Etanol celulósico

O etanol feito de resíduos vegetais é conhecido como etanol celulósico ou etanol lignocelulósico . Como o etanol combustível convencional , é uma gasolina que pode ser obtida por fermentação de plantas ( bioetanol ). Ao contrário do bioetanol convencional, que é produzido quase exclusivamente a partir de açúcar ou partes ricas em amido de safras como milho e trigo , qualquer parte contendo celulose de uma planta pode ser usada para produzir etanol celulósico. Gramíneas , algas e resíduos vegetais em particular são considerados possíveis matérias-primas para a produção de etanol celulósico.

As vantagens do etanol celulósico são, por um lado, que sua produção é mais eficiente e neutra para o clima do ponto de vista ecológico e, por outro lado, representa menos competição para o cultivo de alimentos . Apesar do financiamento estadual intensivo, a produção em grande escala de etanol celulósico não é competitiva com o bioetanol convencional e os combustíveis fósseis devido aos altos custos de produção .

Bioetanol de biomassa vegetal

O bioetanol é o álcool obtido pela fermentação dos açúcares com o auxílio de microrganismos. Em geral, a levedura com o nome científico Saccharomyces cerevisiae é usada para isso. Os açúcares vêm de plantas, que usam a energia da luz solar por meio do processo de fotossíntese para construir seus componentes orgânicos a partir do dióxido de carbono (CO ₂ ). Os açúcares podem ser armazenados na forma de amido (por exemplo, grão de cereal, batata) ou sacarose (por exemplo, beterraba sacarina, cana-de-açúcar), ou são convertidos em componentes estruturais (por exemplo, celulose ) que dão à planta sua forma e estabilidade. Atualmente, o bioetanol é obtido principalmente através da fermentação da sacarose (cana-de-açúcar brasileira) ou hidrolisados de amido (milho, grãos). Após destilação e secagem, o etanol pode ser utilizado como combustível. No entanto, esse tipo de produção cria uma situação competitiva com o mercado de alimentos. Além disso, as limitadas áreas de cultivo e os problemas ecológicos associados à necessária intensificação da agricultura impedem a produção em larga escala de etanol à base de amido. O uso de resíduos de plantas de baixo custo, como palha, restos de madeira e manutenção da paisagem ou culturas energéticas, como O objetivo é, portanto, cada vez mais switchgrass (incluindo switchgrass, Panicum virgatum ) ou Miscanthus , que não requerem cultivo agrícola intensivo e crescem em baixa qualidade solos.

Resíduos de plantas ou culturas energéticas têm pouco amido ou sacarose , mas contêm carboidratos na forma de lignoceluloses armazenados em suas paredes celulares. As lignoceluloses consistem em celulose , hemiceluloses e a lignina não fermentável ("polpa de madeira"). Assim como o amido, a celulose é um polímero feito de moléculas de açúcar com seis átomos de carbono, a glicose , que estão ligados para formar longas cadeias. Ambos diferem apenas no tipo de links. As hemiceluloses consistem principalmente de açúcares com cinco átomos de carbono, xilose e arabinose , que estão ligados uns aos outros em cadeias ramificadas.

Processo de produção de etanol celulósico

Para ser capaz de produzir bioetanol a partir da lignocelulose, a celulose e as hemiceluloses devem primeiro ser divididas em açúcares individuais. Isso é feito com ácidos e enzimas especiais. Em seguida, as leveduras têm que fermentar a mistura de glicose, xilose e arabinose em etanol. A fermentação, destilação e secagem ocorrem da mesma forma que o processo clássico de etanol-combustível . Desde o final de 2013, o etanol celulósico com mais de 75 milhões de litros anuais é produzido comercialmente em uma planta no norte da Itália operada pela empresa "Beta Renewables". No entanto, a empresa foi reestruturada em 2017. As empresas atuais com procedimentos apropriados são, e. B. Ineos Bio, Iogen, POET e Verbio. Outras empresas na Alemanha e na Áustria estão na visão geral da Associação Federal da Indústria Alemã de Bioetanol eV

Pré-tratamento e sacarificação do material vegetal

Apesar das grandes semelhanças na fermentação do amido e da lignocelulose, esta última apresenta algumas dificuldades. Primeiro, a lignocelulose deve ser liquefeita e sacarificada. Isso é muito mais difícil do que com o amido, uma vez que as cadeias de açúcar são de difícil acesso. O material vegetal deve, portanto, primeiro ser pré-tratado quimicamente ou termicamente. Só então a sacarificação pode ocorrer com a ajuda de enzimas especiais ( celulases , xilanases , glicosidases ) que, como as amilases do amido, dividem as cadeias de celulose em glicose. Essas enzimas são obtidas a partir de fungos, que na natureza estão envolvidos no apodrecimento de resíduos vegetais. Uma vez que são necessárias significativamente mais enzimas do que para a sacarificação do amido, isso leva a um aumento dos custos. No entanto, os esforços de pesquisa levaram a uma redução dos custos nos últimos anos.

Fermentação da mistura de açúcar de hexoses e pentoses

A segunda grande diferença é que na lignocelulose, ao contrário do amido, não existe apenas glicose como componente do açúcar, mas também outros açúcares como a xilose e a arabinose (= açúcar C5 ou pentoses). No entanto, eles não podem ser usados ​​pelas leveduras usadas para produzir etanol. Portanto, é necessário usar leveduras especialmente cultivadas que, além da glicose, também podem fermentar os outros açúcares em etanol.

Apenas leveduras do tipo Saccharomyces são usadas na produção tradicional de etanol como combustível . São as mesmas leveduras usadas para fazer pão , cerveja e vinho . As leveduras têm a vantagem sobre as bactérias de que seu manuseio em processos industriais foi estabelecido há séculos. Por isso, são ideais para a produção de etanol a partir da lignocelulose. Sua principal desvantagem, entretanto, é que eles só podem fermentar os açúcares C6 (= hexoses), mas não os açúcares C5 (= pentoses).

Nos últimos anos, vários grupos de pesquisa da Europa e dos Estados Unidos foram capazes de produzir cepas de leveduras que também fermentam o açúcar C5 em etanol. O material genético da levedura mostra que ela já foi capaz de utilizar o açúcar C5. No entanto, eles perderam essa propriedade novamente no curso de sua evolução . Com a ajuda da engenharia genética , foi possível devolver às células de levedura essa propriedade novamente ou até melhorá-las significativamente. Para este propósito, o material genético relevante de outras leveduras, fungos e bactérias foi introduzido neles. Isso resultou em células de levedura que podem fermentar os açúcares C6 e C5.

No caso da xilose de açúcar C5 , foram utilizadas duas estratégias diferentes. Os cientistas na Universidade de Lund, na Suécia utilizado um mecanismo de dois passos ( xilose redutase / xilitol desidrogenase a partir da levedura Pichia stipitis ) para introduzir xilose para o metabolismo do Saccharomyces levedura. Cientistas da Universidade de Frankfurt e da Universidade Técnica de Delft, na Holanda , conseguiram recentemente criar leveduras que integram a xilose diretamente em seu metabolismo em uma única etapa com a ajuda da enzima xilose isomerase e a fermentam em etanol. Os cientistas da Delft usam uma xilose isomerase eucariótica, enquanto os cientistas de Frankfurt usam uma xilose isomerase bacteriana, que tem a vantagem de ser menos fortemente inibida pelo inibidor xilitol.

No caso do açúcar arabinose C5 , o caminho de degradação de 5 estágios nas leveduras Saccharomyces , que costuma ser encontrado em fungos, revelou-se inadequado . Em contraste, uma via metabólica de 3 estágios foi estabelecida com sucesso na Universidade de Frankfurt , que por outro lado só é encontrada em bactérias. Se essa via metabólica fosse integrada à levedura e depois forçada a usar arabinose como única fonte de energia por vários meses, as cepas de levedura realmente se desenvolveriam capazes de fermentar arabinose além de glicose. Junto com pesquisadores da Universidade de Lund, foi cultivada uma levedura que pode fermentar todos os açúcares, ou seja, glicose, xilose e arabinose, em etanol.

Inibidores de fermentação

Uma terceira diferença entre o processo clássico de etanol-combustível e celulose-etanol são as substâncias tóxicas que surgem durante o pré-tratamento químico e térmico do material vegetal (por exemplo, furfurais ). Esses inibidores danificam os microrganismos usados ​​na fermentação. Eles devem, portanto, ser removidos antes da fermentação, o que, no entanto, acarreta custos adicionais.

logística

Uma quarta diferença fundamental é a densidade mais baixa dos resíduos da planta, i. H. a densidade de energia mais baixa em comparação com grãos ou grãos de milho . Isso significa maiores custos de transporte e maiores requisitos de espaço de armazenamento. Portanto, técnicas de prensagem mais eficientes , o transporte de material já triturado e instalações de produção menores e descentralizadas estão sendo investigadas.

Consideração econômica

A implementação de todos os açúcares pode melhorar significativamente a lucratividade da fermentação da biomassa vegetal. A palha contém cerca de 32% de glicose, 19% de xilose e 2,4% de arabinose. Portanto, 1  t de canudo contém 320  kg de glicose. Uma fermentação completa produz cerca de 160 kg de etanol, o que corresponde a um volume de 200  l . A fermentação completa da xilose de açúcar pentose resulta em 124 litros adicionais de etanol por tonelada de palha.

Em um estudo publicado em 2009 ( Biocombustíveis - Uma Análise Comparativa ), a Agência de Matérias-Primas Renováveis (FNR) estimou o custo do etanol lignocelulósico da palha residual em cerca de € 24 / GJ para 2020, em comparação com € 30 / GJ em 2007 . Com um valor calorífico de 23,5 MJ / l para o bioetanol, isso corresponde a cerca de 56 cêntimos / l (2020) ou cerca de 70 cêntimos / l (2007). No entanto, isso significa que os custos são mais elevados do que os custos do etanol- amido . Diante desse cenário, o estudo conclui que o bioetanol produzido a partir da lignocelulose dificilmente será competitivo sem subsídios. No entanto, deve-se levar em conta que os custos reais mostram apenas um sistema operado comercialmente. Os maiores custos são causados ​​pelas enzimas de sacarificação da celulose. No entanto, os fabricantes de enzimas ressaltam que já existem processos baratos para enzimas mais eficazes, mas não vale a pena fazê-los porque não há demanda. No longo prazo, o etanol celulósico provavelmente representará apenas uma solução temporária. Biocombustíveis de terceira geração, como B. O biobutanol apresenta melhores propriedades, mas apenas se forem obtidos a partir da lignocelulose.

literatura

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