Energetické využitie rastlinnej biomasy 1 – Chemické zloženie a technológie

Biomasou rozumieme organický materiál, ktorý vzniká biologickou cestou. Je obnoviteľný a predstavuje zdroj energie, ktorý je z hľadiska uhlíka neutrálny: Na syntézu biomasy sa spotrebováva oxid uhličitý z atmosféry a po jej spálení vzniknutý oxid uhličitý sa vracia do atmosféry. Preto hľadáme nové možnosti jej energetického a iného vyuižitia, například termochemickým zpracovaním.

Biomasa rastlinného pôvodu je tvorená hlavne celulózou, hemicelulózou a lignínmi s rôznym obsahom vody a rôznych prchavých zložiek (napr. terpentíny). Aj v prípade drevnej hmoty je rozdiel v zložení tvrdého a mäkkého dreva (listnatého a ihličnatého dreva), slama z poľnohospodárskych obilnín má iný podiel základných zložiek ako čerstvý, zelený odpad z poľnohospodárskych plodín, iný obsah dusíka a síry má biomasa rastlinného pôvodu aj v porovnaní s biomasou živočíšneho, resp. mikrobiálneho pôvodu. Na druhej strane, práve pôvod a zloženie biomasy hrajú rozhodujúcu vplyv na množstvo a zloženie plynu, dechtu a koksu pri pyrolýze a splyňovaní biomasy.

V tabuľke 1 je zhrnuté elementárne zloženie vybraných typov biomasy (Rao et al., 2004).

Veľká väčšina prác v literatúre sa zaoberá energetickým zhodnocovaním drevnej biomasy, ktorú pri detailných kinetických štúdiách nahrádza celulóza, hemicelulóza a ligníny (di Blasi, 2008, Yang, H. et al., 2007, Shen et al., 2009, Couhert et al., 2009).

Zloženie lignocelulózovej biomasy

Do kategórie lignocelulózovej biomasy sa radí biomasa rastlinného pôvodu. Obsahuje rovnaké základné stavebné zložky, ktorými sú celulóza, hemicelulóza a lignín. Okrem týchto troch zložiek sa v rastlinnej biomase nachádzajú tzv. extraktíva a popoloviny (anorganický materiál). Zastúpenie jednotlivých zložiek sa mení v závislosti od typu materiálu (Pettersen 1984; Demirbas 1997; Lee 1997; Di Blasi et al. 1999).

Celulóza je hlavná stavebná zložka buniek. V dreve tvorí okolo 40 % až 50 % hmotnosti (vzhľadom na suchý materiál). Tento polysacharid je tvorený z lineárnych reťazcov D-glukózy. Počet jednotiek molekúl cukru v jednom molekulovom reťazci celulózy je udávaný na 10000 až 14000.

Hemicelulózy sú zmesou viacerých polysacharidov syntetizovaných v rastlinách z glukózy, manózy, arabinózy xylózy, galaktózy a zvyškov galaktúronovej kyseliny a kyseliny 4-O metylglukurónovej (Pettersen 1984). Preto sa o hemicelulózach hovorí aj ako o heteropolysacharidoch, ktoré majú oveľa nižší stupeň polymerizácie oproti celulóze, okolo 50 - 300. Hmotnostné zastúpenie hemicelulóz v rastlinách je v rozmedzí 25– 35 %, vzhľadom na suchý materiál.

Lignín je zložený z hydroxy- a metoxy- substituovaných fenyl-propenylových štruktúrnych jednotiek, ktoré sú náhodne, nepravidelne pospájané do veľkých komplikovaných molekúl s veľkým množstvom vzájomných prepojení (Pettersen 1984; Blažej & Košík 1993). Hmotnostné zastúpenie lignínu v rastlinách je medzi 20- 50 %. Odhliadnuc od hlavných zložiek rastlinnej biomasy, polysacharidov a lignínu, každá rastlina obsahuje množstvo ďalších látok (tzv. extraktíva), ktoré vznikajú počas rastu rôznymi komplexnými biochemickými reakciami, ako napríklad: tuky, vosky, bielkoviny, alkaloidy, jednoduché a komplexné fenoly, jednoduché cukry, pektíny, škroby, terpény, saponíny, glykozigy a esenciálne oleje. Tieto látky nepatria medzi stavebný materiál rastlinných buniek ale majú vo väčšine prípadov ochrannú funkciu. V rastline sú rozdistribuované nerovnomerne.

Popoloviny sú anorganické látky, ktoré zostanú po spálení rastlinnej biomasy pri dostatočne vysokej teplote. Obsah týchto látok závisí od druhu rastlinnej biomasy, niekedy až do 10 %. Ich prítomnosť v biomase pri procese spaľovania má za následok zníženie výhrevnosti spaľovaného materiálu (Channiwala & Parikh 2002; Parikh et al. 2005).

Eneretické využitie biomasy

Najstarším energetickým využitím biomasy je spaľovanie dreva za účelom získania tepla. Tento spôsob, aj keď sa ešte stále v širokej miere používa, je však najmenej efektívny, a preto sa biomasa ďalej spracováva na rôzne energetické média. Procesy takéhoto spracovania môžeme rozdeliť do troch skupín:

Chemická premena

Týchto procesov je relatívne málo, spomenieme len možnosť výroby bionafty z olejov olejnatých rastlín (repka olejná, sója, slnečnica a pod.). Po vylisovaní oleja zo semien týchto rastlín sa tento katalyticky preesterifikuje metanolom a vzniknuté metylestery vyšších mastných kyselín sa používajú ako prídavok do dieselových palív. Tuhý zvyšok po lisovaní (telá rastlín, šupky semien) so stopami oleja sa môže tepelne spracovať (za vzniku procesného plynu) alebo použiť na výrobu bioplynu. Kvapalný zvyšok po transesterifikácii obsahuje hlavne glycerín (tzv. G-fáza), ktorý sa môže použiť ako chemická surovina, ale v širšej miera v ďalších procesoch energetického využitia biomasy – bioplyn, termický rozklad.

Biochemická premena

Pri biochemickej premene rozlišujeme dva druhy procesov: Anaeróbne vyhnívanie s cieľovým produktom bioplynom a fermentáciu – alkoholové kvasenie s cieľovým produktom etanolom.

Anaeróbne vyhnívanie je prírodný proces, ktorý premieňa biomasu na plyn. Biomasa používaná pri tomto spôsobe premeny môže byť rastlinného alebo živočíšneho pôvodu. Tento spôsob je využívaný už viac ako 100 rokov. Priemyselne je tento proces využívaný v oblasti úpravy odpadových vôd, v mliekarenskom priemysle, v poľnohospodárstve atď. Ako substrát je možné použiť rôzne typy biomasy. Na premenu odpadovej biomasy sú používané mikroorganizmy, ktoré rozkladajú tento materiál v prostredí bez prístupu kyslíka, pričom výsledným produktom je bioplyn zložený hlavne z metánu (cca 60 %) a oxidu uhličitého (a stopové množstvá iných plynov). Pri tomto procese dochádza k významnej redukcii zapáchajúcich látok a k značnému zníženiu množstva patogénnych látok. Proces anaeróbneho vyhnívania prebieha v štyroch hlavných krokoch: hydrolýza, acidogénická fermentácia, acetogénická oxidácia a acetotropická metanogenéza (Salminen & Rintala 2002). Tento spôsob spracovania biomasy je veľmi populárny, pretože predovšetkým produkuje a nie spotrebúva energiu a na jeho prevádzkovanie je potrebná relatívne malá plocha (Denis & Burke 2001; Salminen & Rintala 2002). Hlavnou výhodou anaeróbneho vyhnívania je využívanie energetického potenciálu vzniknutého bioplynu a jeho premena na elektrickú energiu a teplo (Bodík a Hutňan, 2010). Zvyšok po vyhnívaní možno využiť ako hnojivo pri pestovaní biomasy resp. termickým spracovaním konvertovať na procesný plyn.

Fermentácia je prírodný proces, pri ktorom za pomoci mikroorganizmov (kvasiniek) dochádza k premene jednoduchých cukrov na konečné produkty, ktorými sú etanol (v menšej miere metanol, butanol, acetón) a oxid uhličitý. Tento proces spracovania biomasy zaznamenal v posledných rokoch úspech a došlo k významnému pokroku a zlepšeniu technológií, pretože etanol je považovaný za najčistejšie kvapalné palivo, ktoré je možné použiť namiesto benzínov v spaľovacích motoroch Ďalšou možnosťou je použiť takýto etanol na syntézu etyl tercbutyl éteru (ETBE) ktorý sa používa ako prísada do benzínov. Okrem materiálnych produktov možno získať aj teplo uvoľňované počas fermentácie.

Kvasinky vedia spracovať len jednoduché cukry. Preto je nutné zložitejšie cukry (polysacharidy) rozložiť na jednoduché cukry hydrolýzou. Táto môže byť enzýmová (s použitím komerčne vyrábaných enzýmov alebo s využitím rôznych mikroorganizmov) alebo chemická s použitím anorganickej kyseliny (kyselina chlorovodíková, kyselina sírová). Hydrolýzou škrobu a celulózy vznikne glukóza. Pretože hemicelulóza je heteropolysacharid, jej hydrolýzou vzniká viacero jednoduchých cukrov ako napríklad glukóza, manóza, arabinóza, xylóza a iné. Tuhý zvyšok po hydrolýze a fermentácii sa môže použiť ako substrát pre výrobu bioplynu alebo termicky rozložiť na procesný plyn.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu