ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ Παύλος Χριστακόπουλος
ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΧΗΜ. ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ορισμός: Εφαρμογή των βιολογικών οργανισμών, συστημάτων σηά και διαδικασιών στις βιομηχανίες παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών
Τεχνικές διεργασίες Βιομάζα Βιομόρια Οργ. μόρια Ανοργ. μόρια
ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Κάθε καύσιμο που παράγεται από την βιομάζα ΒΙΟΜΑΖΑ Κάθε οργανική ύλη που παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς
ΤΥΠΟΙ ΒΙΟΜΑΖΑΣ οι υπολειμματικές μορφές και η βιομάζα που παράγεται από ενεργειακές καλλιέργειες
ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Αγροτικά υπολείμματα (άχυρα, κλαδέματα κ.ά.). ) Δασικά υπολείμματα (υλοτομία, καθαρισμοί). Υπολείμματα γεωργικών/δασικών βιομηχανιών (πυρηνόξυλο, πριονίδια, απόβλητα τυροκομείου κ.ά.). Απόβλητα κτηνοτροφίας (κοπριές, απόβλητα σφαγείων). Αστικά απόβλητα. Οργανικό κλάσμα απορριμμάτων.
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ Παραδοσιακές καλλιέργειες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή βιοκαυσίμων/ενέργειας (π.χ. τεύτλα, σιτάρι, ηλίανθος, ευκάλυπτος). ) Φυτά που δεν καλλιεργούνται, προς το παρόν, εμπορικά και το τελικό προϊόν τους προορίζεται για την παραγωγή βιοκαυσίμων/ενέργειας (π.χ. σόργο, ελαιοκράμβη, κενάφ).
ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ
ΕΙΔΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ Προκατεργασία Εκχύλιση Υδρόλυση Αεριοποίηση Καθαρισμός Εστεροποίηση Απόσταξη Αφυδάτωση ΚΑΘΑΡΑ ΕΛΑΙΑ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗ ΕΤΒΕ ΜΤΒΕ
Ο κυριότερος ρ μονοσακχαρίτης Η σπουδαιότερη πηγή άνθρακα του κυττάρου Σημαντική από βιολογική άποψη είναι η τοποθέτηση του ΟΗ στις α και β θέσεις του C-1 α-d-γλυκόζη
ΕΙΝΑΙ ΟΛΙΓΟΜΕΡΗ ΜΟΝΟΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΤΟΣΑ ΜΟΝΟΜΕΡΗ ΟΣΑ ΗΛΩΝΕΙ Η ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΤΟΥΣ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΤΟΣΑ ΜΟΝΟΜΕΡΗ ΟΣΑ ΗΛΩΝΕΙ Η ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΤΟΥΣ ΤΟ ΟΗ ΤΗΣ C-1 ΘΕΣΗΣ ΑΝΤΙ ΡΑ ΜΕ ΤΟ ΟΗ ΤΗΣ C-4 ΘΕΣΗΣ ΜΕ ΑΠΟΣΠΑΣΗ ΕΝΟΣ ΜΟΡΙΟΥ H 2 O (π.χ. μαλτόζη, σακχαρόζη, λακτόζη)
ΕΙΝΑΙ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΟΝΟΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΧΩΡΙΖΟΝΤΑΙ ΣΕ ΟΜΟΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ ΚΑΙ ΕΤΕΡΟΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ ΤΑ ΜΟΝΟΜΕΡΗ ΕΝΩΝΟΝΤΑΙ ΜΕ ΙΑΦΟΡΟΥΣ ΓΛΥΚΟΖΙΤΙΚΟΥΣ ΕΣΜΟΥΣ ΣΠΟΥ ΑΙΟΤΕΡΟΙ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΕΞΗΣ: ΑΜΥΛΟ ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΧΙΤΙΝΗ
Αμυλόζη
Αμυλοπηκτίνη η
Κυτταρίνη
ΛΟΓΟΙ ΠΟΥ ΕΠΙΒΑΛΛΟΥΝ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟ ΝΤΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤ ΩΝ ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΗΣ ΕΞΑΡΤΙΣΗΣ ΒΙΟ- ΑΙΘΑΝΟ ΛΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙ ΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ
1) ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Α) ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΑΕΡΙΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΛΟΥΝ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (Σχετίζονται με την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του καυσίμου)
1366 watt/m 2
Τα τελευταία χρόνια, καταγράφεται μία αύξηση στη συγκέντρωση αρκετών αερίων του θερμοκηπίου, ενώ ειδικότερα στην περίπτωση του διοξειδίου του άνθρακα, οι εκπομπές του οποίου αυξήθηκαν σε ποσοστό 80% το διάστημα 1970-2004. Τα τρία τέταρτα της ανθρωπογενούς παραγωγής διοξειδίου του άνθρακα, οφείλεται σε χρήση ορυκτών καυσίμων, ενώ το υπόλοιπο μέρος προέρχεται από αλλαγές που συντελούνται στο έδαφος, κυρίως μέσω της αποψίλωσης των δασών.
N. Lewis, Caltech Aτμοσφαιρικό CO 2 αυξάνει επικίνδυνα
Υπολογισμός αύξησης της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας λόγω της συσσώρευσης του CO 2 Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της Γης αυξάνονται κατά μέσο όρο κατά 0,17 βαθμούς Κελσίου ανά δεκαετία, www.metoffice.com/research/hadleycenter
N. Lewis Caltech Η απελευθέρωση CO 2 αυξάνει με το κατά κεφαλήν ΑΕΠ
Αποτελέσματα στις βροχοπτώσεις www.metoffice.com/research/hadleycenter
Τα αποτελέσματα διατηρούνται για 1000+ χρόνια
Στη διάρκεια των επόμενων είκοσι ετών, εκατοντάδες εκατομμύρια άνθρωποι δεν θα έχουν αρκετό νερό για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες τους. Μεταξύ αυτών θα είναι Αφρικανοί και Λατινοαμερικανοί. Από το 2050, περισσότεροι από ένα δισεκατομμύριο άνθρωποι θα αντιμετωπίσουν παρόμοιο πρόβλημα στην Ασία. Από το 2080, η έλλειψη νερού θα αναγκάσει σε μετανάστευση 1,1 έως 3,2 δισεκατομμύρια ανθρώπους. Οι θάνατοι στα φτωχά στρώματα του πληθυσμού από ασθένειες που θα σχετίζονται με την υπερθέρμανση του πλανήτη όπως διάρροια και υποσιτισμός, θα αυξηθούν από το 2030, ενώ η ελονοσία και ο δάγκειος πυρετός πιθανότατα να γνωρίσουν έξαρση. Οι μικροί παγετώνες της Ευρώπης θα εξαφανισθούν, ενώ πολλοί από τους μεγάλους θα συρρικνωθούν δραματικά, έως το 2050. Το 50% της χλωρίδας της Ευρώπης θα κινδυνεύσει με εξαφάνιση ή θα αφανισθεί ως το 2100.
Περίπου 100 εκατομμύρια άνθρωποι θα μένουν κάθε χρόνο άστεγοι λόγω των πλημμυρών από το 2080 και μετά. Περίπου 200 ως 600 εκατομμύρια άνθρωποι θα βρεθούν αντιμέτωποι με το φάσμα της πείνας ως τα τέλη του 21ου αιώνα. Το νέφος στις πόλεις θα διογκωθεί και οι θάνατοι που θα σχετίζονται με την τρύπα του όζοντος θα αυξηθούν κατά 4,5% στα μέσα της δεκαετίας του 2050 σε σχέση με τα επίπεδα της δεκαετίας του 1990. Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της επιφάνειας του πλανήτη επηρεάζει σημαντικά το κλίμα. Προβλέπεται πως οι θερμές περίοδοι του έτους θα είναι ξηρότερες στις περισσότερες ηπειρωτικές περιοχές μέσου γεωγραφικού πλάτους, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η συχνότητα των φαινομένων ξηρασίας και της υποβάθμισης του εδάφους. Περισσότερα από 3 δισ. εκατ. εκτάρια εύφορων και γόνιμων εδαφών ανά τον κόσμο έχουν υποστεί καταστροφική υποβάθμιση. Οι χώρες που απειλούνται περισσότερο από την ερημoπoίnση βρίσκονται στην υποσαχάρια Αφρική, την Κεντρική Ασία και την Ευρώπη, μεταξύ αυτών και η Ελλάδα.
Πρωτόκολλο του Κιότο (1997) (Σε( ισχύ από τις 16 Φεβρουαρίου ρ 2005) Στόχος του να μειωθούν στα αναπτυγμένα κράτη οι εκπομπές των αερίων που προκαλούν τις κλιματικές αλλαγές κατά 5,2% μεταξύ 2008-2012 (ως προς τα επίπεδα εκπομπών του 1990).
Συνδιάσκεψη στο Μπαλί (2007) Κατέληξε σε «Οδικό Χάρτη» που προβλέπει διαπραγματεύσεις δύο χρόνων,, που θα ολοκληρωθούν στην Κοπεγχάγη το 2009 με τη συμφωνία που θα εφαρμοστεί από το 2013 για τη μείωση των παγκόσμιων εκπομπών.
απουσιάζει κάθε αναφορά σε συγκεκριμένες δεσμεύσεις ή στόχους για τη μείωση των εκπομπών κατά 25-40% το 2020, όπως επεδίωκε η ΕΕ, ή κατά 60-80% ως το 2050.
Αναγνωρίζει- τουλάχιστον στα λόγια- πως απαιτούνται σημαντικές μειώσεις στις εκπομπές και πως οι ανεπτυγμένες χώρες πρέπει να αναλάβουν κατάλληλες δεσμεύσεις και αντίστοιχες δράσεις οι αναπτυσσόμενες Συμφώνησε να υπάρξουν κίνητρα και πόροι για τη μείωση της καταστροφής των δασών Καλεί σε επείγουσα συνεργασία για την εφαρμογή μέτρων προστασίας στις φτωχότερες χώρες από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής Ανακοινώνει ότι θα παράσχει κίνητρα ηρ για την μεταφορά καθαρής τεχνολογίας προς τις αναπτυσσόμενες χώρες Δεσμεύεται πως οι διαπραγματεύσεις θα έχουν ολοκληρωθεί στην συνάντηση κορυφής στην Κοπεγχάγη το 2009
Περιστολή της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα με τη χρήση βιοκαυσίμων σαν καύσιμα μεταφοράς
Τα βιοκαύσιμα κατά την καύση τους απελευθερώνουν άνθρακα που έχει δεσμευτεί με τη διεργασία της φωτοσύνθεσης κατά την διάρκεια της ετήσιας ανάπτυξης της βιομάζας
Τα ορυκτά καύσιμα απελευθερώνουν κατά την καύση τους άνθρακα που έχει δεσμευτεί εκατομμύρια χρόνια πρίν
Συντελεστής ορυκτής ενέργειας (ΣΟΕ) ορίζεται ως ο λόγος της ενέργειας που περιέχεται στο παραγόμενο καύσιμο (εκροή) ρ προς την ενέργεια που προέρχεται από ορυκτά καύσιμα και χρησιμοποιείται για την παραγωγή του καυσίμου (εισροή).
Ο ΣΟΕ για την βενζίνη και το πετρέλαιο ντήζελ είναι 0.8, για την αιθανόλη από καλαμπόκι είναι 136 1.36, για την αιθανόλη από σιτάρι και σακχαρότευτλα είναι 2, για την αιθανόλη από γλυκύ σόργο είναι 22 2.2, για βιοντήζελ από ελαιοκράμβη είναι 2.5, για βιοντήζελ από σόγια είναι 3, για την αιθανόλη από σακχαροκάλαμο είναι 8, για βιοντήζελ από φοινικέλαιο είναι 9 και για αιθανόλη από λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα είναι από 2 έως 36 ανάλογα με την μέθοδο παραγωγής.
ΕΚΠΟΜΠΕΣ CO 2 ΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΟΔΟΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ
ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Β) ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΑΕΡΙΩΝ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ
Το πετρελαϊκό ντίζελ και η βενζίνη αποτελούνται από εκατοντάδες διαφορετικούς υδρογονάνθρακες. Τοξικοί πτητικοί υδρογονάνθρακες που απελευθερώνονται κατά την διάρκεια της καύσης τους: βενζόλιο, τολουόλιο, ξυλένιο. Άλλες τοξικές ενώσεις που απελευθερώνονται: CO, N x O ψ, S x O Ψ και αιωρούμενα σωματίδια
2) ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ
ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΤΙΜΗΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ
Στην Ελλάδα, με νόμο που ψηφίστηκε το Νοέμβριο του 2005 (ν. 3423/2005) εναρμονίζεται η Εθνική Νομοθεσία προς την Κοινοτική Οδηγία. Τα βασικότερα σημεία του νόμου είναι: Ο καθορισμός της συμμετοχής των βιοκαυσίμων και των άλλων ανανεώσιμων καυσίμων στην ελληνική αγορά σε ποσοστό 5,75% του συνόλου της βενζίνης και του πετρελαίου που καταναλώνονται στον τομέα μεταφορών έως την 31η Δεκεμβρίου του 2010.
600 500 400 300 200 100 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 ΕΤΟΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ( εκατ. λίτρα)
3)
Για να καλυφθούν οι ανάγκες της χώρας σε ενεργειακά φυτά θα πρέπει να καλλιεργηθούν με αυτά τουλάχιστον 3,7 εκατομμύρια στρέμματα. Για να είναι βιώσιμη η ενεργειακή καλλιέργεια,, χρειάζεται ισχυρή επιδότηση, αρκετά μεγαλύτερη μγ των 4,5 ευρώ το στρέμμα ρμμ που δίδεται τώρα από την Ευρωπαϊκή Ένωση
ΒΙΟΜΑΖΑ
37,000 TW yr/yr) 43,000 58,000 40,000000 27,000 Ετήσια εδαφική παραγωγή: 128 TW Αυτότροφη αναπνοή Διατήρ.Ποιότ. Εδάφ. Τρόφι μα..... 50%................. 2% Ενέργεια από βιομάζα... 2% 53,000 Χαρτί, Έπιπλα κα......... 10% Ωκεανοί 37,000 Ξηρά 16,000 : 44 TW Ακόμα και με το μικρό βαθμό Φωτοσύνθεση μετατροπής το μη χρησιμοποιούμενο δυναμικό παραμένει υψηλό ( 10 11 64 128 μετρικοί τόνοι λιγνοκυτταρίνης ετησίως)
ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΥΔΡΟ 2.4% ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ 10.9% ΠΥΡΗΝΙΚΗ 6.9% ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ 37.0% ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 20.7% ΑΝΘΡΑΚΑΣ 22.1%
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ Βιομάζα 49.1% Γεωθερμική 30.9% Ηλιακή 1.1% Αιολική 18.9%
Τρόποι που η βιομάζα χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας Βιομάζα Καύση για την παραγωγή ηλεκτρισμού Θερμοχημική μετατροπή σε προϊόντα αερίου σύνθεσης (syngas) Βιοχημική μετατροπή σε αιθανόλη και άλλα καύσιμα Ώριμη εφαρμογή Ημι-ώριμη Υπό-ανάπτυξη
Πηγές Βιομάζας ασικά κατάλοιπα Αγροτικά κατάλοιπα Ενεργειακά φυτά ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Σακχαρούχα φυτά Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο Λιγνοκυτταρινούχα Ευκάλυπτος Αμυλούχα φυτά Ψευδακακία Καλάμι Σπόροι καλαμποκιού ααμ ού Μίσχανθος Σπόροι σίτου, κριθής Αγριαγκινάρα Switchgrass Κυτταρινούχο σόργο
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥ ΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Δασικά κατάλοιπα Αγροτικά κατάλοιπα Ενεργειακά φυτά ΑΜΥΛΟΥΧΑ ΦΥΤΑ Σπόροι καλαμποκιού Σπόροι σίτου ΣΑΚΧΑΡΟΥΧΑ ΦΥΤΑ Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΖΥΜΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗ
ΑΠΟ ΟΣΗ 1,1 ΤΟΝΟ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ 400 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ Ζωοτροφές ιοξείδιο άνθρακα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 1.3
ΑΠΟ ΟΣΗ 6,4 ΤΟΝΟΙ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ 500 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ Ζωοτροφές ιοξείδιο άνθρακα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 176 1.76
Νωπά στελέχη ΑΠΟ ΟΣΗ 10 ΤΟΝΟΙ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ > 600 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ιάφορα (βιοδιυλιστήριο) Ενέργεια (καύση) ύ Μονωτικά Αιθανόλη (βαγασση) ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 2.23
Χρήσεις αραβόσιτου στις ΗΠΑ 2006/07 Εξαγωγές 17.2% Αιθανόλη 17.2% ΗFCS 4.1% Γλυκαντικά 1.9% Άμυλο 2.2% Αλκοόλη 11% 1.1% Δημητριακά 1.5% Τροφή & Υπόλοιπα 46.8% Πλεόνασμ α 79% 7.9% Πηγή: USDA, ERS; Feed Outlook, June 13, 2007
Χημική δομή Αμύλου ΑΜΥΛΟ 4.5 tons/acre http://www.ucmp.berkeley.edu/monocots/corngrainls.jpg http://www.scientificpsychic.com/fitness/carbohydrates1.html
ημητριακά: 2,6-3 Kg Νερό: 2,7 λίτρα Ηλεκτρική ενέργεια: 0.36 kw/h Ατμός: 3,5 Kg Νερό ψύξης: Ποικίλλει Ποτάσα: 0,012 Kg Θειικό οξύ: 0.01 Kg Χλωριούχο ασβέστιο: 0,001 Kg α-αμυλάση Αμυλογλυκοζιδάση
ΣΑΚΧΑΡΟΚΑΛΑΜΟ 1 στρέμμα σακχαροκάλαμου αποδίδει 600-900 λίτρα αιθανόλη, υπερδιπλάσια απο αυτή που παίρνουμε απο το καλαμπόκι. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 8 H παραγωγή και η καύση αιθανόλης από ζαχαροκάλαµο προκαλούν 55-90% λιγότερες εκποµπές CO 2 από ό,τι η βενζίνη.
ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΑΤΩΝ
ΠΟΡΕΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛ ΛΗ (Billio ons of gal l/yr) 70 60 50 40 30 20 10 Κυτταρίνη Σπόροι 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 Ετος Modified from Richard Bain, NREL
>2% απόδοση βιομάζας είναι εφικτή e Long et al y of Steve Courtesy
Τα φυτά αποτελούνται κυρίως από σάκχαρα 3 nm Πολυμερισμένη γλυκόζη
Φυτά: δύο είδη κυτταρικών τοιχωμάτων: Πρωτογενές κυτταρικό τοίχωμα που αποτελείται από κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Το δευτερογενές αποτελείται από λιγνίνη. Το μεσοδιάστημα δύο γειτονικών κυττάρων περιέχει πηκτίνη.
ΜΟΝΤΕΛΛΟ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΜΟΝΤΕΛΛΟ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΤΟΙΧΩΜΑΤΟΣ
Σύσταση βιομάζας H 3 CO HO O O OCH 3 H 3 CO O OH Λιγνίνη: 15-25% Ημικυτταρίνη: 23-32% Κυταρίνη: 38-50% OCH 3 OCH 3 O O HO OCH OHO 3 OH OCH 3 O O HO HO O OH O OH O HO HO O OHO OH OH OH OH OH O OCH 3 H 3 CO HO OCH 3 O HO OH O HO OHO O OHO OCH 3 OCH 3 OH O O HO OH OCH HO OH O 3 O OH O O O HO HO O O OH OHO O OH OH OH OHO OH HO OH OH O OH O OH HO HO O OH O H HO 3 CO HO OHO OH O HO OHO OCH O O 3 OH OH O HO OH O OH O HO O OH O HO O HO O O OH OHO OH OH OH OHO OH OH OH O OH O HO HO O HO OH O HO OHO OH O HO OHO O O OH OH O HO OH O O O HO OH O O HO O HO O OH O OH OHO OH OH OHO OH O OH O HO HO OH O HO O HO O OHO OH O OH OH OH O HO OH O O HO OH O OH OH OHO OH O HO OH O HO O OH OH O OH
Κυτταρίνη Δομές κυτταρινικών μικροϊνιδίων
Κυτταρίνη Amorphous region Crystalline region
ΗΜΙΚΥΤΤΑΡΙΝΗ Ξυλόζη Γλυκουρονικό οξύ Αραβινόζη Γαλακτόζη Φερουλικό οξύ Οξικό οξύ
ΛΙΓΝΙΝΗ Είναι πολύπλοκο αρωματικό πολυμερές -τρισδιάστατο με βασική δομική μονάδα το φαινυλοπροπάνιο
Τα φαινυλοπροπάνιατης λιγνίνης
ΜΟΝΤΕΛΟ ΛΙΓΝΙΝΗΣ
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΥ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ
ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΤΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΥ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΟΞΙΝΗ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ
ΟΞΙΝΗ ΥΔΡΟΛΥΣΗ Αραιό οξύ Πυκνό οξύ
Αραιό οξύ Υψηλή θερμοκρασία (180-230 ο C) Υψηλή πίεση Χρόνος αντίδρασης (min-sec) Δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας 1% θειικό οξύ σε αντιδραστήρα συνεχής ροής με χρόνο παραμονής 0.22 min και θερμοκρασία 510 Κ μετατρέπει καθαρή κυτταρίνη σε 50% σάκχαρα ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Υψηλό κόστος αντιδραστήρων αποικοδόμηση ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Υψηλό κόστος αντιδραστήρων, αποικοδόμηση του μεγαλύτερου μέρους των πεντοζών και μέρος των εξοζών με αντίστοιχη δημιουργία παρεμποδιστών
Πυκνό οξύ Hπια θερμοκρασία (περίπου 30-35 ο C) Xαμηλή πίεση Χρόνος αντίδρασης (ώρες) Ασυνεχής λειτουργία Η διεργασία αυτή έχει σαν αποτέλεσμα την υδρόλυση του 85-90% της θεωρητικής απόδοσης των εξοζών και πεντοζών χωρίς να καταστρέφονται ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Η υψηλή συγκέντρωση οξέων προϋποθέτει την ανακύκλωση του οξέος, που είναι υψηλού κόστους ενεργοβόρο στάδιο. Χρειάζονται ειδικές κατασκευές υψηλού κόστους για την αποφυγή της διάβρωσης.
ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ
ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ 1) Εκτόνωση ατμού συνδυαζόμενη Με αυτοϋδρόλυση Με προσθήκη όξινου καταλύτη
ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΕΚΤΟΝΩΣΗ ΑΤΜΟΥ ΣΥΝΔΙΑΖΟΜΕΝΗ ΜΕ ΑΥΤΟΫΔΡΟΛΥΣΗ Το λιγνινοκυτταρινούχο υλικό θερμαίνεται με υψηλής πίεσης ατμό σε θερμοκρασίες ρ 160-250 ο C από μερικά μρ sec έως 10 min. Μετά το υλικό υφίσταται μια εκτονωτική αποσυμπίεση που σε συνδυασμό με την προκαλούμενη αυτοϋδρόλυση από τον σχηματισμό μ διάφορων οργανικών οξέων από τα υπάρχοντα οξικά οξέα του υλικού λόγω της θερμοκρασίας, προκαλείται μια μερική υδρόλυση και διαλυτοποίηση της ημικυτταρίνης καθώς και μία βελτίωση του δυναμικού αποικοδόμησης της κυτταρίνης. Μειονέκτημα αποτελεί η αποικοδόμηση των σακχάρων λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και του χρόνου κατεργασίας
ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΕΚΤΟΝΩΣΗ ΑΤΜΟΥ ΣΥΝΔΙΑΖΟΜΕΝΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΟΞΙΝΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Το υλικό πριν την προκατεργασία εμποτίζεται με 0.5-6% (w/w) H 2 SO 4 ή SO 2
Ενζυμική κατεργασία
NREL Η κυτταρίνη είναι ανθεκτική στην υδρόλυση
Ενζυμική Υδρόλυση Κυτταρίνης (ΣΥΝΕΡΓΗΤΙΣΜΟΣ)
Μοντέλο κυτταρίνης-κυτταρινάσηςκυτταρινάσης γλυκοζιδάση ενδογλουκανάση εξωγλουκανάση = γλυκόζη = σελλοβιόζη
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΔΡΑΣΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΩΝ Πρώτη αναφορά στη βιβλιογραφία του όρου κυτταρινάσες (cellulase) που περιγράφει την ενζυμική δράση της αποικοδόμησης της κυτταρίνης έγινε από τον Pringsheim (1912). Στο 2 ο Παγκόσμιο πόλεμο στις ζούγκλες του Νότιου Ειρηνικού (Νέα Γουϊνέα) απομονώθηκε ο μύκητας Trichoderma reesei ο οποίος κατάστρεφε ρφ τα ρούχα των στρατιωτών και απετέλεσε τον κύριο παραγωγό κυτταρινασών
TAΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΩΝ Περισσότερες από 90 οικογένειες γλυκοζυλ-υδρολασών έχουν περιγραφεί http://afmb.cnrs-mrs.fr/cazy/ Οι κυτταρινάσες είναι μέλη των οικογενειών: 1,3,5,6,7,9,10,12,16,44,45,48,51,61,74
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΩΝ (ι) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Εξαγωγή και διαύγαση χυμών φρούτων και λαχανικών (ενζυμικό κοκτέϊλ από κυτταρινάσες, ξυλανάσες, πηκτινάσες) Εξαγωγή ελαιόλαδου
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΩΝ (ιι) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΥΦΑΝΤΟΥΡΓΙΑ Bio-stoning (denim fabrics) Bio-polishing (βαμβακερά και nondenim fabrics) Συστατικό απορρυπαντικών
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΚΕΝΤΡΟΥ ΕΝΔΟΓΛΟΥΚΑΝΑΣΩΝ
Εδ λ ά C l5a ό B ill s Ενδογλουκανάση Cel5A από τον Bacillus agaradhaerens
Ενδογλουκανάση του Clostridium thermocellum
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΚΕΝΤΡΟΥ ΕΞΩΓΛΟΥΚΑΝΑΣΩΝ
Μηχανισμός καταλυτικής δράσης των εξωγλουκανασών
Εξωγλουκανάση I from Trichoderma reesei
Οι κυτταρινάσες υδρολύουν την κυτταρίνη ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΠΡΟΣΔΕΣΗΣ ΣΤΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ
ΟΙ ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΕΣ ΔΕΝ ΠΟΤΕΛΟΥΝ ΠΛΕΟΝ ΤΟΝ ΑΠΑΓΟΡΕΥΤΙΚΟ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑ ΚΟΣΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ
Το τρέχον κόστος των κυτταρινασών υπολογίζεται σε 0.03 με 0.08 ανά L παραγομένης αιθανόλης. Μελλοντικός στόχος είναι να προσεγγίσει το κόστος των αμυλασών που είναι 10 φορές μικρότερο. Για παράδειγμα, ενζυμικό φορτίο περίπου 25 mg μυκητιακής κυτταρινάσης απαιτούνται για την υδρόλυση 1 g προκατεργασμένης κυτταρίνης. Ο στόχος είναι βελτιωμένες καταλυτικά κυτταρινάσες να υδρολύουν την ίδια ποσότητα κυτταρίνης χρησιμοποιώντας το 1/10 του ενζυμικού φορτίου.
Ποιό συνηθισμένη ενζυμική δραστικότητα που χρησιμοποιείται στις βιομηχανικές διεργασίες ενζυμικής υδρόλυσης της κυτταρίνης είναι εκείνη των 15 FPU ανα g κυτταρίνης.