Odborné články
Z biomasy možno získať energiu aj cenné chemikálie
Príspevok poukazuje na možnosti získavania chemikálií s pridanou hodnotou z odpadových zdrojov biomasy (ako je kôra a ihličie), a na možnosť použitia nevyužitej biomasy ako zdroja energie. Chemikálie z biomasy ihličnatých stromov je možné izolovať pomocou destilácie alebo extrakcie. Zbytok z takto spracovanej biomasy sa hodnotí z hľadiska obsahu jeho možnej využiteľnej energie.
Jeden zo zdrojov obnovujúcej sa suroviny na Slovensku je biomasa – drevná hmota. Ihličnaté dreviny predstavujú vyše 40 % z celkovej plochy lesov Slovenska a patria k hospodársky najvýznamnejším drevinám. Používajú sa predovšetkým ako: stavebné drevo pre rôzne účely, v drevospracujúcom priemysle (nábytok, drevovláknité a drevotrieskové dosky) a v celulózo-papierenskom priemysle ako surovina na chemické a polochemické spracovanie (buničiny, celulóza). Ďalšia významný dôvod využitia tejto suroviny - dreva a rastlinných materiálov všeobecne, je aj jej energetická hodnota.
Náš výzkum ukázal, že popri získavaní energetického potenciálu ukrytého v rastlinných surovinách je však možné a aj veľmi výhodné získať z dreva (biomasy) pred jeho energetickým využitím aj často veľmi cenné chemické zlúčeniny. Je to podobný prístup, ako v prípade biorafinérií – komplexné a optimálne využitie materiálov a energie.
Cenné zlúčeniny sa spaľujú
V rastlinných surovinách sa nachádzajú mnohé cenné chemické zlúčeniny, ktoré sa však v súčasnosti neekonomicky spaľujú. Z chemického hľadiska sa v ihličnanoch nachádzajú živice, triesloviny, terpény, deriváty lignínu, flavonoidy (1). Biologická povaha týchto zlúčenín je známa ako obranná, alebo potenciálne defenzívna (2). Extraktívne látky majú v dreve určitú funkciu, napr. triesloviny, polyfenoly, stilbény, niektoré glykozidy, vosky a tuky zvyšujú odolnosť dreva voči biotickému poškodeniu, či už svojou potenciálnou toxicitou alebo hydrofóbnosťou. Obsah a zloženie extraktívnych látok v dreve je variabilný podľa druhu a veku dreviny, podľa stanoviska, obdobia ťažby a miesta odberu vzorky (korene, jadro, kôra, vetve, ihličie a pod.). Koncentrácie živín sú najvyššie v biologicky aktívnej časti stromu, napríklad v ihličí (3). Stromová zeleň pozostáva najmä z éterických olejov, karotenoidov, zelených pigmentov, vitamínov, lipidov, fosfolipidov, glykolipidov (4). Uvedené zlúčeniny môžu byť tiež cennou surovinou pre chemický syntetický priemysel, kozmetiku, farmáciu a parfumériu (5, 6).
V našom výzkume boli analyzované len niektoré z možných surovinových zdrojov, najmä nevyužité časti – odpady z tisu obyčajného (Taxus Baccata). Na rozdiel od iných ihličnanov tis neobsahuje živice na báze fenolických uhľovodíkov. Obsahuje však niekoľko alkaloidov horkej chuti, ktoré sú prudko, až smrteľne jedovaté pre väčšinu teplokrvných živočíchov. Fytochemikálie z rodu Taxus vyvolali veľký záujem z dôvodu ich využitia ako možný liek, vzhľadom na výskyt určitých fyziologicky dôležitých zlúčenín v ňom obsiahnutých, ktoré poznáme pod názvom Taxol, ako možný proti nádorový liek.
Ako prebiehal výzkum
Vo výzkume sa použil lesný odpad z ihličia Tisu obyčajného (Taxus Baccata).
Vzorka ihličia (100 g) sa pred všetkými experimentmi a analýzami pomlela a
upravila na jednotnú frakciu s rozmermi 0,2 mm. Vzorka pôvodného ihličia a aj
ihličia po destilácii bola analyzovaná pomocou termickej analýzy (TA), stanovila
sa jej vlhkosť a popol. Vzorky pred a po destilácii boli analyzované
elementárnou analýzou (CHNS) a kalorimetrickou metódou pre určenie spalného
tepla, aby sa dalo posúdiť využitie takéhoto “odpadu“, ako možného zdroja na
energetické účely. Z ihličia tisu obyčajného boli destiláciou s vodnou parou (po
dobu 9,5 hod) izolované prchavé organické zlúčeniny. Destilát bol extrahovaný do
chloroformu a zbavený zbytkov vody vysušením s bezvodým Na2SO4.
Termickou analýzou sa ďalej zisťoval úbytok organických prchavých zlúčenín
pôvodného materiálu a destilovaného materiálu.
Termická analýza sledovaných vzoriek sa uskutočnila v oxidačnej atmosfére
(vzduch) na prístroji Mettler, Themoanalyzer 2. Prietok plynu bol 60ml/min,
teplotný program 10 °C/min, čas analýzy 60 min., navážka vzoriek 20 mg, záznam
analýzy digitálny. Elementárna analýza pomocou, ktorej sa zistil percentuálny
podiel CHNS, sa uskutočnila na prístroji Elementar Vario Macro Cube. Hodnoty
spalného tepla sa stanovili na prístroji FTT Calorimetric Bomb. Na základe
hodnôt spalného tepla, vlhkosti a výsledkov elementárnej analýzy sa vypočítala
výhrevnosť ihličia pred a po destilácii.
Výsledky a diskusia
Cieľom tejto práce bolo zistiť správanie sa vzorky ihličia (pred a po
destilácii) v závislosti od teploty. To znamená zistiť teplotné intervaly, pri
ktorých dochádza k podstatnému rozkladu materiálu. Graf 1 znázornuje záznam z
termickej analýzy ihličia tisu obyčajného pred a po destilácii.
Boli určené jednotlivé fázy rozkladu materiálu. V 1. fáze (105 – 200 °C)
dochádza ku odpareniu vody a prchavých zložiek ihličia, v 2. fáze (200 – 440 °C)
prebieha hlavná degradácia a v 3. fáze (440 – 700 °C) sa uskutoční oxidácia
zostávajúceho uhlíkatého zbytku. Zo záznamov termickej analýzy na obrázkoch 2 a
3 je možné určiť hmotnostný úbytok prchavých zložiek ihličia (tabuľka 1), ktorý
bol 4,9 % u ihličia pred destiláciou. U ihličia po destilácii sa stanovil v
teplotnom intervale (105 – 200 °C) úbytok hmotnosti 4,5 %.
Tab. 1 – Úbytok hmotnosti v jednotlivých fázach termického rozkladu
Vzorka ihličia | Vlhkosť[%] | Úbytok hmotnosti [%] pri rôznej teplote | ||
105 – 200 [°C] | 200 – 440 [°C] | 440 – 700 [°C] | ||
Pred destiláciou | 3,2 | 4,9 | 54,0 | 32,2 |
Po destilácii | 9,5 | 4,5 | 54,1 | 27,7 |
Vyextrahované ihličie sa podrobilo elementárnej analýze, na základe ktorej sa zistilo percentuálne zastúpenie CHNS vo vzorke tisu obyčajného pred a po destilácii. Výsledky, uvedené v tabuľke 2, potvrdzujú, že chemické zloženie ihličia vyjadrené v % CHNS sa zmenilo. Destiláciou sa odstránili určité skupiny chemických zlúčenín a preto percentuálny podiel zastúpených prvkov vo vzorkách sa destiláciou pozmenil.
Tab. 2 – Elementárne zloženie ihličia pre a po destilácii
Ihličie tisu | CHNS zloženie [°C] | |||
C | H | N | S | |
Pred destiláciou | 35.62 | 5.35 | 1.35 | 0.13 |
Po destilácii | 32.27 | 5.92 | 1.71 | 0.06 |
Cieľom práce bolo poukázať na možnosti využitia lesných odpadov, medzi ktoré je možné zaradiť aj ihličie. Takýto odpad sa v súčasnosti vôbec nevyužíva, prípadne sa len neekonomicky spaľuje. Kalorimetrickými stanoveniami (tabuľka 3) sa zistilo, že hodnoty spalného tepla a vypočítaná výhrevnosť ihličia pred a po destilácii sa podstatne nezmenili. Odstránením prchavého podielu (esenciálnych olejov a iných VOC zlúčenín) z ihličia sa spalné teplo znížilo len o 0,85 MJ/kg. Tento prchavý podiel - takto získané zlúčeniny však predstavujú zdroj chemických zlúčenín s pridanou hodnotou určite vyššou, ako je vyššie uvedená energetická strata.
Tab. 3 – Výhrevnosť a spalné teplo ihličia pred a po destilácii
Ihličie tisu | Výhrevnosť Qi [MJ/kg] | Spalné teplo Qs [MJ/kg1] |
Pred destiláciou | 17,80 | 19,16 |
Po destilácii | 16,50 | 18,31 |
Záver
Drevá biomasa predstavuje značný materiálny a energetický potenciál, ktorý sa však v súčasnosti na Slovensku nevyužíva optimálne. Separačnými metódami ako je destilácia s vodnou parou alebo extrakcia je môžné z menej hodnotných (odpadových, zvyškových) častí stromov ako je ihličie získať cenné chemické zlúčeniny. Zbytok po izolácii chemických látok, je možné stále využiť na energetické účely.
Poďakovanie
Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt „Národné centrum pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie“, ITMS kód projektu: 26240120016, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
Úplný seznam autorů
Mikulášik Radoslav, Adamovská Jana, Orságová Anna, Ház Aleš, Lipková Csilla, Šutý Štefan, Šurina Igor, Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie
Literatúra
Seznam použité literatury je k dispozici u autorů
TweetČlánek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Topné brikety z kombinovaných rostlinných materiálů
Bioplyn – kukuřice – krmný šťovík
Výzkum „suché“ anaerobní fermentace různých druhů biomasy za účelem výroby bioplynu
Zobrazit ostatní články v kategorii Bioodpady a kompostování, Obnovitelné zdroje energie, Pěstování biomasy
Datum uveřejnění: 14.1.2013
Poslední změna: 2.12.2012
Počet shlédnutí: 6979
Citace tohoto článku:
MIKULÁŠIK, Radoslav: Z biomasy možno získať energiu aj cenné chemikálie. Biom.cz [online]. 2013-01-14 [cit. 2024-11-01]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz-obnovitelne-zdroje-energie-bioplyn-kapalna-biopaliva-biometan/odborne-clanky/z-biomasy-mozno-ziskat-energiu-aj-cenne-chemikalie>. ISSN: 1801-2655.