Fenntarthatóság és biomassza hasznosítás

1. Dr. Kálmán Gergely Fenntarthatóság és biomassza hasznosítás Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemVegyészmérnöki és Biomérnöki KarAlkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék ZÖLD KÉMIA 2012. október 10.

2. 1. Rész: fenntarthatóság, fenntartható fejlődés

3. A fenntartható fejlődés • Hivatalos definíció: • Fenntartható fejlődés: „Olyan fejlődési folyamat, amely kielégíti a jelen igényeit anélkül, hogy csökkentené a jövendő generációk képességét, hogy kielégítsék a saját igényeiket” (ENSZ, 1987, Brundtland-jelentés.) • Mik a „jelen igényei”? • Mi a „jövő generáció”, ill. „annak igénye”? • Honnan tudjuk, hogy annak kielégítését mi veszélyezteti?

4. A fenntartható fejlődés Saját definíció: Fenntartható: anyagforgalmai zárt körfolyamatokként írhatók le. Nincs anyag fogyás, v. felhalmozódás.

5. A fenntartható fejlődés DE! A zárt körfolyamatot valami fenn kell, hogy tartsa! Nincs perpetuum mobile, minden zárt körfolyamatot valami mozgat! Energia (Nap? Fosszilis?)

6. A fenntartható fejlődés Tágabb értelemben (energia áramokat beleértve) fenntarthatóság nem létezik. (Hisz az perpetuum mobile lenne.) „Megújuló energiaforrás” fizikailag nem létezik. Egyszerűsítés: a Nap és a Föld hőenergiáját áll.-nak vesszük. Az ezeken alapuló energiaforrásokat megújulónak nevezzük. Termodinamika három főtörvénye: 1. Energia nem vész el (és nem keletkezik), csak átalakul. 2. Zárt rendszer entrópiája mindig nő. 3. Az abszolút nulla fokot nem lehet elérni.

7. A fenntartható fejlődés Fejlődés: rendezettség (intelligencia, problémamegoldó képesség) növekedése (entrópia csökkenése). Konklúzió: „Fenntartható fejlődés” anyagi értelemben lehetetlen. Szellemi, lelki fejlődésre kell törekedni, anyagi értelemben pedig arra, hogy minél kevesebbet ártsunk (ha már használni nem tudunk).

8. A fenntartható fejlődés Helyi szinten már régóta eltávolodtunk a „fenntarthatóságtól”, történtek társadalmi összeomlások, fajok kipusztulása. (pl.: Mamut, erdőirtás, talajpusztulás, - polinézek, indiánok, stb. 1550-1680: Dodó). Mára a lokális problémák globálissá váltak, az ember életmódja globálisan is fenntarthatatlan. A Természet társ legyen, ne csak erőforrás! • Egy bolygó megszólítja a Földet: • Hallod-e, milyen rosszul nézel ki! • Ne is mondd! Homo sapiensem van. • Ne izgulj! Gyorsan elmúlik.

9. 2. Rész: a klímaváltozásról

13. Pozitív visszacsatolás! • Olvadó jégtakarók, kisebb fényvisszaverés. • Fagyott talajok, vizek felolvadása, fagyott biomassza erjedése, metánkibocsátás (pl.: Szibéria). • Óceánok mélyén: metánhidrát felszabadulása.

14. Az éghajlatváltozás következményei Éghajlat melegedése, csapadékeloszlás megváltozása (időben, térben), szélsőséges időjárási jelenségek gyakoribbá válása, világóceán szintjének emelkedése, savasodása, mindezek következtében zavarok az ökoszisztémákban, fajok pusztulása.

15. „Geoengineering” Pl.: mesterséges felhők, tükörfelhő, kén-dioxid felhő, sófelhő, tengerek műtrágyázása): kockázatos megoldások, melyekkel további problémák járhatnak. Kísérletezés a Földdel. CCS: Carbon Capture and Sequestration. CO2 föld alá injektálása. (Kockázatos, és legfeljebb átmeneti megoldás lehet.)

16. Éghajlatváltozással, globális felmelegedéssel kapcsolatban javasolt referenciák: http://www.copenhagendiagnosis.org/ http://www.ipcc.ch/

17. ÜHG kibocsátás forrásai • Közlekedés • Mezőgazdaság, területhasználat • Villanyáram termelés • Ipar hőigényei • Lakosság hőigényei • Karbonátos kőzetek bontása/bomlása (savas eső, cementgyárak)

18. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? Általános szabályok 1. fogyasztás csökkentése, önmérséklet (vásárlás során a termék ökológiai lábnyomának, externáliáinak figyelembe vétele, helyi termékek fogyasztása) 40 év óta az első visszaesés ÜHG kibocsátásban: most, a világgazdasági válság hatására! 2. születésszabályzás 3. energiahatékonyság javítása

19. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Közlekedési szektor • Utazási igény csökkentése, közlekedésszervezés. • tömegközlekedés, gyaloglás, kerékpár használata. • Kis fogyasztású autók (hibrid, plug-in hibrid) használata (120-140 g/km) • CNG: Compressed Natural Gas (földgáz) használata • Elektromos autók, kerékpárok, motorok (Villanyáram forrását figyelembe kell venni! Reva, Mo.-n: kb. 60 g/km, Solo: 45 g/km)

20. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? Bioüzemanyagok: bioetanol, biodízel, biogáz, BTL, „sunfuel”, biohidrogén, stb.

21. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? A bioüzemanyag termelése földterületet igényel. Nincs annyi terület, amennyi kielégíthetné az emberiség élelmiszer és üzemanyag igényét. Sőt! Ha az USA az összes kukoricájából kizárólag etanolt gyártana, mindössze 17%-át tudná fedezni jelenlegi benzin fogyasztásának. A világ összes kukoricájával is csak 40%-ot válthatna ki. M.o. éves fogyasztása: 2,1 Mm3 benzin, 3,2 Mm3 gázolaj. Összes kukoricánkból (kb. 7 Mt) elvileg elő lehetne állítani 2,7 Mm3 etanolt.

22. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? A bioüzemanyag termelés az élelmiszer termelése mellett az eredeti növénytakaró (őshonos társulások, a biodiverzitás) csökkenését eredményezi. (Kiszoríthatjuk-e lénytársainkat a Földről azért, hogy nekünk energiánk legyen? Az-e a legjobb módja a ránk bízott területek használatának, hogy energiaforrást termelünk rajta?) A bioüzemanyag termeléshez használt föld és energia határozza meg az eljárás ökológiai lábnyomát. Legjobb bioüzemanyagok pl.: szerves hulladékok (pl. trágya, szennyvíziszap, TSZH, mezőgazdasági ipari hulladékok, eladhatatlan termények) hasznosítása, alga termelés, helyi alapanyag használata kis energia befektetéssel.

23. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? Úgy tűnik, hogy igen kevés (kb. 20 - 30%) ÜHG megtakarítás adódik kukorica-etanol esetében. (Az EU 56%-al számol.) Számítás: 7 t/ha kukorica, 4,9 t/ha keményítő, 2,7 t/ha etanol. Ez az EU szerint 3 t/ha CO2 kibocsátást, benzinhez viszonyítva pedig 3,8 t/ha CO2 megtakarítást eredményez. Javaslat: a fent kiszámolt ÜHG megtakarítást hasonlítsuk az erdő telepítés (ökológiai restauráció) CO2 megkötéséhez. Egy hazai őshonos erdő a telepítéstől számított első 80 évben kb. 10 t/ha CO2-t köt meg évente!

24. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? „A” verzió: Az adott, szabad földterületen kukorica termesztése, ebből etanol előállítása, ezzel kőolaj megtakarítás. „B” verzió: Az adott, szabad földterületen őshonos erdő telepítése, ezzel széndioxid megkötés. Az „A” esetben megtakarított kőolaj kitermelése, elégetése. Eredmény: -10 t/ha CO2 Eredmény: -3,8 t/ha CO2

25. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Mezőgazdaság, területhasználat • Természetes növénytakaró irtása, ill. energetikai növénytermesztés helyett: ökológiai restauráció (őshonos erdők telepítése). Okok: biodiverzitás, ökoszisztémák fenntartása, CO2 megkötés. Ez általános szabály. (Pl. brazíliai cukornád vs. esőerdők, indonéz olajpálma vs őserdők) A bioüzemanyag termelésének felfutása nem azt bizonyítja, hogy ez jó, hanem azt, hogy ebben pénz van. • Talajlevegőztetés, mélyszántás kerülése, vegyszerhasználat csökkentése. Talajpusztulást csökkentő eljárások alkalmazása. (GOF helyett zöldség, gyümölcs, erdőkertészet) • Kérődzők metánkibocsátásának csökkentése.

26. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Villanyáram termelés: • Nukleáris energiatermelés (fissziós, fúziós). Mo. villanyáram felhasználásának (5 GW) 40%-át (2 GW) Paks termeli. Jövő: Szaporító reaktorok (breeding reactor): U238 Pu239 • Szélerőművek. (Probléma: ingadozás. Pufferelni kell pl. víztározókkal, v. gyorsan indítható háttér kapacitásokat kell fenntartani – pl. gázerőművek, gázmotorok) Jelenleg Mo.-n: 1%

27. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Naperőművek (Pl. ún. napkohó: hőtükör, fókuszálás, hőközlő folyadék, majd gőzfejlesztés, gőzturbina; fotovoltaikus panel (napelem); alga erőmű, biomassza erőmű. Probléma: télen 90%-al visszaesik.) • Geotermikus erőművek (Hagyományos; EGS: Enhanced Geothermal System; HDR: Hot Dry Rock. Probléma: számos gyakorlati akadály, kb. 7% hatásfok, hőszennyezés, ÜHG kibocsátás) • Vízerőművek (amennyiben nincs anaerob biodegradáció, mert ha van, akkor hatalmas metánkibocsátás jelentkezhet a turbináknál!)

28. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? Hőerőművek hatásfokának javítása: Organic Rankin Cycle: szerves Rankin körfolyamat (a hőerőművek fáradt gőze illékony szerves folyadékkal töltött gőzkazánt fűt, amely újabb turbinát hajt meg)

29. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Ipar hőigényei: • Egyedi megoldások (pl.: kisebb energiaigényű reakcióutak alkalmazása – katalizátorok, enzimek alkalmazása, hulladékhő áramok hasznosítása) • Fogyasztás csökkentése

30. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Lakosság hőigényei: • Hőszigetelés. Passzív/szolár házak (Fűtést gyakorlatilag nem igényelnek. Szellőzést meg kell oldani.) • Hulladékkal fűtés. Központilag: hulladékégetők. Házilag: fa, papír, karton, szalma – kazánban/kályhában. • Napkollektor. Hőtárolás (nyári hőenergiát télre, pl. 100-200 tonna vízzel). • Termálvízzel fűtés.

31. Hogyan lehet az ÜHG kibocsátást csökkenteni? • Gázfűtés magas hatékonysággal: kondenzációs gázkazán, gázmotoros hőszivattyú (hatékonyság>100%!) • 6. Hőszivattyú. (COP>1!) Ökoházak (szalmabála, cellulóz (papírrost) házak)

32. 3. Rész: a kukorica maghéj alternatív hasznosítása

33. Célkitűzés • A kukorica maghéj, mint jelentős mennyiségben termelődő mezőgazdasági ipari melléktermék alternatív (érték növelő) hasznosítása. • Az ún. nedves őrléses eljárással feldolgozott kukorica tömegének kb. 10%-a! Hungrana Kft.: 100 t/nap kb. 250 t/nap. Takarmányként hasznosítják. • (Eredetileg elsősorban a bioetanol előállítása volt a cél. Később: nem csak a bioetanol, hanem a lehető legtöbb értékes termék előállítása a cél. „BIOREFINING”)

34. M.o.: 1,1-1,2 Mha-on kukoricát termesztünk (kb. 13%) Termés: 4-9 Mt/év

35. A lignocellulózok összetétele és hasznosítási módjai Cellulóz:ß-D- glükóz poliszacharidja. Céltermék: glükóz (melyből bioetanol erjeszthető). Savas és celluláz enzimes hidrolízis lehetséges. Utóbbihoz előkezelés szükséges. Hemicellulóz: jellemzően pentózok heteropoliszacharidja, de van benne pl. glükóz és ecetsav is. Céltermék: pentózok. Ezekből cukoralkoholok (pl.: xilit), trihidroxi-glutársav, bio-felületaktív anyagok, ill. bioetanol állítható elő. Lignin: aromás heteropolimer (nagyrészt fahéjalkoholból és gvajakolból épül fel). Céltermék: elgázosítás, kigázosítás termékei (pl. BTL). Keményítő:α-D- glükóz poliszacharidja. Céltermék: glükóz (melyből bioetanol erjeszthető). Savas v. enzimes hidrolízis.

36. Növényi szterinek, szterinészterek Az étkezési kukorica olajban, valamint a kukorica szem ipari feldolgozása során keletkező melléktermékek (kukoricarost, csíra dara) olajában is megtalálhatók. Hagyományos kukorica olajban: 0,45% (w/w), kukoricarost olajban: 8-10% (w/w) fitoszterin a kukoricarost olajban! Ez a legmagasabb koncentráció amit – irodalmi források szerint – étkezési célú növényi olajokban mértek. LDL koleszterin szint csökkentő, valamint antioxidáns hatású komponensek. Ár: 10-50 €/kg Felhasználhatóak ún. funkcionális élelmiszerek hatóanyagaiként.

37. Komponens 2001 2002 2003 Keményítő 23,8 ±3,2% 14,0 ±4,4% 15,4 ±4,8% Cellulóz 15,0 ±17,3% 12,9 ±1,5% 13,5 ±5,8% Xilán 21,8 ±2,5% 21,9 ±4,6% 20,0 ±3,0% Arabinán 10,8 ±6,2% 11,3 ±4,5% 10,6 ±1,8% Acetát n.a. 2,0 ±3,0% n.a. Lignin 7,6 ±15,1% 7,4 ±14,3% 5,0 ±5,9%** Fehérje 12,9 ±14% 12,8 ±20% 13,4 n.a. Olaj 2,6 ±22% 2,2 ±31% 2,4 ±11% Hamu 1,0 ±22% n.a. n.a. Egyéb <3,1 <15,5 <18,5 Kukoricarost összetétele

38. Kukoricarost frakcionálása Keményítő elválasztása (T=120oC) Kukoricarost 1. Szilárd maradék 1. felülúszó Híg kénsavas előkezelés (T=120oC) 2. Szilárd maradék Enzimes hidrolízis 3. Szilárd maradék 3. felülúszó 2. felülúszó

39. Kukoricarost keményítőmentesítése amilázokkal

40. Száraz tömeg 73 Cellulóz 14,4 ±5,3% Hemicellulóz: Xilán Arabinán Glükán Acetát 21,8 ±5,3% 11,2 ±7,5% 2,4 ±6,8% 2,6 ±5,7% Fehérje 9,6 ±21,5% Lignin 6,7 ±8,0% Olaj 2,2 ±50% Hamu 1,0 Egyéb 1,1 1. Szilárd maradék (keményítőmentesített kukoricarost) összetétele [g/100g k.r.]

41. 2. Szilárd maradék összetétele (híg kénsavas kezelést követően)

42. 48h celluláz enzimes hidrolízis után

43. Száraz tömeg Száraz tömeg 10,8 1,9 Fehérje Cellulóz 4,1 0,7 Olaj Egyéb 4,8 1,2 Egyéb 1,9 Enzimes hidrolízis eredményei: finom és durva rost összetétele

44. Kukoricarost frakcionálásának eredményei A frakcionálás hatására a kukoricarost olaj kitermelés kétszeresére, az összes fitoszterin kinyerés 0,21 g/100 g kukoricarost-ról 0,38 g-ra (81%-al) nőtt. Közel 100% konverzió a celluláz enzimes hidrolízisben annak ellenére, hogy az alkalmazott celluláz enzim dózis csak 5 FPU/g sz.a. volt. Ok: alacsony lignin, magas hemicellulóz tartalom a nyersanyagban. A frakcionálás során sikerült éles elválasztást biztosítani a keményítő, a hemicellulóz és a cellulóz között, valamint ezzel egyidejűleg sikerült jelentősen megnövelni a fitoszterin kinyerést. Mindezt egy alacsony vegyszer és energia igényű eljárással sikerült megvalósítani.

45. Olaj minták szterin összetételének összehasonlítása Daguet, D., 2000: Phytosterols: highly promising compounds. Lipid Technology 12 (7) 77-80.

46. Tézisek 1. A megvizsgált lignocellulózok (kukoricaszár, kukorica maghéj, csíra dara) hemicellulóz tartalma híg ásványi savakkal emelt hőmérsékleten (1-2% w/w kénsavval T=120ºC hőmérsékleten, két óra tartózkodási idő mellett) élesen elválasztható a cellulóztól. (A hemicellulóz eltávolítása nem feltétlenül elegendő ahhoz, hogy egy lignocellulóz nyersanyag cellulóz tartalmát a celluláz enzimek számára teljes mértékben hozzáférhetővé tegyük, lásd pl.: kukoricaszár. Amennyiben a lignocellulóz hemicellulóz/cellulóz aránya magas, lignintartalma pedig alacsony, úgy a hemicellulóz eltávolítása enzimesen hozzáférhetővé, bonthatóvá teszi a cellulózt, lásd pl.: kukorica maghéj.) Kukorica maghéj esetében 90%-os, vagy azt meghaladó konverzió érhető el 5 FPU/g sz.a. enzim dózis alkalmazása mellett.

47. Tézisek 2. A kukorica maghéj és a préselt csíra dara poliszacharid tartalmának eltávolításával olyan szilárd termék nyerhető, amelynek lipidtartalma magasabb, mint a kiindulási anyagé. (Kukorica maghéj esetében a lipidtartalom dúsítása hússzoros is lehet.) A kukorica maghéj poliszacharid tartalmának eltávolításával az oldószeres extrakcióval kinyerhető lipidek és fitoszterinek mennyisége jelentősen növelhető. (A lipid kinyerés kétszeresére, a fitoszterin kinyerés kb. 80%-al növelhető.) 3. A keményítő szabvány szerinti (sósavas, emelt hőmérsékletű hidrolízisen alapuló) meghatározása tendenciózus hibával terhelt abban az esetben, amikor a nyersanyagban hemicellulóz is van. (Pontos keményítő meghatározás ebben az esetben enzimes keményítő hidrolízissel végezhető.)

48. Tézisek 4. A Klason-lignin tartalom meghatározása tendenciózus hibával terhelt, amennyiben a minta lipid vagy fehérje tartalma jelentős, mint pl. a kukorica maghéj esetében. (Ilyen esetekben a fehérje, valamint az összes (kötött és szabad) lipid külön meghatározása szükséges.)

49. Köszönöm a figyelmet.