Alternatív üzemanyagok

A környezetvédelem egyik legfontosabb célja, hogy a megújuló energiaforrásokat kiaknázzuk. Ma a legnagyobb probléma, hogy az energiakészleteink 70-80%-át még mindig fosszilis energiahordozókból biztosítjuk, mint például a szén, gáz, olaj égetésével. Pedig számos megújuló energiahordozó bioanyag vesz körül minket, melyekkel ha még teljesen nem is, de részben helyettesíteni lehet a fosszilis üzemanyagokat.

Ezen bioanyagok a cellulóz, hemicellulóz, lignin, keményítő, melyek minden növényben nagy mennyiségben előfordulnak, az első három például a sejtfal felépítésében. Ezek megújuló bioanyagok, hiszen a növényeknek csak vízre, mint elektron donorra, CO2-ra, mint szénforrásra és napfényre, mint energiaforrásra van szükségük, hogy előállíthassák ezen szerves molekuláikat. A fenti források mind részt vesznek egy anyagkörforgalomban, tehát nem tűnnek kifogyó készleteknek. Most nézzünk meg pár technológiát, melyekkel a mai alternatív üzemanyagok előállíthatók, például a bioetanol, biohidrogén és a biodiezel.

Bioetanol

A fermentáció sematikus ábrája

A bioetanol (etil-alkohol) semmiben nem különbözik a fogyasztásra alkalmas alkoholtól, persze a tiszta, ipari 98-100 V/V%-os alkohol megivásával ne próbálkozzunk. Etanolt évezredek óta az élesztőgomba, Saccharomyces cerevisiae közbenjárásával termelünk. A cukrokat alkoholos erjedés révén szén-dioxiddá és etil-alkohollá alakítja. Mára már több sikeres próbálkozás valósult meg a más szénhidrátok, növényi hulladék, biomassza feldolgozására és etanollá való alakítására. A cellulóz és a lignocellulóz közvetlenül fermentálható genetikailag módosított mikroorganizmusokkal. A módosítás lényege, hogy a mikroorganizmus   fokozottan celluláz enzimet termeljen, mely a szénhidrátot cukorrá alakítja, ami a fermentációnak esik áldozatul. Ez egy hatalmas áttörés, hiszen az USA-ban évente 500 millió tonna nyers növényi biomassza válik feldolgozhatóvá. A kipréselt cukornád, a szalma, a papírhulladék, mind átalakítható etanollá biotechnológiai úton. Új és hatékonyabb felfedezés az algákból való bioüzemanyag gyártás. Az algák szárazanyag-tartalmának mintegy 60%-a szénhidrátokból áll, ennek a fele az úgynevezett algin. Az Escherichia coli baktérium egyik genetikailag módosított alfaja képes az algint közvetlenül etanollá alakítani. Ezzel a módszerrel sokkal hatékonyabbá tehető a bioüzemanyag gyártás, hiszen ugyanakkora földterületen többszöröse lehet a bioetanol produkció a hagyományos eljárásoknak.

Magyarországon is egyre elterjedtebb a bioüzemanyagok használata. Bioetanolos üzemanyag az ún. E85, minden feltételnek megfelel, amelyeknek egy üzemanyagnak meg kell felelnie, csupán egy átalakítót kell beszereltetnünk autónkba, hogy a hasznosítás megoldható legyen. A hagyományos motor gátjai: hidegindítás, injektorcsatlakozó, hőgomba csatlakoztatás, megbontás nélküli szerelhetőség, számítógép vezérelte programozhatóság.

Biohidrogén

A hidrogén gáz, mint energiaforrás egyik legnagyobb előnye, hogy égetése során nem keletkezik CO2. A biohidrogén nem homológ kifejezés a biogázzal, hiszen a biogáz fő komponense a metán, mely szén tartalmú molekula, égetése során keletkezik szén-dioxid. Biológiai úton a fotoszintetizáló mikroorganizmusok, cyanobaktériumok ill. az algák segítségével nyerhetünk hidrogén gázt, hiszen számos faj rendelkezik hidrogenáz és nitrogenáz enzimmel, így képesek hidrogént termelni fotoszintetikus vízbontással. Az ábrán látható, hogy a nitrogenáz két proteinből álló enzimkomplex. A nitrogén-fixáció, azaz a nitrogéngáz ammóniává történő redukálása során hidrogén gáz is keletkezik. Ehhez még szükségesek a redukált molibdén-vas komplex elektronjai is. Ilyen nitrogenázzal rendelkező cyanobatktérium faj például az Anabena cylindriaca.

Az egyik különleges zöldalga a Scenedesmus (Chlorophyta törzs/ Chlorophyceae család/ Chlorococales rend), mellyel biotechnológiai úton nyerhető biohidrogén. A Scenedesmus különlegessége, hogy nem csak fénykezelés alatt tud hidrogént termelni, hanem sötétben és anaerob körülmények között is. Ez felveti azt a kérdést, hogy akkor vajon honnan származik a redukáló erő, ha nem a fotolízisből, azaz a fotoszintézis során a vízbontásból? A válasz az, hogy a Scenedesmus képes alternatív megoldásokkal biztosítani a redukáló erőt. Ez úgy történik, hogy időben ketté van választva az oxigén- és a hidrogénprodukció, de ehhez nem szükséges egyidejűleg vízbontás, hiszen a Scenedesmus képes a redukáló erőt keményítővel helyettesíteni. A nappal felhalmozott fotoszintézis során termelt keményítő éjszaka anaerob körülmények között szétbomlik hidrogén gázra és különféle szerves savakra. Fényen csak néhány percig történik hidrogéntermelés, hiszen a vízbontásból származó oxigén inaktiválja a hidrogenázt, ezért is szerencsés a hidrogéntermelés szempontjából, hogy éjszaka a keményítőből fedezi a redukáló elektronokat a mikroalga.

Biodiesel

Az algákból készült bioüzemanyagokat harmadik generációs üzemanyagoknak hívjuk. Az első generációs olyan alapanyagokból készül, amelyek emberi fogyasztásra is alkalmasak, például szójabab, kukorica, pálma. A második generációs bioüzemanyagok alapanyagai nem alkalmasak emberi fogyasztásra, többnyire mindenféle biológiai hulladék hasznosítható, csupán csak pár eljárást kell elvégezni, hogy folyékony biomasszát hozzunk létre. A harmadik generációs alga üzemanyagoknak hatalmas előnyük a korábbiakkal szemben, hogy nincsen közvetlen kapcsolatban az ember táplálékláncával, hatalmas hozamot tud produkálni kis területen és a fenntartása olcsó, csak az új, hatékonyabb technológiák kifejlesztésének költsége szab határt.

Hogyan lesz az algákból biodiesel? Csakúgy mint a magasabb rendű növények, az algák is termelnek lipideket (triglicerideket). A micro-algák a legnagyobb biológiai produkcióval fotoszintetizáló szervezetek, így belőlük nyerhető ki a legtöbb biodieseltermelésre fordítható triglicerid. Akár 15 000 gallon olajat is termelhetnek évente egy holdnyi területen.

Az ábra anyaga nem teljesen átfedő a szöveggel, csupán szemléltető. Az olaj-hozam kimagasló az algáknál!

Lépései:

1. Szabályozott körülmények között növesztett micro-alga kultúra létrehozása

2. Algák begyűjtése

3. Szűrés

4. Centrifugálás

5. Lebegtetés

6. Flokkuláció (pelyhesítés)

7. Olaj extrahálása

8. Tisztítás

9. Észterezés

(lesz folytatás egy új bejegyzés formájában)