Przetwarzanie biomasy drzewnej na cele paliwowe

Zielona chemia i mieszaniny eutektyczne 

Zielona chemia to pojęcie utylitarne wpisujące się w filozofię zielonego ładu i gospodarki cyrkularnej. Można powiedzieć, że to pojęcie polega na dążeniu do opracowywania technologii i procesów technologicznych niezagrażających środowisku naturalnemu oraz redukujących do minimum powstawanie odpadów. 

Jedną z metod osiągnięcia tych założeń jest stosowanie w przemyśle odczynników neutralnych dla środowiska naturalnego, podlegających biodegradacji. Dodatkową zaletą byłoby działanie selektywne (wybiórcze) danych produktów. Substancjami tego rodzaju są np. ciecze jonowe, mieszaniny eutektyczne (w tym mieszaniny głęboko eutektyczne), rozpuszczalniki oparte na enzymach lub rozpuszczalniki wykorzystujące sole metali w niskim stężeniu (choć tu coraz częściej podaje się niekorzystny wpływ na organizmy wodne).  

Mieszanina eutektyczna to roztwór dwóch lub więcej substancji, które po zmieszaniu tworzą roztwór o znacznie niższej temperaturze topnienia niż dla każdej z osobna. Powoduje to, że mając ciekawe właściwości fizyko-chemiczne, ich stosowanie umożliwia obniżenie temperatury niektórych reakcji. Są rozpuszczalnikami selektywnymi, co umożliwia usuwanie z biomasy np. ligniny lub celulozy, itp. Dodatkowo są substancjami bezpiecznymi dla środowiska przez degradację oraz niewystępowanie kumulacji w środowisku w razie „skażenia przyrody”. 

Dlaczego mieszaniny eutektyczne? 

Mieszaniny eutektyczne są substancjami działającymi selektywnie. Usuwają produkty, na których nam nie zależy lub których chcemy się pozbyć. Dodatkowo podczas recyklingu tych mieszanin można odzyskać substancje wyekstrahowane za ich pomocą. Dr inż. Jan Szadkowski z Katedry Nauki o Drewnie i Modyfikacji Drewna Wydziału Nauk Leśnych i Drzewnych SGGW chciał usunąć z biomasy drzewnej ligninę, która jest substancją inhibitującą procesy hydrolizy i fermentacji alkoholowej (obniża wydajność procesu obróbki wstępnej; produkty powstające podczas rozpadu ligniny działają niekorzystnie na enzymy oraz organizmy żywe, np. bakterie, grzyby). Usunięcie ligniny z biomasy może zwiększyć wydajność obróbek wstępnych (wybuch parowy, autohydroliza wysokotemperaturowa, itp.) wpływając na wyniki i opłacalność produkcji bioetanolu do celów paliwowych. Dodatkowo są przyjazne dla środowiska, podlegają recyklingowi. I nie wymagają stosowania metod czyszczenia i zobojętniania materiału po wstępnej ekstrakcji. 

Generacja II i III biopaliw 

Najprościej można powiedzieć, że generacja II i III biopaliw stanowią zaawansowane paliwa ekologiczne, których produkcja nie konkuruje z produkcją żywności. Do generacji II zaliczana jest biomasa odpadowa, np. słoma, trociny, pozostałości z produkcji rolnej, tartacznej, itp. Generację III stanowią biopaliwa oparte na mikroorganizmach, jak algi. Ich zastosowanie wymaga zaawansowanej technologii przetwarzania i wytwarzania biomasy i materiałów. W generacji III biopaliw można stosować organizmy GMO zwiększające produkcję biomasy oraz zwiększające wytrzymałość organizmu na warunki środowiskowe itp. 

I tutaj, dr inż. J. Szadkowski zwraca uwagę na możliwość selektywnego rozdzielnia substancji z biomasy drzewnej, co umożliwia obecna technologia. Wizja naukowca skłania się do waloryzacji całej biomasy (podnoszenia jej wartości energetycznej i właściwości) dla przemysłu drzewnego. Pozyskanie ligniny, substancji zapachowych, itp., z których można wytworzyć produkty dla przemysłu spożywczego, chemicznego (lakiery, gumy, kleje), cukry proste, jak arabinoza, fruktoza, itp., stosowana jako wzorce lub słodziki, a także cukry stosowane do fermentacji alkoholowej (glukoza, celobioza, celuloza).  

Pozyskiwanie bioetanolu z biomasy drzewnej 

Istnieją linie techniczne i półtechniczne wykorzystujące biomasę drzewną do procesu pozyskania bioetanolu. Problem polega na tym, że linie te pracują na hydrolizie kwaśnej. Jest to starsza technologia, która była wykorzystywana w latach siedemdziesiątych, np. do produkcji denaturatu. Stąd czasem można spotkać się z alkoholem drzewnym jako określenie tego produktu.  

Istniała jedna linia technologiczna produkująca bioetanol z biomasy lignocelulozowej umieszczona w Ameryce Południowej, ale od czasu uruchomienia zmieniała profil produkcji. Z ostatnich informacji jakie udało się uzyskać dr. inż. J. Szadkowskiemu, a było to około 10 lat temu przy pisaniu doktoratu, wytwarzała bioetanol z trzciny cukrowej. Co jest zdecydowanie prostszym procesem stosowanym od lat w przemyśle cukierniczym.  

Wynik badań projektowych 

Projekt stanowił badania wstępne do zastosowania mieszanin eutektycznych w technologii bioetanolu. Na chwilę obecną dr inż. Jan Szadkowski wie, że mieszanina chlorku-choliny i kwasu mlekowego radzi sobie z delignifikacją materiału drzewnego (z procesem usuwania ligniny z drewna) nawet w przypadku drzew iglastych, jak sosna. Dodatkowo udało się ustalić warunki procesu (temperaturę oraz czas) dla gatunków takich jak dąb i sosna oraz przeprowadzać ten proces w formie powtarzalnej. 

Zespół projektowy 

Projekt Miniatura jest jednoosobowym zadaniem badawczym, dlatego dr inż. Jan Szadkowski z SGGW realizował go samodzielnie. Ale kiedy pojawiały się pytania lub potrzeba dodatkowych analiz, to mógł liczyć na wsparcie innych naukowców. 

Część badań wykonywał w Zvoleniu na Słowacji z udziałem dr Viery Kučerovej, a w SGGW korzystał z pomocy promotora swojej pracy doktorskiej – dr. hab. inż. Andrzeja Radomskiego, a także dr inż. Dominiki Szadkowskiej oraz dr. inż. Michała Drożdżka.

dr inż. Jan Szadkowski – przejdź do profilu naukowca w Bazie Wiedzy SGGW (otwarcie w nowej karcie)
Katedra Nauki o Drewnie i Modyfikacji Drewna 
Wydział Nauk Leśnych i Drzewnych SGGW