cellulz Hemicellulz

Lignin D-glkzD-xilz, D-glkz, D-mannz, L-arabinz s uronsavakfenolos hidroxi- s metoxi csoportokat tartalmaz bonyolult szerkezet aroms polimer

*A molekulk szerkezeteA lignocellulzok hrom f komponense

*fermen- tcidesztillcipuhafafzfagabonaszrenzimes hidriolziselkezelsLignocellulzbl etanol az enzimes t

Feladat:olyan krnyezetvdelmileg biztonsgos, zrt ciklus technolgit tervezni, aminek a hulladk kibocstsa minimlis.

*Alkohol elllts lignocellulzokblLignocellulz alapanyagPentzfermentci!Cellulz enzimmel vagy savasan

*Mirt van szksg elkezelsre?A lignocellulz komplex & kompakt szerkezete akadlyozza az enzimek hozzfrst a cellulz polimerhez. A cellulz igen rendezett, tmr struktrj kristlyos szerkezet.

*Lignocellulzok szerkezete

* Elkezels rlsi, aprtsi eljrsokLignint bont mikroorganizmusokcl: a komplex szerkezet megbontsacl: a fajlagos fellet nvelse

*Kmiai elkezels a legfontosabb savasoldja a hemicellulz frakcit, s kisebb mrtkben a lignint lgos duzzasztja a cellulzt, oldja a lignint s oldatba viszi a hemicellulzt szerves oldszeres eltvoltja a lignint

gz- robbants megvltozik a struktra, autohidrolzis, a hemicellulz frakci oldatba megy

*Tovbbi kmiai elkezelsek AFEX (Ammonia Fiber Explosion) Az ammnia a cellulz lncok kz frkzve megduzzasztja a szerkezetet. N a cellulz frakci porozitsa. Nedves A cellulz kristlyszerkezete oxidcinyitottabb vlik s a szerves molekulk jelents rsze CO2 d, vzz s karboxil- savakk bomlik.

*A cellulz savas hidrolziseSzrtsHidrolzisSavVisszanyersFermentciEtanolKinyersEtanolNyersanyagEgylpcss tmny savas eljrs

*A cellulz savas hidrolziseKtlpcss hg savas eljrsElsHidrolzisMsodikHidrolzisFermentciEtanolKinyersNyersanyagEtanol

*A savas hidrolzis jellemziAz egylpcss tmny savas hidrolzis sorn gazdasgi s krnyezeti szempontbl szksges a felhasznlt sav visszanyerse.

A ktlpcss hg savas eljrsban a cellulz s a hemicellulz frakcit kln-kln hidrolizljk.

A hidrolzis sorn degradcis termkek keletkeznek, melyek gtoljk a ksbbi fermentcit, tovbb rontjk a hozamot.

A tmny savas eljrs savll kszlkeket ignyel, amely megnveli a beruhzsi kltsgeket.

*A cellulz enzimes hidrolzise Simultaneous Saccharification and Fermentation(SSF)Separate Hydrolysisand Fermentation(SHF)ElkezelsEnzimTermelsHidrolzisFermentciEtanolKinyersEtanolNyersanyag

*Az enzimes hidrolzis jellemziA krlmnyek enyhbbek, kevesebb a mellktermk, nagyobb a cukorkihozatal, mint a savas hidrolzisnl.

A cellulz nagy arny konverzijnak elrshez nagy mennyisg cellulz enzim adagolsa szksges, ami jelentsen megnveli a kltsgeket.

Az enzim termels a folyamat kritikus lpse.

Lnyeges a hatkony enzimtermels, amely lehetleg a folyamatban rendelkezsre ll sznforrs felhasznlsval trtnjen.

*Cellulz hidrolzisCellulz polimer glkzz trtn lebontsa

Enzimes hidrolzis elnyei:Enyhe reakcikrlmnyekKevesebb vegyszerCukrok kevsb degradldnak

Problmk:Inhibcik (lignin, cellobiz)Hosszabb reakciid, mint a savas hidrolzisnlMagas enzimkltsgek

Hogyan lehetne megoldani a problmkat?

*Etanol fermentci: SSFEgyszerre trtnik a cellulz hidrolzise s alkoholl trtn fermentcijalesztCellulzenzimBioreaktor/fermentorCellulz

*Etanol fermentci: SHFElszr lebontjk a cellulzt cellulz enzimmel, majd az gy kapott cukrokat leszt segtsgvel alkoholl fermentljk, a hagyomnyos alkohol ellltsi technolgit kvetve.

Az SHF esetben kln lehet optimlni a kt folyamatot, ami azrt lehet elnys, mert a hidrolzis s a fermentci pH s hmrsklet optimuma jelentsen eltr egymstl.

*Az SSF s SHF sszehasonltsa

ElnyeiHtrnyaiSHFOptimlis paramterek mindkt lpsnl Magas beruhzsi kltsgek.

Vgtermk inhibci.SSFAlacsonyabb beruhzsi kltsgek.Nincs vgtermk inhibci.Az enzim s a mikroba optimlis paramterei eltrnek.

*Kemnyt s cellulz alap alkoholgyrts kemnyt

ltez ipari ltestmnyekbza, kukorica, rpaegyszer elkezelsalacsony enzimdzisalacsony enzimrcellulz (lignocellulz)

demonstrcis zem, flzemfahulladk, mg-i mellktermkekkltsges elkezelsmagas enzimdzismagas enzim r

*Mirt drga a cellulz enzim?Hogyan vltoztathatunk ezen?

In situ enzim fermentcival feldolgozsi down-stream kltsgek jelentsen cskkenthetk.rkgyviszonylag kis felhasznls, ezrt magas ra magas r miatt, viszonylag alacsony felhasznls

*A legnagyobb enzimforgalmazkA cellulz piac legismertebb szerepli:Fbb felhasznlsi terletek:lelmiszeriparsr s bor biotechnolgiatakarmnyipartextiliparmosszeriparpapriparzemanyagalkoholkutats-fejlesztsAz ves felhasznls 2000. vben 23.000 tonna volt.

*Plda a jvbeni felhasznlsra2002-es adatok, kukoricaszr mennyisgekre Az vente kpzdaz EU-ban 250 milli hektoliter** Megegyezik a vilg jelenlegi ves zemanyag-etanol termelsvelaz EU-ban 75,5 milli tonna mellktermk kukoricaszrblM.o-on 9,2 milli tonna M.o-on 3,02*109l=70,67* 109MJ (43,6%)ventezemanyag etanol gyrthat.

*www.baff.infoBioAlcohol Fuel Foundationa BAFF lnc

*Akkor mirt is fontos ez a tma?Magyarorszg kivl adottsgokkal rendelkezik a biomassza termelshez rdemes lenne vgre azzal foglalkozni, amihez rtnk, s amihez jk az adottsgaink.Vidk- s teleplsfejleszts srget, vidki lakossg megtartsa, foglalkoztatsa elengedhetetlen.Nyersanyag s energiafggetlensg biztostsa.svnyi forrsok kimerlse.Globlis felmelegeds kikszblse.Nemzetkzi egyezmnyek (Rio de Janeiro, Kyoto).EU elrsok, szablyzatok: megjul energia rszarnynak nvelse (pl. a kzlekedsi szektorban: etanol), termterletek ktelez kivonsa a tpllk- s takarmnytermesztsbl.

**