Obtinerea Bioetanolului Din Deseuri Lemnoase

8/2/2019 Obtinerea Bioetanolului Din Deseuri Lemnoase

1/48

Lemnul

Generalii

Lemnul este un esut dur,fibros gsit n muli copaci.Acesta a fost folosit de sute de mii de ani

att pentru combustibili,ct i ca material de construcie.Este un material organic,un compus din fibre

celulozice naturale (care sunt puternice n tensiune) ncorporate ntr-o matrice de lignin,care rezist la

compresie.Lemnul este produs ca xilen secundar n tulpinile arborilor (i alte plante lemnoase).ntr-un

copac viu acesta ndeplinete o funcie de suport care s permit plantelorlemnoase s creasc mari

sau s se ridice pentru ei nii.Acesta mediaz de asemenea,transferul de ap si substane nutritive la

frunze i alte esuturi n cretere.Lemnul se poate referi i la alte materii vegetale cu proprieti

comparabile,i la materialul de inginerie din lemn,sau achii de lemn sau fibr.

Istorie

O descoperire din 2011 relateaz c cele mai vechi plante ar fi crescut lemn acum aproximativ

395-400 milioane ani n urm.

Oamenii au folosit lemn de milenii n mai multe scopuri,n primul rnd ca un combustibil sau

ca material de construcie pentru casa,unelte,arme,mobilier,ambalaje,hrtie.

Proprietati fizice

1.Inele de cretere

Lemnul,n sens exact,este cedat de copaci,care cresc n diametru i formeaz,ntre lemnul

existent i scoara interioar,straturi noi de lemn care cuprind ntregul sistem de tulpini,ramuri i

rdcini.Acest process este cunoscut sub numele de cretere secundar,este rezultatul diviziunii

celulare n esutul de cambiu,un meristem lateral i extinderea ulterioar anoilor cellule.Dac avem

anotimpuri clare,creterea poate s apar ntr-un model discret annual sau sezonier,care conduce la

inelele de cretere.

2.Nodurile

Un nod este un tip special de imperfeciune ntr-o bucat de lemn,aceasta va afectaproprietaile tehnice ale lemnului,de obicei n ru,dar poate fi exploatat pentru un efect vizual.

ntr-o scndurtiat longitudinal,un nod va aprea ca o bucat de lemn solid aproximativ

circular (de obicei mai nchis).

ntr-un nod,direcia lemnului este de pn la 90C diferit fa de direcia unui lemn obinuit.

n arbore un nod este fie baza unei ramuri laterale,fie un mugure neproductiv.Un nod (cnd

este baza unei ramuri laterale) are forma conic (de unde i circulaia aproximativ n seciune

transversal) cu vrful interior n diametrul tulpinii n care esutul cambiu al plantei se afla cnd

ramura forma un mugure.


2/48

n timpul dezvoltrii unui copac,membranele inferioare deseori mor,dar rmn ataate pentru

un timp,uneori ani.Straturile ulterioare de cretere ale tulpinii aferente nu mai sunt legate de

membranele moarte,dar cresc n jurul lor.Prin urmare,ramurile moarte produc noduri care nu sunt

ataate i posibil s cad abia dup ce copacul a fost tiat n plci.

3.Duramen i alburn

Duramen este lemnul care n urma unor transformri chimice natural devine mai rezistent la

descompunere.Formarea de duramen apare spontan (acesta este un proces programat genetic).Odat ce

formarea duramenului este complet,acesta moare.Exist nc unele incertitudini cu privire la faptul c

duramenul este mort,deoarece poate reaciona chimic la descompunerea organismelor,dar numai o

dat.

De obicei duramenul arat diferit,n acest caz poate fi vzut ntr-o seciune transversal,de

obicei urmnd inelele de cretere n form.Duramenul poate fi mult mai ntunecat dect lemnul n

via.Poate fi,sau nu,puternic diferit fa de alburn.Cu toate acestea,alte procese,cum ar fi

descompunerea,pot decolora lemnul,chiar i n plantele lemnoase care nu formeaz duramen, cu o

diferen de culoare asemntoare,care poate duce la confuzii.

Alburnul este mai tnr,n copacii n cretere este lemnul viu i principalele sale funcii sunt de

a conduce ap de la rdcini la frunze i de a stica sau da napoi n funcie de sezon rezervele pregtite

n frunze.Cu toate acestea,n momentul n care devin capabile s conduc apa,toate vasele i pierd

citoplasma i prin urmare,celulele sunt funcional moarte.Tot lemnul dintr-un copac este format la

nceput din alburn.Cu ct sunt mai multe frunze in copac i cu ct cresterea este mai energic cu att

volumul de alburn va fi mai mare.

4.Culoarea

La speciile care arat o diferen ntre duramen i alburn culoarea natural a duramenului este

de obicei mai nchis dect a alburnului, i foarte frecvent contrastul este evident.Aceasta este produs

de ctre depozitele de substane chimice,astfel c o diferen dramatic de culoare nu nseamn o

diferen dramatic n proprietile mecanice ale duramenului i alburnului,dei poate fi o diferendramatic chimic.

Unele experimente pe specimene foarte rinoase indic o cretere a triei,ca urmare a rinii

care crete tria n stare uscat.

Avnd n vedere c lemnul care s-a format mai trziu n inelul de cretere este de obicei mai

nchis la culoare dect cel care s-a format mai devreme,acest fapt poate fi utilizat n evaluarea

densitii, i prin urmare, a duritii si rezistenei mecanice a materialului.Acesta este un caz particular

al lemnelor de conifere.

Decolorarea anormal a lemnului denot deseori o nbolnvire indicnd slbiciune.Pata neagreste rezultatul atacului insectelor,dungile rou- brun att de comune n nucii americani ct i n ali


3/48

copaci sunt n mare parte rezultatul avariilor produse de psri.Decolorarea este doar indicaia unei

avarii, i nu afecteaz proprietile lemnului.

5.Coninutul de ap

Apa n lemnul viu se gsete:

1) n pereii celulelor2) n coninutul protoplasmatic al celulelor3) Ca ap liber n cavitile i spaiile celulei

n duramen se gsete doar n pereii celulelor i n coninutul protoplasmatic al

celulelor.Lemnul care este bine uscat pstreaz 8-16% din apa din pereii celulelor,iar lemnul uscat n

cuptor pstreaz un mic procent de umiditate.

Efectul general al coninutului de ap din substana lemnoas este de a-l face mai moale i mai

maleabil.n anumite limite,cu ct coninutul de ap este mai mare,cu att este mai mare efectul su de

dedurizare.

6.Structura

Lemnul este un material eterogen,higroscopic,celular i anizotropic.Acesta este compus din

celule,iar pereii celulelor din microfibre de celuloz (40-50%) i hemiceluloz (15-25%),impregnat cu

lignin (15-30%).

n conifere sau specii de rinoase celulele lemnoase sunt majoritatea de un fel,traheale i ca

urmare materialul este mult mai uniform n structur.Nu exist pori n lemnul de conifere,aa cum

ntlnim la lemnul la lemnul de stejar i frasin,de exemplu.

Structura lemnului de esen tare este mult mai complex.Capacitatea de transport a apei este

luat n mare parte de canale: n unele cazuri (stejar,castan,frasin), acestea sunt destul de mari i

distincte, n altele (plop,salcie) prea mici pentru a fi vute fr o lup.

Chimia lemnului

n afar de ap,lemnul are 3 componente principale.Celuloza,un polimer cristalin derivat dinglucoz.Urmtoarea,n abunden este hemiceluloza,care este aproximativ 20% n foioase si 30% n

conifere.Sunt n principiu,zaharuri legate neregular,spre deosebire de celuloz.Lignina este al

treilea component,la aproximativ 27% n conifere si 23% n foioase.Lignina confer proprieti

hidrofobe,reflectnd faptul c aceasta se bazeaz pe inele aromatice.Aceste 3 componete se

ntreptrund,iar legturi covalente directe exist ntre lignin i hemiceluloz.Un aspect important al

industriei hrtiei este separarea ligninei de celuloz,din care se face hrtia.

Din punct de vedere chimic,diferena dintre foioase i rinoase se reflect n compoziia

constituentului lignin.


4/48

n afar de lignoceluloz,lemnul const ntr-o varietate de compui organici cu mas

molecular mic,cum ar fi terpene,diterpene i acizi grai.De exemplu,rina este eliminat de conifere

pentru a se proteja mpotriva insectelor.

TEHNOLOGIA DE FABRICATIE

Produsul finit

Beneficiile legate de mediu sunt un factor sustinator al biocombustibililor. Ei sunt resurse

regenerabile care ajuta la reducerea in admosfera a emisiilor de dioxid de carbon si a altor gaze.

Bioetanolul poate fi utilizat in motoare cu ardere interna fara alte modificari.

In acelasi timp, diferentele intrinseci intre proprietatile fizice si chimice dintre etanol si hidrocarburi

prezente in benzina determina constrangeri asupra cantitatii de etanol care poate fi combinata cu

succes cu benzina.

Comparativ cu petrolul, care este un amestec complex de hidrocarburi cu diferite mase

moleculare si structuri chimice, etanolul este un compus simplu, unitar cu formula C2H5OH.

Prezenta atomului de oxigen in etanol face ca molecula acestiua sa fie polara , comparativ cu

hidrocarburile care sunt nepolare, fapt ce determina diferente semnificative in comparatie cu benzina.

Aceste diferente pot fi sumarizate astfel:

Etanolul prezinta bune proprietati pentru a putea fi utilizat drept combustibil in motoare cu

aprindere cu scanteie deoarece are o cifra octanica ridicata, iar prezenta oxigenului determina

caracteristici de ardere diferite de ale benzinei: temperatura flacarei mai mica, caldura de ardere mai

scazuta, necesita un volul de aer de ardere mai mic si caracteristici diferite ale emisiilor de gaze .

Datorita acestor aspecte cresterea continua a procentului de bioetanol in benzina altereaza

proprietatile blendelor si are un impact negativ asupra operabilitatii vehiculului.

Bioetanolul este mai putin volatil in comparatie cu benzina si formeaza azeotrofi cu

Acesta, de regula la concentratii mici, determinand cresterea presiunii de vapori a benzinei cu

implicatii in operarea vehiculului si volatilitatea specifica a amestecului rezultat.

Bioetanolul se obtine din materii prime regenerabile iar bioxidul de carbon rezultat in urmacombustiei este utilizat in procesul de fotosinteza pentru regenerarea biomasei.

Trebuie subliniat faptul ca folosirea bioetanolului are loc dupa un circuit inchis, bioxidul de

carbon emis prin ardere fiind utilizat pentru regenerarea materiilor prime , in timp ce utilizarea

combustibililor fosili are loc dupa un ciclu deschis, care conduce in final la epuizarea rezervelor de

titei.

In acest moment bioetanolul este cel mai utilizat biocombustibil din care se foloseste drept

carburant anual in intreaga lume, aproximativ 25 miliarde litri.

Cantitatile de etanol care se folosesc in benzina variaza intre 5-20 %sau chiar pana la 80 % infunctie de tara care-i foloseste.


5/48

Orientarea si utilizarea crescuta a biocarburantilor va necesita schimbari referitoare atat la

biomasa folosita ca materie prima cat si la tehnologii de conversie utilizate pentru fabricarea

biocombustibililor.

Este foarte important utilizarea in continuare a porumbului a zaharului si a culturilor de seminte

oleageinoase. In afara acestor materii prime trebuie sa se aiba in vedere si crearea altor surse de

materii prime cum ar fi: biomasa lemnioasa , ierburile , si altei culture destinate obtinerii de energie.

In termen scurt trebuie sa se inceapa orientarea spre utilizarea materiilor lignocelulozice.

Utilizarea etanolului drept carburant este in continua crestere in intreaga lume dintr-o serie de

motive: scade dependenta de import a combustibililor fosili reduce poluarea aerului si schimbarea

climei globale cauzate de efectul de sera si creaza noi locuri de munca.

Spre deosebire de benzina etanolul este un combustibil oxigenat cu un continut de 35 % oxuigen

ceea ce reduce emanatiile de noxe in aer cat si emisiile de NOx rezultate din combustie.

Etanolul poate fi fabricat sintetic di pertrol sau prin conversia microbiana a biomasei prin

procesul de fermentatie. [ 2 ] bibl.bioalcoolul cambustibilul viitorului constantin banu

Importanta si domenii de utilizare

Folosirea bioetanolului in amestec cu benzina in motoarele cu ardere interna are o serie de

consecinte.

Reducerea smogului.

Se realizeaza prin:

-scaderea emisiei de dioxid de carbon cu 8-30 % in cazul folosirii a 10% etanol in benzina

etanolul adaugat in benzina prin continutul sau in oxigen face mai eficienta combustia,

-reducerea emisiilor toxice (sulf, olefine, componenti aromatici cum ar fi :benzen,toluen etc) cu

5-15 % fara a se influenta performanta carburantului,

-reducerea stratului de ozon de la un nivel inferior fata de cel de mare inaltime.

Stratul inferior de ozon se formeaza atunci cand oxizii de azot si compusii organici volatili se combina

in prezenta luminii.Oxizii de azot se formeaza la temperature ridicate de ardere a combustibilului in motoarele cu

ardere inrerna,dar rezulta si inemisiile uzinelor care folosesc combustibili fosili.

Formarea statului inferior de ozon este mai mare vara cand masele de aer stacnate permirt

concentrarea ozonului in anumite arii mai joase. Ozonul este poluant irritant foarte puternic pentru nas

gat producand dificultati in respiratie. Ozonul din stratul inferior mareste susceptibilitatea asmaticilor

la alergii obisnuite.

Reducerea gradului de poluare se realizeaza prin incinerarea controlata a deseurilor agricole,in

conditiile in care acestea sunt folosite pentru productia de biocarburanti,deci nu mai sunt supuse


6/48

arderii in camp in care caz se produc diferite substante toxice, in plus solurile pe care ard deseurile

agricole devin mai putin productive.

Bioetanolul este in present folosit pe plan mondial sub forma de amestec E10 (etanol10%si

benzina 90%)

Etanolul prezinta bune proprietati pentru a putea fi utilizat drept combustibil in motoare cu

aprindere cu scanteie deoarece are o cifra octanica ridicata, iar prezenta oxigenului determina

caracteristici de ardere diferite de ale benzinei: temperatura flacarei mai mica, caldura de ardere mai

scazuta , necesita un volul de aer de ardere mai mic si caracteristici diferite ale emisiilor de gaze .

Datorita acestor aspecte cresterea continua a procentului de bioetanol in benzina altereaza proprietatile

blendelor si are un impact negativ asupra operabilitatii vehiculului.

Etanolul este mai putin volatil in comparatie cu benzina si formeaza azeotrofi cu acesta de regula

la concentratii mici determinand cresterea presiunii de vapori a benzinei cu implicatii in operarea

vehiculului si volatilitatea specifica a amestecului rezultat.

Datorita diferentei de polaritate dintre etanol si benzina blendele obtinute sunt instabile. Prezenta

apei sau temperaturile scazute pot determina separarea blendei in doua faze: -una bogata in etanol,

-una bogata in hidrocarburi,

amestecul separat determind o functionare necorespunzatoare a motorului , motiv pentru care se

impune utilizarea unui etanol anhidru de minim 99,5% concentratie.

Etanolul se obtine din materii prime regenerabile iar bioxidul de carbon rezultat in urma

combustiei este utilizat in procesul de fotosinteza pentru regenerarea biomasei. Comparativ , benzina

se obtine din rezerve minerale neregenerabile.

Etanolul este foarte putin toxic putand fi baut. Din aceste motive se procedeaza la denaturare

atunci cand este utilizat drept combustibil.El prezinta peoprietati chimice diferite de ale benzinei fapt

ce conduce la degradarea unor materiale nemetalice utilizate in sistemul de alimentatie cu carburanti.

El poate ataca si partile feroase cu care vine in contact detewrminand coroziunea acestora si formand

depuneri de saruri.

Tabel nr 1 Comparatie intre proprietatile etanolului si metanolul

U.M Benzina Bioetanol Metanol

Caldura de

combustie MJ/kg 43,5 26,8 19,7

Caldura de

vaporizare MJ/kg 0,3 0,93 1,17

Cantitatea

steochiometrica 14,7 8,95


7/48

de aer

Energia

specifica la

stoechiometrie

MJ/kg 2,96 2,99 3,06

Relatia de aer la

putere maxima 12 7,0 4,0

Energia

specifica la

putere maxima

MJ/kg 3,6 3,8 4,97

Punct de

fierbere C 35-205 78 65

R on 100-102 112-120 115-130

Mon 88-90 95-106 95-103

Continut de

oxigen % masa 2,7 34,8 50

Densitate G/L 735-775 790 790

Presiunea de

vapori kPa 40-60 20 36

Bioetanolul prezinta o serie de avantaje comparativ cu combustibilii clasici, fapt ce-i

recomanda ca pe unul din cei mai promitatori inlocuitori ai combustibililor fosili.

Aceste avantaje [pot fi sumarizate astfel:

bioetanolul se obtine din materii prime regenerabile si nu din produse finite cum este etanolulsintetic,

emisia de gaze este mult mai mica comparativ cu emisiile de gaze rezultate la utilizareabenzinei din petrol (emisia de fum , hidrocarburi, monoxid de carbon di dioxid de carbon sunt

reduse). Din aceste motve are un impact pozitiv asupra mediului si calitatii aerului datoritaarderii curate . Reducerea insemnata a emisiei de dioxid de carbon este foarte importanta

deoarece aceasta este principaluln gaz care determina efectul de sera ce contribuie ;la

schimbarea globala a climei.

Bioetanolul are o cifra octanica ridicata fapt ce previne detonatiile si elimina necesitateautilizarii tetraetil plumbului sau MTBE pentru marirea cifrei octanice.

Comparativ cu combustibilii fosili bioetanolul este biodegradabil si nu este toxic.


8/48

Utilizarea bioetanolului in benzina intr-un procent de 5-10 % nu necesita modificari alemotoarelor autovehiculelor. Adaptarea corespunzatoare a motorului este necesara numai

pentru combustibilul E 85 (85% bioetanol si 15 % benzina)si E 100.

Este amestecat si distribuit la la statiile de benzina cu mijloace clasice utilizate pentru produsepetroliere.

El se obtine din resurse interne si astfel reduce dependenta de import de titei , participandastfel la independenta energetica a tarii.

Utilizarea bioetanolului incurajeaza economia rurala. Bioetanolul promoveaza biotehnologiile. El se poate utiliza si la obtinerea MTBE.

Bioetanolul nu poate fi utilizat in aviatie , barci cu motor si nave maritime. In consistenta in

conditii aviatice si maritime blenderele etanol-benzina trebuie evitate.

Alcoolul cu 96% concentratie nu este miscibil cu benzina. Trebuie avuta grija ca excesul de apa

din rezervorul de combustibil poate face ca etanolul sa se separe de benzina. Aceasta impune folosirea

bioetanolului de concebtratie 99,5% .

Combustibilii pe baza de etanol nu sunt compatibili cu anumite componente feroase,

determinand coroziunea acestora si formarea de depozite de saruri

Utilizarea bioetanolului in blendere poate afecta negativ pompa electrica de benzina.

La utilizarea bioetanolului pentru prima data este necesar curatirea rezervirului de combustibil

de impuritati, etanolul putand desprinde chiar portiuni de cauciuc de pe suprafata acestuia. Din acestemotive trebuie schimbat filtrul de benzina.

Caracterizare fizico-chimica si tehnologica

Fiecare carburant are proprietatile sale intrinseci care joaca un rol important in determinarea

performantei motorului cu ardere interna, performanta care depinde de calitatea carburantului. Un

exemplu de performanta a motorului, legata de calitatea carburantului, este legatura dintre raportul

compresiei si cifra octanica a carburantului. Alte caracteristici fizice si chimice se refera la densitateenergetica, la caldura de vaporizare raportul molecular dintre reactanti si produsii de combustie,

energie specifica, limita de imflamabilitate, viteza de transmitere a flamei ( scantei ) si temperatura

flamei, la continutul de hidrogen si carbon.

Densitatea energetica

Diferenta dintre densitatea energetica masica si cea volumica nu afecteaza major performanta

motorului dar afecteaza volumul si greutatea rezervorului de combustibil cu care este dotat


9/48

autovehicolul care la randul sau afecteaza greutatea mijloculului de transport. Prin greutatea

suplimentara a rezervorului si etanolul carburant eficienta combustibilului scade cu numai 1 %.

Caldura latenta masica de vaporizare.

Bioetanolul are o caldura latenta masica de vaporizare mai mare decat benzina si motorina.

Atunci cand carburantul se vaporizeaza in curentul de aer necesar arderii , aerul se raceste si face ca ai

mare cantitate de carburant sa ajunga in motor. Acesta conduce la cresterea puterii produse de motor si

la scaderea temperaturii maxime de combustie si a sarcinii termice a motorului. La un amestec

stoichiometric aer-combustibil de 9 la 1 racirea aerului de combustie va fi de aproximativ 77 C fata

de 7 grade Celsius in cadrul folosirii benzinei. O racire mai mare v-a crea probleme in cazul folosirii

etanolului in timpul ernii.

Temperatura flacarei

O temperature mai scazuta a flamei va conduce la reducerea pierderii de caldura a motorului si

la o crestere a eficientii termice a acestuia.

Temperature flamei este de 1977grade Celsius la etanolul carburant fata de 2054 lgrade

Celsius la benzina si motorina , ceea ce face ca eficienta motoruui sa fie mai mare in cazul utilizarii

bioetanolului. O temperature mai scazuta a flamei reduce pierderile de caldura prin radiatii si o

productie mai mica de oxid de azot, respective la o emisie mai redusa de oxid de azot in gazele de

esapament.

Raportul dintre gazele de ardere si reactanti.

Etanolul carburant avand un raport mai mare intre continului de hydrogen si carbon decat

benzina si motoriuna produce un volum mai mare de gaze pe unitatea de energie rezultata prin ardere.

Aceasta v-a conduce la presiuni mai mari in cilindri motorului si la un lucru mechanic mai mare in

timpul stadiului de expansiune. Bioetanolul v-a produce mai mult lucru mecanic in comparative cu

benzina si cu 1 % mai mult in comparative ca motorina.

Energia specifica

Ea se calculeaza ca raportul intre valoarea minima a caldurii de combustie si raportul

aer/combustibil. Aceasta energie specifica reprezinta energia carburantului ce se elibereaza in camera

de combustie / unitatea de aer introdus. Cu cat energia specifica este mai mare cu atat este mai mare

energia generate de motor.

Cifra octanica


10/48

Din punct de vedere al cifrei octanice alcoolii au o rezistenta ridicata la autoaprindere si la

arderea anormala cu detonatie si sunt,din acest punct de vedere, combustibilii superiori pentru

motoarele cu aprindere prin scanteie, comparativ cu benzinele clasice.

Cifra octanica prezinta valori diferite datorate impreciziei metodelor standardizate folosite la

determinarea lor in zona valorilor neuzuale, cat si din cauza proprietatilor fizice speciale ale acestor

produse care difera foarte mult de la cele ale benzinelor motiv pentru care metodele standard nu se pot

aplica cu strictete.

Bietanolul are o cifra octanica mai mare decat benzina , ceea ce inseamna ca se poate utilize un raport

de compresie mai mare in ciclul optimizat OTTO. Un raport de compresie mai mare inseamna o mai

mare eficienta a motorului si o mai mare putere a unui motor dat. Pe de alta parte , bioetanolul are si

proprietati excelente antisoc , ceea ce conduce la imbunatatirea eficientei motorului cu 6-10 %

Limitele de imflamabilitate

Odata aprins, bioetanolul arde mai repede decat benzina , avand si limite de imflamabilitate mai mari.

Tab.nr 2 Comparatie intre benzina si motorina

Parametrul Bioetanol Benzina Motorina

Punctual de fierbere C 77,8-78,3 26,7-225 190,5-332,2

Densitate, kg/m3 0,790 0719-0778 0,814-0,874

Presiune de vapori bar 0,159-0,172 055-104 0,001-0,0015

Presiune de vapori a amestecului E10

1,24-150 055-014 0

Caldura de vaporizare kJ /

kg

362-400 140-170 100-260

Punctul de

autoaprindereC 365-425 179,5-260

Limita inflamabilitatii % 3,3-11,9 1,0-8,0 0,6-5,5

Raport stoiochiometric

aer/carburant in greutate 8,97-9,0 14,5-14,7 14,6-15,0

Temperature flamei C 1930 1977 2056,6

Caldura neta de

combustie KJ / Kg 159-212 304-332 359-363

Cifra octanica (R+N)/2 96-113 85-96 NA

Energia specifica (SN) 30 2,92 NA


11/48

Bioetanolul este folosit sub forma de amestec E10. Acest amestec contine 3,5% oxigen. La folosirea

acestui amestec se pun urmatoarele probleme:

- stratul este mai redus cand in amestecul de combustie se foloseste bioetanol, ca urmare a

vaporizarii mai lente a acestuia. Problema poate fi rezolvata prin utilizarea benzinei la start timp de 5

minute, dupa care se poate trece pe amestecul E10.

-nivelul de apa din etanolul utilizat de regula trebuie sa se utilizeze etanolul anhidru ceea ce

inseamna costuri suplimentare. Chiar la cantitati mici de apain bioetanol acesta se separa din

amestecul etanol-benzina, pentru a se evita acest fapt se adauga amestecului un agent de amestecare

cum ar fi:benzenul,acetone,alcoolul butilic. Aceasta inseamna ca se poate utiliza si in etanol cu grad

avansat de rectificare.

-lubrificatia este afectata in sensul diminuarii acestuia prin condensarea vaparilor de etanol,

-coroziunea si eroziunue se datoreaza formarii acidului acetic la arderea etanolului in prezenta

unei cantitati mici de aer. Coroziunea afecteaza partile metalice iae eroziunea afecteaza garniturile,

inclusiv elastomerii din care se confectioneaza diafragma pompei de combustibil;

- vaporii amestecului etanol-benzina din rezervor sunt mai usor explozibili decat cei ai benzinei

ceea ce implica o mai buna aerisire a rezervorului.

Bioetanolul poate fi utilizat in proportie mai marte in amestec cu benzina, respective 85%,95%,

si chiar poate fi utilizat in totalitate drept carburant (E 100), dar acesta presupune motoare care sunt

optimizate pentru acest carburant,mai ales in ceea ce priveste partile metalice compozitionale si

componentii elasiometrici.

Partile metalice care vin in cntact cu bioetanolul in functie in principal de continutul de apa al

etanolului si de prezenta electrolitilor in apa continuta de etanol.

La folosirea numai a bioetanolului se impune modificarea sistemului de carburatie a motorului.

Obtinerea bioetanolului din material lignocelulozic

Aceste materii prime sunt reprezentate de deseurile din agricultura cum ar fi:

-paie

-coceni-vrejuri

-deseurile de material lemons tare sau moale din paduri sau de la prelucrarea initiala a lemnului cum ar

fi :

-aschii

-rumegus

In structura materiilor prime lignocelulozice intra celuloza , hemiceluloza , lignina

Tabel nr.3 Structura materiilor prime lignocelulozice.


12/48

Componentul Deseuri din

agricultura

Deseuri din lemn tare Deseuri din lemn

moale

Hemiceluloza 30-35% 28-33% 28-33%

Celuloza 35-45% 35-48% 38-42%

Lignina 20-25% 20-24% 25-30%

Celuloza, un polimer format din unitati de anhidroglucoza legate beta-1-glucozidic, lungimea

macromoleculei variind in functie de sursa si de gradul de procesare suferit.

Hemicelulozele sunt polimeri glucidici liniari la care sunt atasati diferiti monomeri prin intermediul

diferitelor legaturi. Astfel in lemnul tare se gasesc urmatoarele hemiceluloze;

-O-acetil-4-O-metil-glucoronoxilan care reprezinta 10-30% din totalul de biomasa si care este format

dintr-un lant liniar homopolimeric.

-glucomananii din lemnul tare reprezinta 3-5 % din biomasa.

Lemnul moale contine trei tipuri de hemiceluloza si anume:

-galactoglucoman reprezinta 5-10 % din biomasa iar continutul de -D-galactoza este echivalent cu cel

de beta-d-glucoza.

-arabino-4-metil glucoronoxilan reprezinta 10-15% .

Lignina este un component de baza al biomasei lignocelulozice , ea avand un caracter fenolic.Biomasa are un coninut relativ sczut de hidrogen.

Randamentul de hidrogen nu depinde doar de acest lucru legat de hidrogenul scazut , dar din divizarea

chimica a apei n reformarea cu aburul da o reactie, aceasta are un dezavantaj n comparaie cu gazul

natural ca fiind o surs de hidrogen, n special n scopul unui coninut mai mic de energie din unitatea

de mas.

Hidroliza enzimatica a materialului lignocelulozic

Hidroliza materialului lignocelulozic se poate face pe cale :

-acida , folosind acid sulfuric concentrat sau diluat

-enzimatica , folosind enzime celulolitice (celulaza si hemicelulaza)

Hidroliza acida cu acid sulfuric diluat, necesita temperaturi ridicate de hidroliza, in schimb, hidroliza

acida cu acid sulfuric concentrat se poate face la temperaturi mai scazute( 45 C ).

Pe baza hidrolizei cu acid sulfuric functioneaza mai multe procedee cum ar fi:

1 Metode de hidroliza


13/48

Hidroliza acida

1.1Procedeul Inventa AG

Acest procedeu foloseste acid sulfuric diluat la concentratia de 0,6% in greutate , materialul

lignocelulozic fiind maruntit. Hidroliza se face intr-un reactor (1) care lucreaza sub presiune de

100kPa si la temperatura de 140-180C . Se hidrolizeasa atat hemiceluloza cat si celuloza din paiete

lemnoase , produsele in functie de degradare fiind xiloza si glucoza. Solutia acida continand glucidele

fermentascibile, este adusa in colectorul racitor (2) , de unde ies de la partea superioara vaporii de

furfural care sunt condensati intr-un racitor (3) , iar pe la partea inferioara iese solutia adica glucidica

ce se neutralizeaza in vasul cu agitator (4), unde se aduce carbonat de calciu. Solutia neutralizata trece

in filtrul (5), unde se separa de sulfatul de calciu format , iar solutia este trimisa la un racitor flash

(6), de unde iarasi se separa furfural care se condenseaza intr-un racitor (3), lichidul fiind trimis in

instalatia de fermentare-distilare-rectificare in coloana azeotropica , obtinandu-se alcool carbonat.

Schema de principiu a instalatiei de functionare dupa Procedeul Inventa AG


14/48

1.2.Procedeul BC International SUA

Foloseste hidroliza cuacid sulfuric diluat in 2 trepte:

- o treapta in care se hidrolizeaza hemicelulozele , obtinandu-se o solutie acida continand inprincipal xiloza

- o treapta in care se hidrolizeaza celuloza, obtinandu-se o solutie acida care contine in principalglucoza.

In ambele etape se lucreaza la temperaturi inalte . Dupa neutralizarea hidrolizatelor si filtrarea

acestora , se realizeaza fermentarea cu E.coli modificat genetic (cu gena de la Zymomonas).

Microorganismul obtinut prin recombinare genetica este capabil sa fermenteze atat glucoza cat si

pentoza cu o eficacitate de 90%. Schema tehnologica folosita in acest procedeu este aratata in

fig.de mai jos.

Schita de principiu a instalatiei de functionare aProcedeul BC International SUA


15/48

1.3.Procedeul Arkenol (SUA)

Procedeul Arkenol (SUA) foloseste hidroliza cu acid sulfuric in cele 2 trepte de hidroliza acida.

Procesul foloseste separarea cromatografica a solutiei glucidice si a acidului sulfuric sub forma diluata

, din care apoi reconcentrata pentru folosire in proces . Subprodusele realizate din proces sunt sulfatul

de calciu si lignina. Schita procedeului este aratata mai jos in figura nr.....

Schita de principiu a instalatiei de functionare Procedeul Arkenol (SUA)

1.4.Procedeul cu predigestie dupa metoda Hokkaido

Se realizeaza cuacid sulfuric diluat .

Materialul lignocelulozic (deseuri din lemn neuscat) se predigereaza intr-o coloana diegester cu acid

sulfuric diluat in vederea indepartarii hemicelulozei ca subprodus. Particulele de hemiceluloza intra

prin intermediul unui alimentator presurizat in a doua coloana digester in contracurent cu solutia de

acid sulfuric concentrat (70%-80%). In aceasta coloana celuloza este hidrolizata la temperatura


16/48

camerei , solutia acida continand glucoza , pastrand coloana de la partea superioara a acestuia. Aceasta

solutie este separata printr-o membrana , iar permeatul de acid sulfuric este reconcentrat pentru a fi

reciclat. Inainte de a fi trimisa la fermentare , glucoza (solutie) este neutralizata si deionizata.

1.5. Procedeul ACOS

Se foloseste pentru solubilizarea componentelor din materialul lignocelulozic o solutie de acetona

care contine si o cantitate mica de acid sulfuric. Tratamentul are loc la 200 C si presiune de 40 bar,

timp de 0,5 h

Dupa extractie solutia continand glucide fermentescibile este trecuta printr-un tanc pentru

autoevaporare , unde se recupereaza o parte din acetona si se produce si o racire pana la 100C . In

continuare solutia intra la hidroliza secundara care are loc la 100 C 20 de min., cand se recupereaza si

restul de acetona. Dupa racire si filtrare , inclusiv filtrare pe carbune , solutia se neutralizeaza si se

trece la fermentare in doua etape: etapa de fermentare a glucozei , cu recuperarea de alcool etilic , si

etapa de fermentare a zilozei, cu recuperarea alcoolului etilic.

Borhotul ramas dupa fermentarea xilolatului este folosit pentru obtinerea xilolatului cristalizat.

Procedeul ACOS poate fi utilizat pentru procesarea unor surse de materii prime lignocelulozice.

Schema tehnologica a procesului ACOS


17/48

3.1.6. Procedeul Bioeneering Resources

La acest procedeu se foloseste CO2 si H2 ca materie prima pentru productia de alcool etilic .

Fermentarea se face la 37C si presiune moderata , cu o bacterie din genul Clostridium .

Etanolul fiind toxic pentru cultura de microorganisme , concentratia acestuia in bioreactor trebuie safie mentinuta la 3%(v/v). La fermentare se formeaza si acid acetic a carei productie este minimizata


18/48

prin recircularea portiunii inferioare de acid acetic a carei productie este minimizata prin reciclarea

portiunii inferioare de lichid din distilator. Reactiile care conduc la formarea alcoolului etilic sunt:

6CO+3H2O C2H5OH+4CO2

6H2+2CO2 C2H5OH+3H2O

Schita instalatiei care lucreaza dupaProcedeul Bioeneering Resources


19/48

3. 2 Hidroliza enzimatica

Enzime celulolitice

Celulazele reprezinta un complex enzimatic si sunt capabile sa hidrolizeze celuloza. Acest complex

enzimatic cuprinde:

- 1. endo 1,4 gluconaza care actioneaza la intamplare in interiorul lanturilor poliglucidicece formeaza lanturi poliglucidice ce formeaza celuloza, realizand in final ruperea legaturilor

1,4 glucozidice si formarea delanturi mai scurteavand capete reducatoare libere.

- 2. exo1,4- D- glucanaza care include doua enzime si anume:- 1,4- - D- glucanglucohidralaza care elibereaza unitati de glucoza de la capatul reducator al

lanturilor de celuloza , dar care hidrolizeaza lent si celobioza formata de o alta enzima si

anume

- 1,4-- D- glucan celobiohidrolaza care elibereaza unitati de celobioza care elibereaza unitatide celobioza de la capatul reducator al lanturilor fragmentate de celulaza.

- 3. - D- glucozidaza sau - D- glucozid glucohidrolaza care hidrolizeaza celobioza sioligozaharidele cu lant scurt pana la glucoza.

Degradarea celulozei din materialul lignocelulozic nu este posibila decat dupa un tratament preliminar

al acestuia prin macinare, tratare cu abur la o temperatura de 200-250C , tratament cu agenti de

umflare (alcalii, baze organice, saruri metalice), tratament cu microorganisme , care produce

degradarea ligninei , tratament cu acizi minerali diluati,etc.

Pot produce celulaze bacteriile aerobe(specii de Pseudomonas si Actinomycates), facultativ anaerobe

(Bacillius si Cellulomonas)si strict anaerobe (Clostridium), precum su micegaiurile din speciile

Trichoderma,Penicillium,Aspergillus Phanerochaete Chrysosporium.

Din punct de vedere al randamentului in celulaze si al complexitatii acestora cea mai buna sursa de

celuloza este Trichoderma reesei modificat genetic . complexul enzimatic prosus este Trichoderma

reesei care este format din

- 1,4-- D- glucan celobiohidrolaza care scindeaza unitatile de celobioza pornind de la capatulnereducator al lanturilor de celuloza.

-

. endo 1,4 gluconaza care scindeaza legaturile glucozidice din interiorul lanturilor deceluloza.

- 1,4 - D- glucozidaza care scindeaza celooligozaharidele si celobioza cu producere deglucoza.

Enzimele mentionate au masa moleculara 56000-89000 si sunt ineficace fata de celuloza cristalina.

Complexitatea sistemului celulolitic excretat in mediu de cultura de catre Trichoderma reesei este

determinata de multitudinea de gene ce induc producerea enzimelor a caror macroeterogenitate se

bazeaza pe formarea de agregate multienzimatice , iar microeterogenitatea se bazeaza pa capacitatea

enzimelor celulolitice de a forma complexe cu proteinele , glicoproteinele sau polizaharidele.


20/48

Celulazele produse de Trichoderma reesei au o specificitate redusa si sunt usor inactive , chiar la

temperatura optima de lucru 50C , si sunt sensibile la produsii de reactie (inhibitie de pridus).

Hemicelulazele si microorganisme producatoare de hemicelulaze

Hemicelulazele pot fi clasificate in trei categorii:

- endo-hemicelulaze care actioneaza in interiorul lantului de hemiceluloza si care au activitatelimitata asupra oligomerilor cu lant scurt.

- endo-hemicelulaze care actioneaza progresiv fie de la capatul reducator fie de la celnereducator al hemicelulozei. Anumite exohemicelulaze hidrolizeaza preferential limitari

scurte de hemiceluloza, altele lanturi mai lungi

- enzime hemicelulazice , care hidrolizeaza hemiceuloza din plante nativeEndo-hemicelulaze pot fi la randul lor :endoarabinaze, endoarabinogalactanaze endooglucanaze,

endoxilanaze,ferulice endoxilanaze.

Microorganisme producatoare dehemicelulaze sunt in principal mucegaiurile:

-aspergillius niger

-aureobasidium pullulans

-trichodermareesei

-trichoderma viridi.

Exo 1,4 D- glucanaza include doua enzime si anume 1,4 - D glucanglucohidralaza care

elibereaza unitati de glucoza de la capatul reducator al lanturilor de celuloza , dar care hidrolizeaza

lent si celobioza formata de o alta enzima si anume 1,4--D-glucan celebiohidroliza care elibereaza

unitati de celobioza de la capatul reducator al lanturilor fragmentate de celulaza.

D- glucozidaza hidrolizeaza celobiozasi oligozaharidele cu lant scutr pana la glucoza.degradarea

celulozei din materialul lignocelulozic nu este posibila decat dupa un tratament preliminar al acestiua

prin macinare, tratare cu abur cu temperatura de 200-250C , tratament cu agenti de umflare ,

tratament cu microorganisme , care produce degradarea ligninei , tratament cu acizi minerali

diluati,etc.

2.3 Procedeul Jotech Corp

Structura cristalina a celulozei din lemn se distruge printr-o metoda de expandare exploziva. Se

foloseste lemn macinat marunt, intr-un reactor tun incalzit cu abur saturat la o temperatura de 240 -

300 C, la 35-66 atm., la un timp de retentie cuprins intre 5 secunde si 5 minute. Prin expandare brusca

la presiunea atmosferica, lemnul explodeaza transformansu-se intr-o pulbere fina, de celuloza

amorfa, care se supune hidrolizei enzimatice. Fermentarea etanolului se face dupa procedeele uzuale.

Se obtin solutii cu 10-12% monozaharide si in final solutii cu 5-6 % etanol.


21/48

Procedeul Berc-ITT

Acest procedeu este aplicat in India, se obtine etanol din lemn,ce consta din prelucrarea catalitica cu

solvent dupa procedeul Organosolv. In acest procedeu are loc separarea, cu randamente mari, in stare

pura, a ligninei, hemicelulozei si cdelulozei. Separarea hemicelulozei are loc in proportii de 90-95% si

a ligninei in proportie de 75-80%. Solventul se recupereaza cu unh randament de 75-80%. In final se

obtine un preparat hidrolizabil enzimatic in proportie de peste 80%. Fermentarea la etanol are loc cu

ajutorul bacteriilor mezofile Zymomonas Mobilis. Se considera ca din punct de vedere energetic

etanolul, este cel mai rentabil procedeu.

Conform tehnologiei puse la punct de US Departament of Energy prin procedeul ABCs of Biofuels,

etapa de pretatrare se realizeaza cu acid sulfuric diluat si are drept scop transformarea hemicelulozei in

zaharuri. Urmatoarea etapa are drept scop hidroliza celulozei cu enzima celulaza care transforma

celulaza in zaharuri fermentescibile etapa denumita si zaharificare care se supune fermentatiei cu

drojdii pentru obtinerea etanolului. Urmatoarele etape se desfasoara conform procedeelor clasice.

Important este faptiul ca hemiceluloza contine zaharuri C5 denumite pentoze.Xiloza principalul

component, nu poate fi fermentat la etanol cu Sachromyces cerevisiae, fermentarea acestuia

realizandu-se cu Zymomonas mobolis. Lignina separ5ata ca produs secundar este utilizat drept

combustibil pentru producerea aburului si energiei electrice necesare in proces.

Un proces important in fidroliza biomasei a fost introducerea simultana a zaharificerii si fermentarii

(SSF)care permite cofermentarea diferitelor tipuri de substraturi.

Elemente de inginerie tehnologica

Varianta tehnologica adoptata:schema bloc,schema tehnologica

Obtinerea bioetanolului din materie prima lignocelulozica

Biomasa lignocelulozic reprezint o surs abundent i ieftin de resurse energetice regenerabile. De

exemplu, reziduurile de trestie-de-zahr, numite bagase, rezultate n urma extraciei zahrului din

trestia-de-zahr sunt generate n cantiti foarte mari n ri ca Brazilia, Tailanda, India, Hawaii i nsudul SUA. Teoretic, o ton de bagase uscat poate genera circa 424 litri etanol.

Alte produse lignocelulozice care pot fi folosite ca surse de energie sunt:

- reziduuri sau subproduse agricolecoceni de porumb, paie de gru sau orez;- reziduuri forestiere; lemn si rumeigus;- reziduuri din industria de celuloz i hrtie;- plante ierboase energetice.

ns, spre deosebire de amidon, care este un polimer omogen i uor de hidrolizat, materia

lignocelulozic vegetal conine celuloz, hemiceluloz, lignin i alte componente greu de hidrolizat.


22/48

Toate aceste componente trebuie iniial tratate chimic i enzimatic, pn sunt transformate n zaharuri

care pot fi fermentate la alcool.

Celuloza este o polizaharida alcatiuta din resturi de D-glucoza unite intre ele prin legaturi -

glicozidice conform structurii.

Prin hidroliza acida celuloza se transforma in D-glucoza cu un randament de 96,5%. Continutul de

celuloza din biomasa depinde provenienta acestuia.

Hemiceluloza constituie, alaturi de celuloza, o sursa majora de carbon in biomasa 40%. Este o

polizaharida complexa alcatiuta din pentozani, hexozani, acid poliuronic si gume vegetale. Ea se

deosebeste de celuloza prin solubilitatea ei buna in solutii diluate de hidroxid de sodiu.

Lignina este un polimer complex, reticulat, care se gaseste in biomasa in proportie de 10-24% masa.


23/48

Lignina din biomasa nu se poate converti la etanol si este utilizata drept combustibil pentru obtinerea

de abur si energie electrica necesare in proces.

Cu toate c biomasa lignocelulozic este disponibil n cantiti foarte mari, provocarea principal

pentru a face produsul competitiv din punct de vedere comercial este reducerea costurilor procesului

de conversie a biomasei la etanol.


24/48

SCHEMA BLOC

Plamada fermentata

Schema instalatiei de obtinere a etanolului din material lignocelulozic

Biomasa

lignocelulozica

De ozitare

Pretratare

(macinare)

Hidroliza acida

Fermentare

Apa

Plamada de

drojdie

Faza II de

inmultirea in

sectia de

culture ure

Faza I delaboratorEnzime

Biomasa epuizata

Distilare

Bioetanol

CO2

Rectificare

Separare

Alcool

Deshidratare


25/48

SC Schimbtor de cldur

R Blaz

P - Produs

MPMaterie prim

ARAp rezidual

ASAp de splare

1 - Transportor elicoidal

2 - Cntar

3 -Moar

4Fierbtor

5 - Zaharificator

6Reactor

7- Coloan de distilare

8 - Coloan de rafinare

9 - Rezervor CO2


26/48

10 -Rezervor enzime fluidificare

11 - Rezervor enzime zaharificare

12 -Rezervor plmad drojdie

MATERII PRIME SI MATERIALE AUXILIARE

Lemnul consta dintr-o mare serie de substante organice polimere naturale, alcatuite din carbon,

hidrogen si arareori azot, care se separa sub forma unor componenti chimici individuali dau grupati.

Compozitia generala a lemnului poate fi discutata sub forma :

celuloza + hemiceluloze + lignina = 9095 %

substante extractive = 5 - 10 %

Componentii principali: - celuloza

- hemicelulozelepentozane

- hexozane

- acizi poliuronici

- lignina

In acest capitol vom studia proprietatile lemnului deplop si salcie.

In tara noastra cresc diferite specii de plop cum ar fi:

- Plopul alba creste in regiunile din Bucuresti, Galati, Bacau (Slanic-Moldova,Darmanesti, Harsa, Lesunt).

- Plopul nigra creste in regiunile Galati, Bucuresti.- Plopul tremula creste in regiunile din Curtea de Arges, Suceava Tg.Mures.- Plopul robusta creste in regiunile din Bucuresti, Calarasi Babalecu.- Plopul cetate creste in regiunile din Calarasi, Braila.- Plopul celei creste in regiunile din Calarasi, Braila, Corabia, Harsova.- Plopul arges creste in zonele din Curtea de Arges.

Speciile de plop intalnite la noi in tara sunt:

- Salix alba creste in regiunile din Magurele, Mocanesti, Ostrovul Mare, Corabia, Calarasi.-

Salix fragilius din padurea Chirca-MagureleAlte varietati de salcie intalnite in tara noastra sunt:

- Salix pentandra- S. triandra- S. babylonica (s. pletoasa)- S. herbaceea- S. cinerea, amd.

Lemnul de plop si salcie este un material compozit, alcatuit in proportie de 85-95 % din polimerul

celulozic, din polizaharide necelulozilice si din polimeri ligninici.


27/48

Caracterizare fizico-chimica

Chimia lemnului de reactie a plopului.

Lemnul de reactie se dezvolta in zonele trunchiului sau ramurelor expuse in permanenta unor solicitari

mecanice cum ar fi: greutatea proprie, actiunea uni varf de forta constanta, etc.)

In tabelul de mai jos este redat compozitia chimica a lemnului normal si de reactie la diferite inaltimi

al trunchiului(baza, mijloc , varf)

Tabel nr 4Compozitia chimica a lemnului normal si de reactie la diferite inaltimi ale trunchiului.

Componenti 0,3 m 8,3 m 16,3 m

Extract

cu:

Lemn

normal

Lemn de

reactie

Lemn

normal

Lemn de

reactie

Lemn

normal

Lemn de

reactie

Eter etilic 0,93 1,05 1,92 1,35 1,27 1,22

Alcool-benzen 2,34 2,59 3,98 3,14 2,45 2,42

Apa calda 4,64 2,04 3,38 3,21 2,12 3,36

NaOH 1 % 15,91 16,10 17,08 3,21 2,12 3,36

Cenusa 1,12 1,07 1,12 1,03 0,81 0,75

Holoceluloza 78,88 84,16 76,40 70,40 - -

Celuloza 56,95 65,02 53,34 55,32 51,55 55,24

Pentozane 15,30 11,06 18,32 16,56 18,75 14,24

Lignina 19,98 13,66 23,65 22,42 22,53 21,30

Raport

celuloza/lignina 2,85 4,74 2,25 2,46 2,28 2,60

Caracteristicile principalelor componente din lemnul de plop si salcie.

Hemicelulozele

Hemicelulozele reprezinta grupul de polizaharide din lemn care, spre deosebire de celuloza,

hidrolizeaza in prezenta acizilor diluati si se dizolva in solutii alcaline diluate, ele constituie suportul

material al membranelor celulare.

Hemicelulozele sunt polizaharide necelulozice care hidrolizeaza usor pana la hexoze si pentoze si se

dizolva in solutii diluate alcaline. Ele au caracter macromolecular, prezentand lanturi alcatuite din

diverse resturi monozice si tipuri specifice de legaturi intre unitati.

In cea mai mare parte , hemicelulozele se localizeaza in membrana celuulara a tesuturilor vegetale

lemnoase, constituind substantele de constructie cu rol mecenic ,sau substantele de rezerva si de

protectie.


28/48

Structura moleculara a hemicelulozelor din lemnul de plop

Mult cercetate au fost hemicelulozele lemnului de plop in compozitia carora participa 4-0-

metilglucuronoxilan, glucomanan, galacturonomnogalactan si araban. [Cr simionescu,M.Grigoras

chimia lemnului de plop si salcie ed. Academiei Bucuresti 1973]

Structura moleculei de 4-0-metilglucuronoxilan din plop se poate reprezenta prin schema:

Sau o schema ceva mai complexa a glucomananului din plop separat din holoceluloza cu solutie de

NaOH 17%.

[Z. Kin. Hemicellulozy. Chimia i wykorzystanie. Panstwowe Wydawnictwo Rolnicze i lesle

Warszawa, 1980]


29/48

Compozitia chimica a Populus tremula

Caracteristici Populus tremula

Cenusa 0,26

SE eter 0,82

PUH 20,29

PHG 44,04

Celuloza 41,77

Lignina 21,81

Hexozane 45,38

Pentozane 13,08

OCH3 total 5,7

Acizi uronici 7,96

Grupe OAc 5,56

SR rezultate prin hidroliza totala a lemnului 71,50

Compozitia chimica a unor materii prime pentozane la plop si salcie

Natura

materialului

Cenusa PUH PGH C H P AU F

potential

SR

hidroliza

totala

L

Plop 0,26 21 44 42 45 16 8 13 71,5 21,81

Salcie 0,9 19 43,6 48,5 - 22,7 - 15 62,4 25,1

Celuloza

Celuloza este polimerul organic cel mai raspandit in natura , el constituind componenta principala a

membranei celulare din lumea vegetala.

Structura moleculara a celulozei

Prin structura se intelege geometria tridimensionala a moleculelei celulozice, adica modalitatea in care

atomii constituenti ai lantului polimer se dispun impreuna in spatiu.

Unitatea structurala fundamentala a celulozei este anhidro--D-glucopiranoza, lucru demonstrat prin

hidroliza totala a polimerului , din care rezulta peste 98% glucoza. Analiza elementara vadeste pentru

celuloza compozitia C 44,4%, H 6,26% ai O 49,4% , ceea ce corespunde formulei brute (C6H10O5)n

(n = gradul mediu de polimerizare).


30/48

Caracteristicile celulozei:

Celuloza este un polimer sterospecific sindiotactic.

Macromolecula celulozei contine , teoretic un singur tip de grupe functionale (gruparile OH alcoolice)

Conformatia verigii elementare piranozice este bine definita.

Dispozitia spatiala a grupelor OH este , de asemenea , riguros cunoscuta

Proprietatile finale ale celulozei sunt determinate de structura chimica a resturilor de glucoza

constituente, considerate la nivel molecular.

Lignina

Lignina reprezinta componentul aromatic principal al tesuturilor vegetale, aproape un sfert din

greutatea lemnului uscat consta din lignina depozitata in peretii celulari si in spatiile intercelulare.

Continutul de lignina la speciile de plop si salcie ajunge la circa 25 %.

Proprietatile fizico - chimice a ligninei

Se stie ca lignina reprezinta componentul chimic principal al lemnuli, constand prin natura sa singurul

polimer vegetal cu structura aromatica. Dat fiind faptul ca in cazul particular al plopului lignina se

situiaza intre limitele 17,40-23,2 % cunoasterea structurii sale fizico-chimice prezinta implicatii

teoretice cat si practice.

Solubilitatea preparatelor ligninice extrase din plop in diferiti solventi.

olvent Paramet

rul de

solubilit

ate

Capacitatea

legaturilor de

hidrogen

Lignina

Bjork-man Dioxan Sulfat

Eter etlic 7,40 0,20 - - -

Benzen 9,15 Mica - - -Cloroform 9,30 0,016 -

Nitrometan 12,30 0,040

Nitroetan 10,00 0,140

Piridina 10,7o 0,270 + + +

Dioxan 10,00 0,140 + + +

Acetona 10,00 0,140 - + +


31/48

Butanol 11,40 0,240 - -

Etanol 12,70 0,280 + +

Metanol 14,30 0,280

Apa 23,40 Mare - - -

Legenda : - insolubilitate

+ solubilitate totala

solubilitate partiala

Densitatea lemnului de plop

Determinandu-se valorile densitatii lemnului calculata la densitate de 12,15%, sau obtinut urmatoarele

valori pentru probele de lemn, prelevate la inaltimea de 1,30 m fata de nivelul solului.

Densitatea lemnului de plop

Denumire Densitate exprimata in g/cm cub

P.alba 0,468

P.nigra 0,410-0,448

P.tremula 0,474

P.robusta 0,447 P.cetate 0,358-0,449

P.celei 0,362-0,412

Compozitia chimica a lemnului de plop

Cercetarea literaturii de specialitate privind compozitia chimica a lemnului de plop evidentiaza , in

ansamblu , lucrari sporadice, fara preocupari sistematice. [ P.Lengiel , Papiripar, 8,189 1964 si

N.Levitin, Pulp and Paper Mag.Can.,71-81 1970]

Date detailate sunt date in tabelul nr.... privind constituentii chimici speciali separati din lemnul deplop de diverse specii. Astfel se constata ca cntinutul de celuloza variaza in limite foarte largi 43,47-

56,62 , fapt care afecteaza in egala masura proportiile corespunzatoare de lignina 17,5-24,2 % si

pentozane 14,90-24,49. asemenea variatii se explica pe de o parte prin influenta varstei arborelui, iar

pe de alta parte prin cota de poarticipare a lemnului de reactie. [P.N.Lange TAPPI, nr.9 1960 si F.N.

Tamelang si Fwangaard , TAPPI, nr 3. 1961].


32/48

Specia

Var

-sta

Eter

etilic

Alcool-

benzen

Apa

cal-

da

NaO

H 1%

Cenu-

sa

Celulo-

za

Pentoza-

ne

Lignina

P.serotina 10 - 2,32 - - 0,52 55,69 20,32 20,35

P.robusta 10 - 2,50 - - 0,66 56,62 20,66 21,22

P.tremula 42 - - - - - 46,50 - 21,22

P.marilan-

dica

23 - - - - - 46,50 - 23,60

P.alba - 0,80 - 3,18 - 1,62 48,72 24,49 20,30

P.robusta 10 - - - - - 52,87 18,44 19,92

P.regenera-

ta

10 - - - - - 52,42 19,72 20,86

P.nigra 2 - - - - - 43,47 21,41 19,87

P.balsamifi-

era

48 0,80 0,60 1,40 16,80 0,35 55,60 14,90 22,10

P.deltoides 50 0,40 1,00 1,00 17,40 0,59 50,30 16,10 21,90

P.tricocalta 29 0,70 0,70 1,4 16,90 0,40 52,80 15,30 21,40

P.robusta 5 - 2,67 10,5 29,49 0,41 51,16 16,74 23,29

Salcia

Salcia se dovedeste o specie capabila sa completeze impreuna cu plopul balanta de fibre. Dintre varietatile

principale de salcie mai reprezentative sunt Salcia alba si Salcia fragilius.

Compozitia chimica a Salcia alba din diferite regiuni

Componenti %

Salcia alba:

L=16m

= 0,18 m

Varsta 27 ani

Jud. Iasi

Salcia alba:

L = 12m

= 0,15 m

Varsta 16 ani

Jud. Galati

Cenusa 1,01 0,44

Extract cu:

Apa calda

NaOH

8,33

21,58

2,34

15,18


33/48

Eter etilic 1,71 1,00

Celuloza 46,16 53,66

Lignina 28,64 2,22

Pentozane 17,02 15,90

Usor hidrolizabile 15,70 12,69

Valoarea medie a umiditatii lemnului de salcie este de 23,5 %.

Materiale auxilizre.

Substante nutritive si factori de crestere.

La fabricarea bioetanolului este necesara adaugarea de substante nutritive care contin azot, fosfor,

magneziu, cat si factori de crestere pentru drojdie. Ca materii auxiliare se folosesc:

- Aidul sulfuric se utilizeaza pentru corectarea pH-ului, si la hidroliza cu acuizi diluati de lapretratarea materialului lignocelulozic. Acesta avand o concentratie de 96-98% nu se foloseste

concentrat ci facandu-se o dilutia ajungand la concentratia dorita.

- Acidul ascorbic se utilizeaza ca sursa de fosfor pentru reglarea plamezilor.- Inositolul stimuleaza cresterea drojdiilor, deficitul in inositol producand o slabire a

metabolismului glucozei atat in conditii aerobe cat si in conditii anaerobe.

-

Substante antispumante se utilizeaza pentru impiedicarea formarii spumei sau pentrudistrugerea spumei deja formate. Ca antispumant se utilizeaza acidul oleic, uleiul siliconic,

octadecanolul sau altele. Substantele antispumante trebuie sa fie inofensive pentru drojdie sau

chiar asimilabile, sa nu produca murdaria utilajelor tehnologice si sa nu influenteze negativ

asupra aspectului exterior.

- Apa, este folosita in cantitati mari atat ca apa tehnologica pentru diluarea acidului sulfuric saua plamezii dar si la spalarea utilajelor , cat si ca apa de racire a unor instalatii. Ea trebuie sa

indeplineasca conditiile unei ape potabile.

- Aerul tehnologic este folosit in pentru asigurarea necesarului de oxigen in cursul fermentariibiomasei, sau in cursul multiplicarii drojdiei.


34/48

Procese componente tehnologice

Mecanismul procesului

1 Depozitarea materialului lignocelulozic

Depozitarea plopului si salciei se face pe o suprafata de teren destinata stocarii temporare a lemnului

rezultat in urma recoltarii. Materialului lemnos se concentreaza sub forma de gramezi sau figuri

regulate care constituie depozitarea lemnului.

Amplasarea depozitelor se face pe terenuri plane, si se executa un numar sporit de operatii in vederea

transformarii arborelui colectat cu coroana sau sub forma de trunchiuri si catarge, in sortimente finite.

Centrul de sortare si preindustrializare a lemnului este o sectie de productie amplasata in incinta

fabricii de bioetanol in cazul nostru. Acest centru asigura conditii optime pentru o valorificare

superioara a intregii mase lemnoase, paralel cu o productivitate ridicata a muncii.

Pentru plop si salcie principalele lucrari tehnologice sunt: selectionarea lemnului rotund, despicarea si

corjirea lemnului iar sortimentele ce se obtin sunt stivuite si asezate ca atare.

Umiditatea lemnului proaspt tiat este de aproximativ 50%.

Lemnul trebuie depozitat n spaii acoperite i cu o aerisire bun pentru a nu se degrada. Lemnul va fi

aezat la o distan de cel puin 5 cm de la perete pentru a asigura circulaia aerului. n pivnie se

depoziteaz doar lemn uscat deoarece lemnul umed se sufoca. Lemnul depozitat cel puin un an n

spaii uscate i aerisite are o umiditate de 15-20% i acesta este lemnul semiuscat.

Lemnul uor cum ar fiplop alb, plop tremurtor i majoritatea speciilor de salcie are densitatea de

560-450 kg/m3.

Achiile de lemn se produc cu ajutorul mainilor de achiere. Trunchiurile i crengile se mrunesc.

Din triunchiurile masive, crengile tiate sau copacii tineri nu se obin achii de aceeai calitate de

aceea sunt necesare mai multe tipuri de maini de achiere. Calitatea achiilor depinde de umiditate, de

tipul lemnului i de calitatea procesului de achiere.

Umiditatea achiilor proaspete este de 50%. Achiile sunt depozitate n spaii acoperite i bine aerisire

pentru a preveni degadarea lor.

Calitatea achiilor depinde i de cantitatea de scoar, frunze i pmnt amestecat n timpul procesuluide achiere. Este important i dimensiunea egal a achiilor, de aceea se msoar cantitatea de praf a

achiilor i lungimea, date pe baza crora se mpart n categorii. [Bazele culturii exploatarii si

valorificarii lemnului , pag.225-230, Ghe. Zlate, Dietmer Brenndorfer ed. Ceres an 1985.]

2. Pretratamentul materialului lignocelulozic

Pretratamentul materialului lignocelulozic are drept scop dezorganizarea matricei de lignina si

hemiceluloza care formeaza un strat de protectie in jurul microfibrelor de celuloza, astfel incat

celuloza sa devina mai usor hidrolizata.Pretratamentul poate fi realizat prin urmatoarele metode:


35/48

-fizice: macinare , tratare cu abur

-chimice: tratare cu solventi ,tratare cu agenti de umflare

-microbiologice: consumarea ligninei cu ajutorul microorganismelor

Macinarea se face cu ajutorul morilor cu ciocanele, operatia afectand si cristalizarea celulozei. Prin

macinare se pot realiza suspensii cu concentratia de 20-30% care se supun hidrolizei.

Tratamentul cu abur implica folosirea aburului cu temperatura de 180-200 C, pentru 5-30 de

minute pe materialul lemnos sub forma de paiete. In timpul tratamentului termic se formeaza acizi prin

descompunerea hemicelelozei care contribuie la depolimerizarea hemicelulozei care contribuie la

depolimerizarea hemicelulozei si ligninei intacte. Procesul implica folosirea de material lemnos verde

cu o umiditate de aproximativ 50 %.

Tratamentul cu asubstante chimice implica folosirea de solutie alcalina de etilendiamina si oxid de

cadmiu , HCl, H2SO4 NaOH, KOH , H3PO4 ect. Aceste substante chimice (in solutie) distrug

matricea de lignina si elibereaza celuloza si in acelasi timp distrug si structura cristalina a celulozei

native.

Agentii de umflare(hidratare) sunt repartizati de solutia concentrata de NaOH , baze organice (amine)

si sarurile metalelor care ar fi SnCl4. agentii de umflare produc o hidratare a matricei si faciliteaza

accesul de fibrile. In cazul folosirii agentilor de umflare materialul lignoceluiozic trebuie sa fie de o

concentratie de 4,5 %.

Folosirea de microorganisme care degradeaza lignina. Microorganismele care produc enzime ce

degradeaza lignina sunt bacterii si fungi rosii de copaci , cel mai studiat fiind Phanerochaete

chrysosporium.[bioalcoolul carburantul viitorului pag.94 de C.Banu ed.agir 2006]

3. Hidroliza enzimatica a materialului lignocelulozic

Hidroliza materialului lignocelulozic se poate face pe cale :

-acida , folosind acid sulfuric concentrat sau diluat

-enzimatica , folosind enzime celulolitice (celulaza si hemicelulaza)

Hidroliza acida cu acid sulfuric diluat, necesita temperaturi ridicate de hidroliza, in schimb, hidrolizaacida cu acid sulfuric concentrat se poate face la temperaturi mai scazute( 45 C ).

Pe baza hidrolizei cu acid sulfuric functioneaza mai multe procedee care au fost prezentate mai sus dar

eu am ales:

3.1. Hidroliza acida

3.1.1Procedeul Inventa AG

ProcedeulInventa AG se aplica la hidroliza lemnului cu esenta moale cum este plopul si salcia, care

se hidrolizeaza cu acid diluat.


36/48

Acest procedeu foloseste acid sulfuric diluat la concentratia de 0,6% in greutate, materialul

lignocelulozic fiind maruntit. Hidroliza se face intr-un reactor (1) care lucreaza sub presiune de 10

atm. si la temperatura de 140-180C, cu un timp de reactie de 40-60 de minute pentru hemiceluloza si

150-170 de minute pentru celuloza.

Raportul solid lichid este de 1:10. Se hidrolizeasa atat hemiceluloza cat si celuloza din paiete

lemnoase, produsele in functie de degradare fiind xiloza si glucoza. Solutia acida continand glucidele

fermentascibile, este adusa in colectorul racitor (2) , de unde ies de la partea superioara vaporii de

furfural care sunt condensati intr-un racitor (3) , iar pe la partea inferioara iese solutia, glucidica cu o

concentratie de 3-4 % zahar fermentabil care se neutralizeaza in vasul cu agitator (4), unde se aduce

carbonat de calciu. Solutia neutralizata trece in filtrul (5), unde se separa de sulfatul de calciu format ,

iar solutia este trimisa la un racitor flash (6), de unde iarasi se separa furfural care este in stare de

vapori si se condenseaza intr-un racitor (3), lichidul fiind trimis in instalatia de fermentare-distilare-

rectificare in coloana azeotropica , obtinandu-se alcool carbonat.

Se obtin 240 litri etanol /tona de lemn. Reziduul nefermentat se prelucreaza anaerob la biogaz care se

arde pentru obtinerea gazului suplimentar.[bioalcoolul combustibilul viitorului pag.126, coordonator

Constantin Banu, ed. Agir an 2006]

Fig. Nr...Schema de principiu a instalatiei de functionare dupa Procedeul Inventa AG

.


37/48

4. FERMENTAREA

Inainte de fermentarea si zaharificarea propriuzisa mai au loc o serie de procedee cum ar fi:

- pregatirea drojdiei pentru fermentare- procesul de fermentare propriuzis.

4.1 Pregatirea drojdiei pentru fermentare

Pentru fermentarea plamezii lignocelulozice se poate folosi drojdia uscata.

Avantajele drojdiei uscate se refera la:

- pornire rapila a fermentatiei alcoolice,- randament mare de transformare a zaharurilor in alcool etilic,- fermentatia alcoolica se desfasoara in conditii reproductibile, in cazul respectarii celorlalti

factori cum ar fi:

- calitatea plamezii,- parametrii de fermentare.

Se urmareste sa se foloseasca drojdie uscata speciala pentru spirt,adica avand putere alcooligena mare

9,7-11,2% alcooletilic volumic si toleranta mare la alcool etilic 12-15% alcool etilic volumic.

Doza de utilizare a drojdiei uscate este in functie de numarul de celule viabile/g, fiind de maxim

40g/hl plamasa pentru drojdia cu (20-25)*10 la putere a noua celule viabile/g si pana la 100g/hl

pentriu drojdia cu 6*10 la puterea a opta celule viabile/g.

Pentru fermentarea plamezilor, se foloseste drojdie uscata Saccharomyces cerevisiae, sub denumirea

de SAF Distil-B-28.

Drojdia uscata se caracterizeaza prin:

- sunstanta uscata: 94-96%- azot raportat la sunstanta uscata :5-7%- P2O5 raportat la substanta uscata 1-3%-

Celule vii:6*10 la puterea a opta- Microorganisme patogene lipsa/g- NTG


38/48

- rehidratarea drojdiei: 3kg drojdie uscata se suspenda in 30 l apa sterila sau plamada dulceneformolizata raport 1/10 si se lasa la temperatura camerei de 25-30 C /60 minute , perioada

in care se barboteaza aer steril in 3-4 reprize a cate 2-4 minute repriza.

- In doua vase de propragare I si II se introduc cate 3m cubi plamada neformolizata si secorecteaza pH-ul la 3,2-3,5 cu acid sulfuric sau HCl si apoi se introduce crema de drojdie

rehidratara rezultata in prima etapa. Se lasa la fermentare multiplicare 24 de h, timp in care

se barboteaza aer steril. Temperatura de multiplicare este de 32-33 C.

- Cantitatea de plamada fermentata cu vasele I si II se transvazeaza in linurile de fermentare de10-15 merti cubi fiecare, la care de adauga 300 g drojdie uscata din motivele mentionate

anterior. Din linul de fermentare se ia volum plamada si se trece in linul pentru egalizare.

Plamada din linurile A B C se fermenteaza 48-72 h la 34-35 C , conform schemei prezentate

in figura de mai jos. .[bioalcoolul combustibilul viitorului pag.133-134, coordonator

Constantin Banu, ed. Agir an 2006]

Schema tehnologica de prelucrare a drojdiei uscate


39/48

Caracteristici :

Vas de rehidratare drojdie uscata.

Raport dilutie: - 1:10

Temperatura: - 25-30C

Durata = 60 minute

Barbotare aer steril 3-4 reprize a cate 2-4 minute

Vas de propagare I si II

I

Se introduce plamada dulce si se face corectia pH pana la 3,2-3,5, se introduce crema de drojdie care

este tinuta la multiplicat 24 h la o temperatura de 32-33C.

A,B,C sunt linuri de fermentare

In linul A si B se face transvazarea din vasul de propagare I in A si II in B

unde are loc o fermentare alcoolica la o temperatura cuprinsa intre 34-35 C

pe o durata de 48-72 h.

In linul de fermentare C se face egalizare din linul B = C unde are loc o

fermentare alcoolica la temperatura de 34-35 C pe o durata de 48-72 h.

4.2 Fermentarea

Fermentarea este procesul central din intreaga instalatie de obtinere a bioetanolului deoarece ea

dicteaza concentratia in zahar a mediului defermentare, precum si concentratia de etanol si celule

microbiene, impunand astfel concentratiile si fluxurile majore pentru intreaga instalatie.[bioalcoolul

combustibilul viitorului pag.137, coordonator Constantin Banu, ed. Agir an 2006]

II

A,B,C


40/48

Cinetica dezvoltarii populatiei microbiene

Ea urmareste evolutia in timp a mai multor parametri care definesc cresterea microbiana.

Fenomenul de crestere celulara comporta mai multe faze cum ar fi:

Faza de latenta care incepe imediat dupa insamantarea microorganismului in mediul de cultura si

prezinta o perioada de adaptare in cursul careia celula sintetizeaza enzimele necesare pentru

metabolizarea substratului prezent. In cursul acestei faze are loc reproducerea celulara.

Durata acestei faze variaza cu cantitatea de inocul folosit pentru insamantare, varsta celulelor si starea

lor fiziologica si biochimica.

Faza de pornire demareaza cu cresterea in volum a celulelor ceea ce declanseaza procesul de

reproducere celulara. Concentratia in biomasa creste lent la inceput, dupa care procesul este din ce in

ce mai rapid. Viteza de reproducere creste, si in acelasi timp creste si de asemenea, viteza specifica de

crestere. Pentru drojdii, timpul minim al unei generatii este cuprins intre 1,5 si 2 ore.

Faza de incetinire a cresterii are loc ca urmare a epuizarii treptate a nutrientilor, a reducerii

concentratiei in oxigen si acumularii de compusi de catabolism ce poate avea efect inhibitor asupra

celulelor.

Faza stationara de crestere se instaleaza atunci cand se atinge valoarea sa maxima. In acest moment

se stabileste un echilibru intre numarul de celule care se formeaza prin reproducere si cel al celulelor

care se autolizeaza. Cantitatea de biomasa poate ramane constanta, desi structura biochimica a

celulelor sufera modificari.

Faza de descrestere se caracterizeaza prin diminuarea numarului de celule viabile din cauza

mortalitatii, a carei rata creste progresiv. Concentratia in biomasa descreste ca urmare a autolizei sub

actiunea enzimelor proprii. O serie de factori subsceptibili pentru modificarea cresterii microbiene

sunt:

- concentratia in substrat fermentescibil- componenti necesari pentru crestere- temperatura-

pH-ul- concentratia oxigenului dizolvat.-

Cinetica producerii etanolului

Etanolul fiind un rezultat al metabolismului celulelor de drojdii. In fermentatia etanolica cresterea

celulara si producerea etanolului sunt concomitente.

Pe cale anaeroba, hexozele (glucoza, fructoza, galactoza) sunt convertite in etanol si CO2


41/48

Reactia globala produce 2 moli de etanol si 2 moli de CO2 din fiecare mol de hexoza consumata, cu o

energie de reactie depozitata sub forma de 2 moli de ATP, care sunt utilizati pentru biosinteza si

mentinerea activitatii vitale a microorganismelor:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2+energie

Pe aceasta cale metabolica, fiecare gram de glucoza este invertit la etanol cu un randament de 0,511 g.

Reactiile pentru formarea de biomasa si a produsilor secundari consuma o mica parte din glucoza,

astfel in Pasteur a gasit ca randamentul de obtinere a etanolului la fermentare cu drojdii este de 95%

din maximul teoretic.

Randamente optime la fermentatia etanolica cu drojdii

Produsul Randamentul g/100g glucoza

Etanol 48,4

Dioxid de carbon 46,6

Glicerol 3,3

Acid sulfuric 0,6

Masa celulara 1,2

Factorii care influenteaza fermentatia alcoolica

Efectul concentratiei in zahar.

Viteza de producere a etanolului este corelata cu concentratia in zahar disponibila.

La o concentratie foarte mica a substratului sub 3g/l drojdia moare prin inanitie, iar productivitatea

scade. La concentratii mai mari se atinge limita de saturatie, astfel incat viteza specifica de producere a

etanolului de catre celule atinge o valoare maxima la o concentratie a zaharului de 150 g/l. Peste

aceasta valoare inhibitia catabolica a enzimelor drojdiilor pe calea metabolica fermentativa conduce la

scaderea vitezei de conversie.Efectul etanolului.

Etanolul este toxic pentru drojdii, de aceea toleranta mare la etanol este o caracteristica dorita la

selectarea tulpinilor industriale. Efectul inhibitor al etanolului este in general neglijabil la concentratii

in etanol mai mici de 20g/l, dar pentru majoritatea tulpinelor, producerea de etanol si cresterea celulara

se opresc complet la aproximativ 110 g etanol/l.

Inhibitia prin etanol este corelata direct cu inhibarea si denaturarea enzimelor glicolitice importante,

precum si cu modificarea membranei celulare.

Efectul oxigenului.


42/48

Este importanta evitarea unui metabolism aerob in proportie mare, deoarece se utilizeaza substratul

zaharat fara producere de alcool. Cantitati mici de oxigen pot stimula mai bine fermentatia. Oxigenul

este necesar in cresterea drojdiilor pentru biosinteza acizilor grasi polinesaturati si a lipidelor necesare

in mitocondrii si in membrane plasmatice. O cantitate mica de oxigen circa 0,7 mm Hg presiune de

oxigen sunt necesare si nu promoveaza metabolismul aerobic.

Efectul pH-ului.

Viteza de fermentatie este sensibila la pH, dar majoritatea drojdiilor de distilerie prezinta un pH optim

intre 4 si 6. majoritatea drjdiilor pot tolera expunerea la solutii acide la pH=2 fara distrugerea lor.

Efectul temperaturii.

Toleranta temperaturii inalte este o caracteristica dorita pentru selectarea drojdiilor , majoritatea avand

o temperatura optima de crestere de 30...35. temperatura optima de fermentare la concentratii mici de

alcool este adesea ceva mai mare , pana la 38C, dar toleranta la alcool este imbunatatita la temperaturi

reduse.

Necesarul de nutrienti aditionali.

Nutrientii sunt folositi pentru cresterea si mentinerea activitatii celulare. Pentru preparatele din

material lignocelulozic sunt neutralizate cu lapte de var si suplimentate cu hidroxid de amoniu sau uree

in proportie de 0,01-0,06 kg/100l plamada.[ maiorella 1985]

Inhibitia prin compusi secundari.

Cresterea drojdiei si producerea etanolului pot fi inhibate de catre subprodusii de fermentatie sau de

catre componentii nemetabolizati din plamada de alimentare. Acetatii si lactatii sunt cei mai importanti

subprodusi de fermentatie care au efect inhibitor. Lesiile sulfitice pot contine cantitati mari de acid

sulfuros si de furfural. [Bioalcoolul combustibilul viitorului pag.1137-143, coordonator Constantin

Banu, ed. Agir an 2006]

Fermentarea discontinua cu alimentare

Procedeul FED-BATCH

Ea poate fi considerata ca o combinare a acoperiirii pe sarje cu cea continua, este un procedeu foarte

frecvent utilizat in industria etanolului. In acest procedeu, solutia de alimentare, care contine substratul

fermentescibil, cultura de drojdie, minerale, si minerale si vitaminele necesare, este alimentata la

intervale constante, in timp ce efluentul este indepartat discontinuu din bioreactor.

Avantajul principal al sistemului de fermentare discontinua cu alimentare este acela ca sunt prevenite

inhibitia prin substrat sau represia catabolica prin alimentare intermitenta a substratului. Daca

substratul are un efect inhibitor, alimentarea intermitenta a acestuia imbunatateste productitateafermentarii prin mentinerea unei concentratiei mici de substrat.


43/48

Pornirea fermentarii discontinue cu alimentare este similara cu pornirea fermentarii pe sarje. Ulterior

substratul este alimentat in bioreactor intr-o maniera specificata, dupa ce substratul limitat pentru

crestere, care a existat la inceputul procesului, in general sursa de carbon, a fost consumat.

Concentratia substratului trebuie mentinuta constanta in bioreactor in timp ce se face alimentarea. In

acest mod, inhibitia prin substrat poate fi mentinuta la un nivel minim prin adaugarea de substrat cu

aceeasi rata cu care el este consumat. Alimentarea poate fi controlata prin masura concentratiei

substratului. Cand aceasta nu poate fi masurata direct, rata de consum a substratului poate fi calculata

din alti parametri masurabili, ca de exemplu viteza de producere a dioxidului de carbon .

Procesul continua pana cand un alt nutrient devine limitativ si sau se atinge concentratia inhibitorie a

produsului.

Avantajele procesuli constau in:

- obtinerea unui randament mai mare in etanol, deoarece este posibil un timp de cultivare binestabilit, bioreactorul operand in sistem discontinuu atata timp cat este necesara cresterea

drojdiilor.

- nivel ridicat de flexibilitate.

Distilarea

Distilarea se defineste ca fiind operatia unitara de transfer termic si de masa care are drept scop

separarea componentilor unui sistem multicomponent lichid pe baza diferentelor dintre temperaturile

de fierbere ale constituentilor. Aceste diferente de temperatura au drept consecinta presiuni de vapori

diferite specifice fiecarui constituent.

In timpul fermentatiei alcoolice se formeaza ca produse principale alcoolul etilc si dioxidul de carbon,

iar ca produse secundare alcooli superiori, acizi organici, eter, aldehide, si alti compusi organici. De

asemenea plamada fermentata mai contine drojdii si eventual microorganisme de contaminare.

Concentratia alcoolica variaza intre 6 si 12 %.

Distilarea se realizeaza prin incalzirea pana la fierberea biomasei fermentate in instalatii speciale, princare alcoolul etilic si alti componenti volatili trec in faza de vapori si sunt apoi condensati prin racire

cu apa.

Pentru a se intelege mai bine procesul de separare a alcoolului din plamada prin distilare se poate

asimila plamada fermentata cu un amestec binar miscibil format din alcool etilic si apa , avand o

concentratie alcoolica egala cu a biomasei fermentate.

Separarea alcoolului etilic se bazeaza pe diferenta de volatilitate dintre aceasta si apa . alcoolul atilic

este mai volatil decat apa , avand o temperatura de fierbere de 78,39 C, in timp ce temperatura de

fierbere a apei este de 100 C, la presiunea atmosferica.


44/48

Pentru a obtine un produs cu un continut ridicat in alcool sunt necesare distilari repetate si odata cu

cresterea continutului in alcool al lichidului supus distilarii se realizeaza o concentratie din ce in ce

mai redusa pana in momentul in care se ajunge la asa numitul punct azeotropic. Pentru amestecul de

alcool etilic si apa acest punct corespunde unei concentratii de 97,17% vol sau 95,57 % masic.

In afara celor doua produse in distilat mai trec si alte substante volatile continute, cum ar fi aldehide,

esteri, alcooli superiori, acizi volatili, alcool metilic.

Componentii principali ai acestor amestecuri sunt :alcoolul etilic si apa.

La obtinerea etanolului din biomasa, separarea acesteia din masa de fermentatie este principala

operatie consumatoare de energie.

Reziduul fara alcool rezultat de la distilare este denumit borhot.

Instalatii de distilare.

Operatia de distilare se realizeaza in instalatii cu functionare continuua in care procesul fizic care are

loc este urmatorul:

- Biomasa fermentata preincalzita este introdusa pe la partea superioara a unei coloane deplamada prevazuta cu talere cu clopote si se scurge prin coloana cu viteza constanta in

contracurent cu aburul care se introduce pe la baza coloanei.

- Pe masura ce urca in coloana vaporii se imbogatesc treptat in alcool, prin vaporizari repetatede component volatil si condensarile repetate de component mai putin volatil(apa ) rezultand

pe la partea superioara a coloanei de plamada vaporii alcoolici cu concentratia in alcool in

echilibru cu cea a plamezii fermentate, care sunt concentrati suplimentar pana la taria necesara

a alcoolului brut intr- coloana de condensare.:

- Prin scurgerea plamezii de pe un taler pe altul se realizeaza epuizarea treptate a plamezii inalcool, rezultand pe la baza coloanei un reziduu dezalcoolizat- borhotul.

In lucrarea de fata se foloseste o instalatie de distilare cu o singura coloana iar procesul de rectificare

se foloseste o instalatie de rectificare cu trei coloane.

Instalatia de distilare cu o singura coloana

Instalatia are urmatoarele parti componente:

- O coloana formata din doua zone, cea de sus (5) pentru concentrare, si cea de jos (2) pentruepuizare, deflegmatorul (7) cu doua schimbatoare de caldura cu tevi orizontale, racitorul de

etanol (8) de tip combinat. Partea de sus este de tip schimbator multitubular si serveste pentru

condensarea vaporilor de apa- atanol ce vin din deflegmentator, iar cea de jos este de tip

serpentina, pentru racirea condensului. Instalatia mai are un sir de depozite auxiliare.

Functionarea instalatiei:


45/48

Amestecul de distilat trece prin tevile deflegmentatorului , unde se incalzeste pe baza caldurii cedate

de vaporii condensati in deflegmentator. Amestecul incalzit trece prin fereastra de examinare(10) ,

ajungand la partea de sus a coloanei de distilare.

Vaporii de incalzire sunt introdusi pe la partea de jos a coloanei de distilare. Cantitatea de abur se

regenereaza cu ajutorul regulatorului manomeric. Amestecul de sistilat epuizat este evacuat din

instalatie prin regulatorul de borhot (1). Pentru a urmari continutul de etanol in borhotul eliberat se

instaleaza un racitor de proba (5),

Vaporii din coloana de distilat ajund in partea de sus a coloanei in zona de imbogatire in etanol. Pe

talerele acestei zone se obtine cresterea continutului de etano.vaporii sunt evacuati si ajung in

deflegmentator.

Reflixul format se recircula, fiind introdus pe talerul de sus al coloanei de etanol, iar vaporii

necondensati in deflegmentator , trec in racitor, unde condenseaza si se racesc formand etanolul brut.

Etanolul brut trece prin filtrul (8) si curge in acumulatorul (9). Pentru a preveni formarea vidului in

instalatie se prevede o inchidere hidraulica.

1-regulator de plamada

2- coloana de amestec3- colector de lichid


46/48

4- racitor de proba

5- coloana de etanol

6- siguranta hidraulica

7- deflegmator cu doua schimbatoare de caldura

8- racitor combinet

9- filtru pentru etanol

10- lanterna pentru etanol

11- lanterna pentru amestec

Instalatii de rectificare

Instalatiile de rectificare a etanolului sunt instalatii complexe, larg utilizate in industria etanolului si a

derivatelor sale.din punct de vedere functional, instalatiile de rectificare se impart in doua grupe:

- instalatii cu functionare continua- instalatii cu functionare discontinua sau in sarje.

In functie de numarul de coloane se deosebesc:

- Instalatii cu o singura coloana,- Instalatii cu doua coloane- Instalatii cu trei coloane- Instalatii cu mai multe coloane.

Numarul de coloane reprezinta indirect un indicator de calitate, in sensul ca prin cresterea numarului

de coloane anumite functii ale procesului de fabricatie sunt clar separate de tipul de coloana.

Instalatia de rectificare cu trei coloane

Etanolul brut trece prin filtru , trece in regulatorul de nivel si de aici in incalzitor. Se incalzeste cu a[pa

fierbinte de luter, ce provine din zona de fierbere a coloanei de rectificare, apoi se amesteca inaintea de

intrarea in coloana de rectificare cu apa de luter, care este recirculata cu ajutorul unei pompe si stocata

in rezervor.Din coloana de epurare, vaporii care contin produse de frunte ajung in condensatorul primar si apoi in

racitor. O parte din condensat se reintroduce in coloana cu reflux. Restul este directionat spre racitorul

multiplu de unde produsele de frunte trec prin lanterna si ajung in rezervorul de etanol. Epuratul in

partea de jos a coloanei de epurare ajunge in talerul de sus al zonei de fierbere a coloanei de

rectificare.

Apa de luter din zona de fierbere se trece prin incalzitorul de etanol brut. Etanolul standard in stare

lichida se colecteaza de pe talerele de sus ale coloanei de rectificare. Apoi el este condensat in racitor

de unde trece in felinar.


47/48

Coloana de rectificare are un racitor primar ce contine produse de frunte, se reintoarce in coloana de

epurare.

Impuritatile in stare lichida provenind din coloana de rectificare trece prin felinar in coloana auxiliara

de fuzel. Destinatia acestei coloane consta in concentrarea impuritatilor si inlaturarea lor.

Din punct de vedere functional, coloana de fuzel este asemanatoare cu cea de rectificare, fiind formata

din aceleasi zone: de fierbere, de concentrare si blaz. Rolul ei este acela de separare si concentrare a

impuritatilor continute de etanolul brut.

Documents

Obtinerea Bioetanolului Din Deseuri Lemnoase