Fra biogas til flybrændstof

Bioteknologi 3 Figurer Tema 6 Fra biogas til flybrændstof Bioteknologi 3 ISBN: 978-87-90363-48-2 Nucleus Forlag ApS Eksemplarfremstilling af papirkopier/prints fra denne hjemmeside til undervisningsbrug på uddannelsesinstitutioner og intern administrativ brug er tilladt med en aftale med opydan Tekst & Node. Eksemplarfremstillingen skal ske inden for de rammer der er nævnt i aftalen.

E pot = m g h øjde h E kin = ½ m v 2 Figur 2. Forskellige typer af energi.

Mekanisk energi Termisk energi Kemisk energi Strålingsenergi Elektrisk energi Kerneenergi Lydenergi Figur 3. De syv energiformer.

a b Potentiel energi (E pot ) 4 + 2 2 ΔE Potentiel energi (E pot ) ΔE 2 + 2 Reaktionstid Reaktionstid Figur 4. Exoterm og endoterm reaktion.

mgivelser T p Varmeveksling System T p Volumenændring Figur 5. Totalsystem.

12.029 10 6 tons olieækvivalenter lie 34 % Gas 20,9 % Kul 26, 5 % Andet* 0,7 % Atomkraft 5,9 % Vandkraft 2,2 % Afbrænding af affald, halm m.m. i kraftvarmeværker 9,8 % *Andet inkluderer jordvarme, solenergi, vindkraft m.m. Figur 6. Verdens energiforbrug 2007.

Energikilde Benzin Flaskegas Fyringsolie alm ydrogen Kul Naturgas (Nordsøen) Råolie Svær fuelolie Træ Træflis Uran 235 For at fremstille 1 kwh skal der anvendes (ca.): 84 g 78 g 86 g 280 g 30 g 124 g 74 g 86 g 88 g 260 g 180 g 0,5 10-4 g Figur 7. Energiindhold i forskellige energikilder.

Indhold af i % Indhold af i % Indhold af i % Træ 50 6 44 Tørv 55 6 39 Brunkul 73 5 22 Stenkul 84 5 10 Antracit (hårdt stenkul) 95 3 2 Diamant 100 0 0 Figur 9. arbonrækken.

... S......... N 3 S S S N...... Figur 10. Kemisk opbygning af kul.

Brændstof Brændværdi i MJ kg -1 Brunkul Stenkul Antracit lie Naturgas < 24 25-36 > 36 a. 42 48 Figur 11. Brændværdi af forskellige brændstoffer.

Kullagre 3000 Udledning fra fossile brændsler 6-8 lie- og gaslagre 300 Plantevækst og nedbrydning Biosfære 540-610 121 60 Brande Atmosfære 750 0,5 Ændringer i jordanvendelse 1,5 Jord og organisk stof 1580 Jordatmosfære udveksling 60 92 av-atmosfære udveksling 90 ydrosfære 38.000 pløst organisk bundet carbon 700 Lithosfære: marint sediment og carbonatbjergarter 66.000-100.000.000 astighed for udvekslingsprocesser meget hurtigt (under et år) hurtigt (1-10 år) langsomt (10-100 år) meget langsomt (over 100 år) verfladevand 1020 0,5 Marine organismer 3 Udveksling mellem overfladevand og dybt vand 1,5 40 irkulation i overfladen 50 Sediment 150 Figur 12. arbons kredsløb.

Fotosyntese: 6 2 + 12 6 12 6 + 6 2 + 6 arbondioxid og vand omdannes vha. lysenergi til glucose, oxygen og vand Respiration: Fermentering: 6 12 6 + 6 2 + 30 (ADP +P i ) 6 + 6 + 30 ATP 2 2 Glucose omdannes aerobt til carbondioxid og vand samt meget energi 6 12 6 + 2 (ADP +P i ) 2 3 + 2 2 + 2 ATP 6 12 6 + 2 (ADP +P i ) 2 3 + 2 ATP 6 12 6 + 2 (ADP +P i ) 3 7 + 2 2 + 2 + 2 ATP Glucose omdannes anaerobt til henholdsvis ethanol, 2-hydroxypropansyre (mælkesyre) eller butansyre, samt lidt energi og rester i form af carbondioxid og hydrogen Figur 13. Fotosyntese, respiration og gæring.

Økosystem Biomasse (kg m -2 ) Nettoprimærproduktion (g tørstof m -2 år -1 ) Tropisk regnskov Tempereret løvfældende skov Nordlig nåleskov Tempereret græsområde Kornmarker 45 30 20 1,6 1 2200 1200 800 600 650 Figur 14. Økosystemers biomasse og nettoprimærproduktion.

Atmosfære 2 og andre drivhusgasser 2 2 Figur 15. Drivhuseffekt.

Drivhusgas Naturlig forekomst Menneskeskabt stigning Globalt opvarmnings- Globalt opvarmningspotentiale på 20 år potentiale på 100 år arbondioxid ( 2 ) + + 1 1 Methan ( 4 ) + + 72 25 Dinitrogenoxid (N 2 ) + + 289 298 ydrofluorcarboner (F) + 2330-12.000 675-14.800 Perfluorcarboner (PF) + 5200-8600 7300-12.200 Svovlhexafluorid (SF6) + 16.300 22.800 Figur 16. Drivhusgasser og deres opvarmningspotentiale.

Årlig cyklus Jan. Apr. kt. Jan. 1960 1970 1980 1990 2000 390 380 370 360 350 340 330 320 310 2 -koncentration (ppmv) Figur 17. Stigning i atmosfærens carbondioxid.

Næringsstoffer og katalysatorer Benzin-erstatning Flydende masse Brændstoffer Diesel-erstatning Destillation Kemikalier Flybrændstoferstatning Biomasse/ organisk stof Findeling Fermentering Figur 18. Produkter fra biobrændselsproduktion. Fast masse Tørring Foder Plastikprodukter Fibre

Biodiesel Bioethanol Biobutan-1-ol Bioraffinaderi Biogas og ethanol Fermentering xidation Varme og el Biomasse Figur 19. Udnyttelse af biomasse.

1 ton våd biomasse i form af Kan omdannes til så mange m 3 biogas vilket svarer til så mange liter fyringsolie Kvæggylle Svinegylle Gødning fra erkræ Slagteriaffald, mave-tarmaffald Fedtholdigt slagteriaffald Fiskeolieaffald 22 22 50-100 40-60 > 100 100-1000 14 14 33-65 26-39 > 65 65-650 Figur 20. Typer af biomasse der kan omsættes til biogas.

Gasrensning Gaslager Biogas Biomasse til gødning Fortanke Reaktortank Efterlagertank Figur 21. pbygning af et biogasanlæg.

Trin 1 Spaltning af makromolekyler (ydrolyse) Trin 2 Trin 3 Syredannelse Ethansyredannelse (Fermentering/acidogenese) (Acetogenese) Trin 4 Methandannelse (Methanogenese) Biomasse Proteiner arbohydrater Lipider Aminosyrer Saccharider Propan-1,2,3-triol Fedtsyrer Ethansyre, 2 Biogas 4, 2 Ethanol Flygtige fedtsyrer Ethansyre p 5,0-6,0 p 5,5-6,7 p 6,6-8,0 Figur 22. De fire trin i biogasfremstillingen.

rganisk stof 1 ydrolyse Aminosyrer, saccharider, propan-1,2,3-triol, fedtsyrer 2 2 2 2 Ethanol 2 2 3 2 4 Ethansyre 4 Biogas Figur 23. Biogasproduktion.

Bestanddel Biogas m 3 /kg VS 4 -indhold % 2 -indhold % Proteiner 0,700 71 29 Lipider 1,250 68 32 arbohydrater 0,790 50 50 Figur 24. Biogasudbytte og -sammensætning.

N 4 + 2 Lidt 2 N 3 - N 2 + N 3 - Nitrifikation Ingen 2 N 3 - N 2 N 2 + N 2 Denitrifikation Lidt 2 Figur 25. Nettoresultat af kvælstofomsætning.

Kemisk opbygning af stivelse, amylose: 2 α(1,4)-glycosidbinding Rapsolie er opbygget af triglycerider, hvor ca. 7 % af fedtsyrekæderne er mættede, 58 % er monoumættede og 35 % er polyumættede Eksempler: 16 14 12 10 8 6 4 2 exadecansyre (palmitinsyre) 17 15 13 11 8 6 4 2 Z-octadec-9-ensyre (oliesyre) 18 16 14 11 8 6 4 2 (9Z, 12Z)-octadeca-9,12-diensyre (linolsyre) ellulose β(1,4)-glycosidbinding Figur 26. Indhold af amylose, rapsolie og cellulose i hvede og raps.

Brændsel Brænde Træbriketter Træpiller alm, gul alm, grå avretræpiller vede Rug, 14 % vand Brændværdi MJ kg -1 12,0 18,0 17,6 14,4 15,0 17,2 14,5 15,8 Figur 27. Plantebrændsler.

Enzymer tilsættes Vand tilsættes Gær G r tilsættes Plantemasse Findeling pvarmning Fermentering Alkoholblanding prensning Plantefibre Saccharider Gær 99,7 vol. % bioethanol 99,7 vol. % bioethanol BundfaldB Destillation Afvanding Tørring Presning Kreaturfoder Figur 28. Fremstilling af 1. generations bioethanol.

Amylose α-amylase Dextrin Amyloglucosidase Amylopectin α-amylase Glucose Amyloglucosidase Figur 29. Enzymatisk spaltning af amylose og amylopectin. Glucose

Figur 30. Destillationsapparat. Tema 6

a b 2 Stivelse Saccharose Glucose Fructose Glucose Figur 32. arbohydratspaltning ved produktion af 1. generations bioethanol.

ellulose 3 3 emicellulose 3 Plantebiomasse Planteceller Plantecellevæg 3-(4-hydroxyphenyl)-prop-2-en-1-ol (p-cumarylalkohol) Lignin emicellulose 3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)prop-2-en-1-ol (coniferylalkohol) 3 3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)prop-2-en-1-ol (sinapylalkohol) ellulosefiber Lignin 3 3 Figur 33. Lignocelluloses opbygning. Glucose

Findeling af planteaffald pvarmning og derved spaltning, evt. under tryk Enzymatisk spaltning til monosaccharider Frasortering af restmateriale, noget til foder andet til brændsel Fermentering af monosaccharider Frasortering af gærceller psamling af 2 Destillation af ethanol Figur 34. Fremstilling af 2. generations bioethanol.

ellulose Glucose Lignin emicellulose Glucose Galactose Mannose Xylose Arabinose m.fl. 3 3 Lignoler (coniferylalkohol, sinapylalkohol, p-cumarylalkohol) 3 Figur 35. Spaltning af lignocellulose ved produktion af 2. generations bioethanol.

3 3 Dieselolie Estergruppe 3 3 Biodiesel Propan-1,2,3-triol 3 3 3 Triglycerid Figur 36. pbygning af dieselolie, biodiesel og triglycerid.

a b Triglycerid R + 3 3 + 3 3 R R R Methanol Katalysator Figur 37. Triglycerid og omdannelse af triglycerid. Propan-1,2,3-triol Methylester (biodiesel)

Glucose + 3 N 3 3 3 3 3 2-oxopropanoat (pyruvat) 2-keto-isopentoat KD Valin 3 + 2 3 Isobutyraldehyd AD 3 3 Isobutylalkohol Figur 38. Biosyntese af isobutylalkohol.

3 Figur 39. Butylalkohol.