ENCIMSKA RAZGRADNJA ODPADNEGA MULJA PAPIRNE INDUSTRIJE

Transcription

1 Magistrsko delo ENCIMSKA RAZGRADNJA ODPADNEGA MULJA PAPIRNE INDUSTRIJE September, 2015 Matjaž Kitak

2 Matjaž Kitak Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije Magistrsko delo Maribor, 2015

3 Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije Magistrsko delo študijskega programa II. stopnje Študent: Študijski program: Predvideni strokovni naslov: Mentor: Komentor: Matjaž Kitak magistrski študijski program II. stopnje Kemijska tehnika magister inženir kemijske tehnike doc. dr. Darja Pečar red. prof. dr. Andreja Goršek Maribor, 2015

4

5 Kazalo Kazalo... I Izjava... II Povzetek... IV Abstract... V Seznam tabel... VI Seznam slik... VII Uporabljeni simboli... VIII 1 Uvod Teoretiĉni del Kemijska procesna tehnika Šarţni reaktor Proizvodnja bioetanola Lignocelulozni material Odpadni papirni mulj Reakcija hidrolize in alkoholne fermentacije Metode dela Delovanje in specifikacije osrednjega reaktorskega sistema Uporabljene kemikalije in pripadajoĉa laboratorijska oprema Metode dela Predobdelava Izraĉun koncentracije glukoze Izraĉun koliĉine bioetanola Raĉunalniška simulacija Eksperimentalni del Postopki predobdelave Reakcija hidrolize odpadnega mulja Merjenje koncentracije glukoze Alkoholna fermentacija glukoze v bioetanol Rezultati in diskusija Umeritvena krivulja Encimska hidroliza odpadnega mulja Mletje Kislinska predobdelava Alkalna hidroliza in oksidacija Primerjava razliĉnih tehnik predobdelave Fermentacija glukoze v bioetanol Blokovna shema procesa Raĉunalniška simulacija Zakljuĉek Literatura Priloge Bolj razredĉena raztopina (w = 0,1 %): Manj razredĉena raztopina (w = 0,35 %): Ţivljenjepis I

6 Izjava Izjavljam, da sem magistrsko delo izdelal sam, prispevki drugih so posebej oznaĉeni. Pregledal sem literaturo s podroĉja magistrskega dela po naslednjih geslih: Vir: ScienceDirect ( Gesla: Število referenc glucose IN bioethanol IN aspenplus 18 waste sludge IN pretreatment IN aspenplus 20 bioethanol IN cellulase IN enymatic hydrolysis 2 Vir: Wiley Online Library ( Gesla: Število referenc waste sludge IN bioethanol IN enzyme 245 paper mill IN enzymatic hydrolysis IN celullase 3 glucose IN bioethanol IN pretreatment IN waste sludge 163 Vir: COBISS/OPAC ( COBIB.SI) Gesla: Število referenc odpadni mulj 50 bioetanol IN encimska hidroliza 2 Skupno število pregledanih člankov: 34 Skupno število pregledanih knjig: 7 Maribor, september 2015 Matjaž Kitak II

7 ZAHVALA V času študija in nastajanja tega magistrskega dela sta me ves čas spremljali, strokovno usmerjali, svetovali in me spodbujali mentorica doc. dr. Darja Pečar in somentorica red. prof. dr. Andreja Goršek, za kar se jima ISKRENO ZAHVALJUJEM. Velika zahvala gre moji družini, predvsem staršema, ki sta me finančno podpirala in sta verjela vame. ISKRENA HVALA VSEM! III

8 Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije Povzetek Primarni cilj magistrskega dela je bila študija moţnosti koristne uporabe odpadnega mulja obstojeĉe papirnice. Ta material med drugim vsebuje tudi celulozo, za katero je znano, da ob ustrezni predobdelavi hidrolizira najprej do enostavnih sladkorjev, ti pa v naslednjem koraku fermentirajo do bioetanola. Hidrolizo celuloze smo izvajali ob prisotnosti specifiĉnega encima celulaze in iskali optimalne pogoje za njen najuĉinkovitejši potek. Reakcije alkoholne fermentacije v okviru tega dela nismo izvajali, saj so predhodne raziskave pokazale, da gre za dokaj enostavno reakcijo s 100-odstotnim izkoristkom. Za izvajanje reakcije hidrolize smo uporabljali šarţni reaktorski sistem EasyMax 102. Sistem je bil izbran zaradi njegove enostavne uporabe, avtomatizacije, natanĉnosti in majhnih reaktorskih volumnov. Vse te lastnosti sistema smo ob eksperimentalnem delu dodatno potrdili. Pri encimski hidrolizi smo zaradi majhnega izkoristka reakcije odpadni mulj predhodno obdelali z razliĉnimi tehnikami predobdelave. Uporabili smo mletje, kislinsko predobdelavo z orto fosforjevo kislino, alkalno hidrolizo z NaOH in oksidacijo s H 2 O 2. S temi tehnikami smo spreminjali kristaliniĉno strukturo celuloze na veĉ amorfnih podroĉjih. Z eksperimentalnim delom smo doloĉili in potrdili optimalne reakcijske pogoje encimske hidrolize odpadnega mulja (volumen encima, ph raztopine, ĉas reakcije in vrsto topila). Kot optimalno tehniko predobdelave smo izbrali kislinsko predobdelavo z orto fosforjevo kislino. Pri tej je teoretiĉno izraĉunana dnevna koliĉina bioetanola znašala za bolj razredĉeno raztopino ( = 1 g/l) 316 kg in za manj razredĉeno raztopino ( = 3,5 g/l) 151 kg. Ključne besede: odpadni mulj, encimska hidroliza, bioetanol, predobdelava UDK: (043.2) IV

9 Enzymatic digestion of paper industry waste sludge Abstract The primary goal of the master's work was the study of possible re-use of waste sludge from the paper mill. This material also includes cellulose, for which it is known than if properly treated it can hydrolyze into simple sugars, which in the next step ferment to bioethanol. We performed the hydrolysis of cellulose with a specific enzyme celullase and searched for optimal reaction conditions. Alcohol fermentation was not carried out, since previous research shows it is a fairly simple reaction with 100 % efficiency. For implementation of hydrolysis reaction we have used batch reactor system EasyMax 102. It was selected because of its ease of use, automation, precision and small reactor volume. All these preferences of the system were confirmed during experiments and were used accordingly. Due to small yield of reaction, the waste sludge was pretreated with different preatretment technics. We used grinding of the material, pretreatment with ortho phosphoric acid, alkaline hydrolysis with NaOH and oxidation with H 2 O 2. With these technics we changed the crystalline structure of cellulose to different amorfic areas. With this experimental work we have determined and confirmed optimal reaction conditions of enzyme hydrolysis of cellulose from the waste sludge (volume of enzyme, ph of the solution, reaction time and solvent type). As optimal pretreatment technic we chose pretreatment with ortho phosphoric acid. The theoretical calculated daily value of bioethanol was 316 kg for the case of more diluted solution ( = 1 g/l) and 151 kg for the case of less diluted solution ( = 3,5 g/l). Key words: waste sludge, enzyme hydrolysis, bioethanol, pretretmant UDK: (043.2) V

10 Seznam tabel Tabela 2-1: Fizikalne in kemijske lastnosti etanola Tabela 2-2: Fizikalna ali kemijska lastnost odpadnega mulja. 4, Tabela 4-1: Mase standardnih raztopin Tabela 5-1: Vpliv vrste topila na presnovo reakcije hidrolize Tabela 5-2: Vpliv spremembe ph na presnovo reakcije hidrolize Tabela 5-3: Vpliv spremembe reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije hidrolize Tabela 5-4: Vpliv volumna encima na presnovo reakcije hidrolize Tabela 5-5: Vpliv predobdelave mulja z alkalno hidrolizo in oksidacijo na presnovo Tabela 5-6:Vpliv koliĉine encima in pufra na presnovo reakcije hidrolize Tabela 5-7: Masni pretoki komponent napajalne zmesi s kislinsko predobdelavo Tabela 5-8: Masni pretoki komponent napajalne zmesi po razliĉnih metodah predobdelav. 31 Tabela 5-9: Procesni tokovi in procesne enote za separacijski del procesa Tabela 5-10: Masni pretoki komponent VI

11 Seznam slik Slika 2-1: Shema kemijskega postopka Slika 2-2: Šarţni (»batch«) reaktorski sistem Slika 2-3: Koncentracijski profil v šarţnem reaktorju (splošni primer) Slika 2-4: Blokovna shema proizvodnje bioetanola Slika 2-5: Sestava lignoceluloze Slika 2-6: Splošna formula celuloze Slika 2-7: Mikroskopska poveĉava odpadnega mulja: a) 100x in b) 500x Slika 2-8: Proces proizvodnje etanola iz glukoze Slika 3-1: Reaktorski sistem EasyMax Slika 3-2: Tloris laboratorijskega reaktorja Slika 3-3: Notranjost vloţišĉa Slika 3-4: Stekleni reaktor: a) sestavni deli reaktorja in b) sestavljen reaktor Slika 3-5: Shema predobdelave odpadnega mulja Slika 4-1: Zmleti odpadni mulj Slika 4-2: Homogena mešanica odpadnega mulja obdelana z orto fosforjevo kislino Slika 4-3: Organski in anorganski del po centrifugiranju Slika 4-4: Organski del mulja z 20 % vsebnosti neĉistoĉ Slika 4-5: Vhodni material po konĉani predobdelavi z natrijevim hidroksidom Slika 4-6: Zmes po predobdelavi z vodikovim peroksidom Slika 4-7: VIS spektrofotometer Slika 5-1: Umeritvena krivulja za doloĉanje koncentracije glukoze Slika 5-2: Vpliv spremembe ph na stopnjo presnove hidrolize glukoze Slika 5-3: Presnove reakcije hidrolize celuloze z razliĉnimi predobdelavami Slika 5-4: Blokovna shema procesa s kislinsko predobdelavo Slika 5-5: Shema frakcionirne destilacije VII

12 Uporabljeni simboli A absorbanca 1 c koncentracija mol/l c A koncentracija snovi na koncu mol/l c A0 koncentracija snovi na zaĉetku mol/l c g koncentracija glukoze mol/l c razt mnoţinska koncentracija mol/l f m frekvenca mešala min -1 m g masa glukoze g m mulja masa mulja g n mnoţina mol n A mnoţina snovi na koncu mol n A0 mnoţina snovi na zaĉetku mol t ĉas h V volumen L V encima volumen encima µl w masni deleţ raztopine % w org.del masni deleţ organske faze % w bioetanola masni deleţ bioetanola % Grški simboli masna koncentracija g/l λ valovna dolţina nm ν hitrost centrifugiranja min -1 ϑ temperatura C VIII

13 Kratice ADP adenozid difosfat ATP adenozin trifosfat CEPI Confederation of European paper industries D- D-konfiguracija E85 mešanica 85 % etanola in 15 % bencina EtOH etanol FPU filter paper unit LED light emitting diode NAD + nikotinamid adenin dinukleotid NADH nikotinamid adenin dinukleotid hidogen n. š. našega štetja P i piruvat SHF separate hydrolysis and fermentation SSF simultaneous saccharification and fermentation TOC total organic carbon VIS vidno obmoĉje spektrofotometrije IX

14 1 Uvod Kljub razvoju modernih tehnologij bi si v današnjem ĉasu teţko predstavljali ţivljenje brez uporabe papirja, bodisi ĉasopisnega, pisemskega, pisalnega, servietnega Tako lahko z gotovostjo trdimo, da je iznajdba papirja ena izmed najpomembnejših svetovnih odkritij, saj spremlja in vpliva na razvoj ĉloveštva skozi celotno zgodovino. Prva izdelava papirja sega v leto 105 n. š. in je pripisana kitajskemu ministru Zaj Lunu. V Evropo se je umetnost izdelovanja papirja prenesla preko Perzije in Sredozemlja v 12. stoletju. V 19. stoletju pa so se razvili mehanski in kemiĉni postopki ter stroji za izdelavo celuloznih vlaknin iz lesa in enoletnih rastlin, ki so sedaj osnova za izdelovanje papirja. 1 Na letni ravni se proizvede pribliţno 403 milijone ton papirja in papirne kaše. Stopnja recikliranja le-tega se giblje nekje med 65 % in 72 %. Med najveĉje proizvajalce spadajo Evropa, Azija ter severna Amerika. Strokovnjaki zdruţenja»confederation of European paper industries«(cepi) napovedujejo še izdatno poveĉanje proizvodnje do leta Stopnja recikliranja naj bi ostala konstantna. In ravno pri sami proizvodnji papirja in ponovni uporabi oz. recikliranju le-tega je glavni stranski produkt odpadni mulj. 2,3 Odpani mulj iz tovarn papirja je kemijsko in fizikalno gledano nenavaren odpadek, ki predstavlja veliko okoljsko obremenitev, saj je sestavljen iz organskih snovi, ki izdatno onesnaţujejo naše okolje (ogljikov dioksid in metan). Zato je v Sloveniji problematika glede skladišĉenja in uporabe odpadnega mulja iz tovarn papirja precej aktualna. Najunĉinkovitejša tehnika ravnanja s tem odpadkom je sušenje surovine ter njena uporaba kot material na lastnih seţigalnih kotlih in napravah. Moţna je tudi njegova predelava do konĉnega produkta etanola oz. bioetanola. 4 Bistvo vsakega kemijskega oz. industrijskega procesa je minimizirati stroške proizvodnje ter po moţnosti predelati in koristno uporabiti stranske produkte procesa v takšne s trţno vrednostjo. Zato smo v okviru magistrskega dela izvedli reakcije za razgradnjo odpadnega mulja do konĉnega produkta, primernega za uporabo na trgu. Uporabljali smo predhodno obdelan odpadni mulj, ki nastaja pri proizvodnji papirja obstojeĉe slovenske tovarne papirja. Ta je sestavljen iz celuloznih vlaken in anorganskega dela. Celulozna vlakna smo s pomoĉjo encimov razgraditi do enostavnih sladkorjev glukoze. Naslednje stopnje razgradnje, to je fermentacije glukoze do konĉnega produkta bioetanola, eksperimentalno nismo izvajali, saj je reakcija enostavna in poteĉe do 100 % presnove. Naš namen v konĉni fazi raziskav je bil teoretiĉno oceniti koliĉino ĉistega in trţno vrednega produkta bioetanola. Ta je v zadnjem ĉasu še posebej pridobil na svoji vrednosti, veljavi ter uporabnosti kot gorivo, saj sluţi kot nadomestek za okolju škodljiva fosilna goriva. Njegova svetovna proizvodnja iz obnovljivih virov v letu 2014 je znašala 93 milijonov litrov. 4,5,6 Z izvajanjem laboratorijskih eksperimentov smo hoteli potrditi in preveriti do sedaj ţe opravljene raziskave na podroĉju uporabe razliĉnih postopkov predobdelave in same reakcije hidrolize celuloze iz odpadnega mulja do enostavnih sladkorjev. V nadaljevanju navajamo nekaj najpomembnejših rezultatov razliĉnih avtorjev

15 Cabrera in soavtorji 7 so v svoji raziskavi prouĉevali vpliv postopka predobdelave z natrijevim hidroksidom in vodikovim peroksidom na uĉinkovitost hidrolize pri razliĉnih pogojih. Spreminjali so koncentracijo preobdelane mešanice in ĉas predobdelave. Encimsko hidrolizo predobdelanih kmetijskih ostankov (biomase) so izvedli do enostavnih sladkorjev. Pri tem so prišli do zakljuĉka, da je bila v primeru vodikovega peroksida (w = 4 %) po 24 urah v predobdelavi doseţena 77,5-odstotna presnova. V primeru natrijevega hidroksida (w = 1 %) pa je bila po 48 urah v predobdelavi doseţena 92,6-odstotna presnova. Li Zhang X. in soavtorji 8 so optimirali kislinsko hidrolizo mikrokristaliniĉne in surove celuloze s pomoĉjo katalizatorja FeCl 3. Ugotovili so, da omenjeni katalizator uĉinkuje na amorfna podroĉja in jih spodbudi k hidrolizi. Pri izvajanju reakcij so spreminjali reakcijski ĉas, temperaturo in koncentracijo katalizatorja ter reakcijske mešanice. Najvišjo presnovo (63,59 %) so dobili po 64,02 min pri temperaturi 88,28 C in koncentraciji FeCl 3, c = 0,4 mol/l. Pheng in Chen 9 sta pri pretvorbi odpadnega mulja do etanola uporabljala SHF proces (separacija, hidroliza in fermentacija) z encimom celulaze. Raziskava je temeljila na optimiranju ĉasa hidrolize, koncentraciji substrata in encima. Optimalni ĉas hidrolize je bil 82,7 ur pri koncentraciji substrata, =40,8 g/l in aktivnosti encima 18,1 FPU/g substrata. Pri 34,2-odstotni presnovi celuloze sta iz 1 kg suhega odpadnega mulja dobila 190 g etanola. Prav tako so Yamashita, Sasaki in Nakamura 10 izvajali SSF proces odpadnega mulja in kot rezultat podali ĉistoto etanola. Za postopek predobdelave so uporabili mletje in postopek s fosforno kislino. Ugotovili so, da v primeru soĉasne predobdelave mulja z mletjem in fosforno kislino nastane konĉni produkt etanol ĉistote 81,5 %. Doloĉili so tudi ĉistoto etanola ob uporabi neobdelanega odpadnega mulja. V tem primeru je bila ĉistota 54,3 %. Vpliv alkalne predobdelave pri nizki temperaturi z natrijevim hidroksidom v kombinaciji z ureo so prouĉevali Zhao in soavtorji 11. Rezultat raziskovanja je bil, da predobdelava pod temperaturo ledišĉa ( 15 C) in izbranih masnih deleţih natrijevega hidroksida in uree daje visoko stopnjo presnove celuloze do glukoze (nad 70 %). Ob uporabi istih masnih deleţev topila, vendar višji temperaturi predobdelave (23 in 60 C) je bila stopnja presnove niţja (20 in 24 %). Namen magistrskega dela v konĉni fazi je bila študija moţnosti naĉrtovanja ekonomsko uĉinkovitega biokemijskega procesa 12, pri katerem je bilo potrebno doloĉiti sintezne poti in kljuĉne procesne parametre. Kot optimizacijski kriterij smo izbrali iztoĉno koncentracijo bioetanola. Predpostavili smo, da bodo na potek reakcije hidrolize vplivali temperatura, hitrost mešanja reakcijske zmesi in koncentracija biološkega katalizatorja (celulaze). Glede na izbrane reakcijske poti in optimalne procesne pogoje smo razvili procesno shemo za predlagan postopek ter ocenili koliĉino bioetanola kot moţnega trţnega produkta. 2

16 2 Teoretični del Osnova za dobro in kvalitetno izvajanje kemijskih eksperimentov je poznavanje ter razumevanje njihove teorije. Zato v tem poglavju predstavljamo najpomembnejše teoretiĉne osnove naših raziskav. 2.1 Kemijska procesna tehnika Osnovna naloga kemijske procesne tehnike je pretvorba izhodnih surovin (reaktantov) do konĉnih reakcijskih produktov pri optimalnih reakcijskih pogojih. Pri tem študiramo razliĉne predobdelavne procese, sintezne poti ter na koncu separacijo ţeljenega materiala. Ravno zato je kemijska procesna tehnika širok znanstveni model, ki ga lahko razdelimo v naslednje sklope : 13 kemijska sinteza, kemijska procesna tehnika, strojna in aparaturna tehnika, tehnika meritev, vodenja in regulacije. Postopke kemijske sinteze lahko z drugo besedo imenujemo tudi kemijska tehnologija. To so procesi, ki zdruţujejo na eni strani kemijske spremembe in na drugi sam potek ter mehanizem kemijskih reakcij. Da lahko proces poteĉe, je potrebno prouĉiti proizvodno tehniĉne korake. Med te operacije spadajo mletje, gretje, hlajenje, loĉevanje in še mnogi drugi. Zanje je znaĉilno, da pri teh operacijah ne potekajo kemijske spremembe, ampak prihaja do koncentracijskih, temperaturnih, agregatnih, velikostnih sprememb. S tem podroĉjem se ukvarja kemijska procesna tehnika. Zadnja dva sklopa (strojna in aparturna tehnika ter tehnika meritev, vodenja in regulacije) sta medsebojno povezana in najpomembnejša za izvedbo kemijske reakcije. Na sliki 2 1 je prikazana enostavna shema kemijskega postopka, na kateri so oznaĉeni najpomembnejši zgoraj opisani sklopi kemijske procesne tehnike. 13 KONČNI PRODUKT SUROVINA MLETJE KEMIJSKI REAKTOR SUROVI PRODUKT LOČEVANJE SUROVINA GRETJE KONČNI PRODUKT Slika 2-1: Shema kemijskega postopka. 3

17 2.2 Šaržni reaktor Pri laboratorijskem delu smo uporabljali šarţni oz. diskontinuirni reaktorski sistem. Šarţni (»batch«) reaktor je zelo enostaven in uporaben sistem za izvajanje kemijskih reakcij v laboratorijskem in industrijskem merilu. S preprostimi besedami je to zaprti ali odprti sistem, v katerega vnesemo reaktante, zapremo in izpostavimo reakcijskim pogojem. Po doloĉenem ĉasu, ko je reakcija konĉana, se iz posode odstrani reakcijska mešanica skupaj s produkti. Šarţni reaktor ima obliko cilindriĉne posode z zaobljenimi robovi na dnu, ter pokrovom ali brez njega na vrhu. Nad sistemom je namešĉeno mešalo razliĉnih oblik (veslasto, sidrasto, turbinsko, lopatasto ). Pogon mešala je v laboratorijskem merilu preko elektro motorja z magnetom, v industrijskem merilu ima svoj pogon preko klasiĉnega elektromotorja. V primeru, da med mešanjem tekoĉine prihaja do trombe, je potrebno na stene reaktorja namestiti pregrade, ki to prepreĉujejo. Pri uporabi mešal je potrebno upoštevati razmerje med premerom posode in premerom mešala (3 : 1). Na sliki 2 2 je mešalni del reaktorja oznaĉen z modro barvo. 14,15 Gretje ali hlajenje reakcijske mešanice v notranjosti reaktorja se izvaja preko reaktorjevega plašĉa, po katerem kroţi medij (olje ali voda). Reaktorjeva površina je lahko v celoti obdana s plašĉem, ali pa je obdan s cevjo v obliki spirale, po kateri se pretaka hladilni ali grelni medij. Ta del je na sliki 2 2 oznaĉen z rdeĉo barvo. Kontrola temperature zmesi se izvaja preko termometra, ki je vstavljen na vrhu sistema in sega v sredino reaktorja Šarţni reaktor omogoĉa izvajanje reakcij pri povišanem tlaku, v tem primeru se imenuje avtoklav. Bistvenega pomena je, da pri višjem tlaku uporabljamo magnetno mešalo namesto mehanskega. 16 MEŠALO PLAŠČ REAKTORJA REAKTORSKA POSODA Slika 2-2: Šarţni (»batch«) reaktorski sistem. 4

18 Iz zgoraj predstavljenega je razvidno, da gre za enostaven kemijski reaktor, ki kljub temu daje zelo zadovoljive rezultate. Njegova najveĉja prednost je v enostavni uporabi, primeren je za poskusne izdelave barvil ali zdravil. Reakcije v njem lahko potekajo tako v trdni kot tekoĉi fazi ali pa v kombinaciji teh dveh. Proizvodne koliĉine znašajo od 100 kg do veĉ kg. Primeren je za proizvodnjo veĉ razliĉnih koliĉin snovi, ki imajo doloĉeno specifikacijo, ter reakcij fermentacije. Zraven prednosti se pojavljajo tudi slabosti šarţnega reaktorja. Ena izmed veĉjih slabosti so visoki obratovalni stroški, saj je pri vsakem izvajanju novega eksperimenta reaktorski sistem potrebno ponovno segrevati ali ohlajati. Prav tako se med samim praznjenjem posode pojavi tako imenovani»mrtvi ĉas«, ko med odstranjevanjem konĉnega produkta iz sistema reaktor ne more obratovati. V veĉini primerov je iz dobljene zmesi potrebno konĉni produkt separirati. 13,15 Snovno bilanco produkta za šarţni reaktor predstavlja enaĉba 2.1, in sicer: 14 VTOK N ST J NJE IZTOK KUMUL CIJ 2.1 Spremembo reaktantov v produkt oz. presnovo reakcije pri konstantnem volumnu zapišemo splošno z enaĉbo 2.2: 18 kjer je: X A stopnja presnove [%], n A0 mnoţina snovi na zaĉetku reakcije [mol], n A mnoţina snovi na koncu reakcije [mol]. 2.2 Osnovno zvezo za izraĉun mnoţine snovi predstavlja enaĉba 2.3: 18 kjer je: n mnoţina snovi [mol], c koncentracija snovi [mol/l], V volumen [L]. 2.3 Ob upoštevanju enaĉbe za izraĉun mnoţine snovi (enaĉba 2.3) in konstantnega volumnadobimo konĉno obliko enaĉbe za presnovo reakcije 2.4: 18 kjer je: c A koncentracija snovi na koncu reakcije [mol/l], c A0 koncentracija snovi na zaĉetku reakcije [mol/l]

19 c [mol/l] Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije Spremljanje koncentracijskega profila v šarţnem reaktorju lahko grafiĉno prikaţemo z grafom c f(t) (slika 2 3). Modra krivulja predstavlja koncentracijo produkta. Ta je ob zaĉetku reakcije niĉ, nato se viša in doseţe neko konĉno vrednost. Rdeĉa krivulja predstavlja koncentracijo reaktanta. Ta ima nasprotni potek. Na zaĉetku ima doloĉeno vrednost, med potekom reakcije se spreminja zniţuje, dokler se ne porabi oz. ga nekaj ostane nezreagiranega. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, t [min] Koncentracija produkt Koncentracija reaktant Slika 2-3: Koncentracijski profil v šarţnem reaktorju (splošni primer). 6

20 2.3 Proizvodnja bioetanola Proizvodnja etanola je kompleksni proces, pri katerem lahko dobimo sintetiĉni etanol ali bioetanol. Slednjega pridobivamo iz biomasnih materialov, ki vsebujejo razliĉne sladkorje, škrob in celulozo (koruza, sladkorni trs, les, pšenica ). 18 Bioetanol se v današnjem ĉasu vse veĉ uporablja kot gorivo pri pogonskih sredstvih ali pomoţno gorivo predvsem iz razloga manjšega onesnaţevanja okolja, ter veĉje energetske varnosti. Biogoriva se proizvajajo v dveh generacijah. Prva generacija konvencionalna biogoriva, se proizvajajo iz sladkorja ali škroba. Druga generacija napredna biogoriva, se proizvajajo iz biomase (lignoceluloze). V svetu je kot gorivo poznano E85, ki pomeni mešanico 85 % etanola in 15 % bencina. Ta mešanica ima manjše oktansko število kot obiĉajni bencin, kar se odraţa v manjšem izkoristku pri izgorevanju motorja. Fizikalne in kemijske lastnosti etanola oz. bioetanola so prikazane v tabeli 2.1: Tabela 2-1: Fizikalne in kemijske lastnosti etanola kemijska ali fizikalna lastnost drugo ime kratica molekulska formula molekulska masa vrednost etilni alkohol EtOH C 2 H 5 OH 46,07 g/mol vrelišče 78 C tališče 114 C gostota barva agregatno stanje topnost 789 g/l brezbarven tekoĉe v polarnih topilih Pretvorba biomase v bioetanol poteka v dveh zaporednih reakcijskih stopnjah. Prva stopnja je pretvorba biomase v enostavne sladkorje glukozo, ob prisotnosti encima celulaze. Druga stopnja je fermentacija enostavnih sladkorjev glukoze do konĉnega produkta bioetanola, ki ga je v nadaljevanju potrebno loĉiti iz dobljene reakcijske mešanice. Poenostavljena blokovna shema procesa je na sliki BIOMASA HIDROLIZA BIOETANOL S GLUKOZA FERMENTACIJA SEPARACIJA PRIMESMI BIOETANOL Slika 2-4: Blokovna shema proizvodnje bioetanola. 7

21 2.4 Lignocelulozni material Lignocelulozni material oz. rastlinsko obnovljivi material lahko glede na izvor surovine razvrstimo v tri podskupine: 24 primarni viri (bombaţ, seno, gradbeni les ), lignocelulozni odpadki iz kmetijstva (slama, storţi od kuruze, hlevski gnoj ), celulozni komunalni odpadki (papir, odpadni mulj ). Lignoceluloza je sestavljena iz kompleksnih ogljikovih hidratov, kot so celuloza (40 % 50 %), hemiceluloza (25 % 35 %) in lignin (15 % 20 %). Preprost prikaz materiala z vsemi podenotami je predstavljen na sliki CELULOZA LIGNIN HEMICELULOZA Slika 2-5: Sestava lignoceluloze. 22 Celuloza: Celuloza je polimer, ki je v naravi proizveden s pomoĉjo rastlinskih celic. S kemijskega stališĉa je sestavljen iz polisaharidnih enot glukoze, povezanih med seboj z β 1,4 vezmi. Splošna formula (C 6 H 10 O 5 )n je prikazana na sliki 2 6, pri ĉemer je»n«število monomernih enot. Njena struktura je linearna in tesno povezana v snope, kar ji daje moĉno odpornost proti reakciji hidrolize. Zato je za veĉjo uĉinkovitost reakcije material z vsebnostjo celuloze potrebno predhodno predobdelati (kemijsko ali fizikalno). 25 Slika 2-6: Splošna formula celuloze. 8

22 Hemiceluloza: Hemiceluloza je sestavljena iz homo in hetero polimernih polisaharidov razliĉnih vrst sladkorjev (pentoze, heksoze), povezanih med seboj z glikozidnimi vezmi. V primerjavi s celulozo je zaradi prisotnosti stranskih verig v celoti ali delno nekristaliniĉna. 25 Lignin: Lignin je prav tako polimer iz fenilpropanskih enot. Netopen je v vodi in ga je izredno teţko hidrolizirati. Nahaja se med celuloznimi snopi in varuje rastlinski material pred mehanskimi poškodbami Odpadni papirni mulj Kot je bilo ţe uvodoma omenjeno, gre kemijsko in fizikalno gledano za odpadek, ki predstavlja veliko ekološko obremenitev. Ker vsebuje velik deleţ ogljika, je njegovo odlaganje v naravo prepovedano. Del odpadnega papirnega mulja se lahko uporabi kot sekundarna surovina v proizvodnji cementa in opekarni. Ostalo se seţge v seţigalnicah. Odpadni papirni mulj vsebuje anorganski (kaolin, karbonat) in organski del (celulozna vlakna). V osnovi je sestavljen iz celuloznih vlaken in polnil iz kalcijevega karbonata, gline in vodotopnih ostankov kemikalij. Zaradi industrijske proizvodnje so prisotne tudi druge spojine (pepel, aluminjev in ţelezov oksid ). Ĉe ga hoĉemo pretvoriti v bioetanol, je uporaben samo organski del, anorganskega je potrebno odstraniti. Odpadni mulj je sivo bela trdna snov, ki vsebuje veliko vode. Nekatere njegove fizikalne in kemijske lastnosti so podane v tabeli ,26 Tabela 2-2: Fizikalna ali kemijska lastnost odpadnega mulja. 4,26 kemijska ali fizikalna lastnost vrednost barva bela gostota mokrega materiala 12,7 kg/m 3 gostota suhega materiala 6,1 kg/m 3 agregatno stanje trdno ph 8,3 električna konduktivnost 0,2 ms/cm skupni ogljik (TOC) 153 g/kg 9

23 Na prvi pogled je oblika mulja dokaj enostavna, vendar mikroskopska poveĉava pokaţe njegovo kompleksno zgradbo. To lahko vidimo na sliki 2 7, kjer so prikazana vlakna odpadnega mulja pri razliĉnih mikroskopskih poveĉavah. 4 Slika 2-7: Mikroskopska poveĉava odpadnega mulja: a) 100x in b) 500x Reakcija hidrolize in alkoholne fermentacije Reakcija hidrolize pomeni cepitev molekul oz. njenih kovalentnih vezi. Splošna reakcija hidrolize je zapisana na sledeĉ naĉin: 27 A-B + H-O-H A-H + B-OH 2.5 Iz enaĉbe 2.5 je razvidno, da se izhodna spojina razcepi na dva dela, pri ĉemer se v en del vgradi hidroksilna skupina (hidroksilni anion), v drugega pa vodik (kation). Reakcija hidrolize je v osnovi obratna reakcija nevtralizacije. Po Brønstedovi teoriji kislin in baz je reakcija hidrolize imenovana protolizna reakcija. V tem primeru gre za sprejemanje in oddajanje protona. 27 Reakcija hidrolize je znaĉilna tudi za specifiĉne polimere, kjer se kot katalizatorji uporabljajo kisline ţveplova kislina ali lugi natrijev hidroksid. Ta tip reakcije se pojavi pri amidih in estrih. Do same hidrolize pride zaradi nukleofilnega napada (voda, hidroskidni ion) na ogljik v karbonilni skupini amida ali estra. 28 V primeru odpadnega mulja hitrost kemijske reakcije pospešimo z dodatkom celulaze, ki je specifiĉen encim za to vrsto reakcije. Reakcija alkoholne fermentacije ali alkoholno vrenje je biološki proces, pri katerem se sladkor glukoza pretvori v obliko adenozin trifosfata (ATP), kot metabolni produkt pa nastaneta etanol in ogljikov dioksid. Za takšno delovanje so potrebni anaerobni pogoji in prisotnost encima iz vrst kvasovke Saccharomyces cerevisiae. Optimalna temperatura delovanja encima kvasovk je med 35 in 37 C. 10

24 Biokemijsko reakcijo za pretvorbo glukoze v etanol lahko zapišemo z enaĉbo 2.6: 29 C 6 H 12 O ADP + 2 P i 2 C 2 H 5 OH + 2 CO ATP 2.6 Na sliki 2 8 je prikazan celoten proces alkoholne fermentacije glukoze do konĉnega produkta etanola. V prvem koraku se mulekula glukoze najprej razcepi do dveh molekul piruvata. Pri tem se sprosti energija (eksotermna reakcija) in pride do vezave anorganskih fosfatov na adenozin difosfat ADP, ter redukcijo oz. sprejemanje vodikovega protona nikotinamid dinukleotida NAD + v NADH. V drugem koraku se novo nastali molekuli piruvata pretvorita v dve novo nastali molekuli acetaldehida. Kot stranski produkt nastane ogljikov dioksid. Konĉni korak je pretvorba acetaldehida z oksidacijo NADH oz. vezavo vodikovega protona v etanol. 29 GLUKOZA 2 PIRUVAT 2 ACETALDEHID 2 ETANOL Slika 2-8: Proces proizvodnje etanola iz glukoze

25 3 Metode dela Pri laboratorijskem delu je kljuĉnega pomena izbira ustrezne in natanĉne metode dela, ter izvajanje eksperimentov na sodobni in tehnološko dovršeni procesni opremi. Zato bo v tem poglavju sledil opis osrednjega reaktorskega sistema in pregled izbranih metod dela. Eksperimentalni del v okviru magistrskega dela je bil v celoti opravljen na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo v Mariboru, natanĉneje v Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj. 3.1 Delovanje in specifikacije osrednjega reaktorskega sistema Pri izvajanju hidrolize celuloze iz odpadnega mulja smo uporabljali reaktorski sistem EasyMax 102 proizvajalca Mettler Toledo, ki je predstavljen na sliki 3 1. Ta sistem po naĉinu delovanja uvršĉamo med šarţne reaktorje. Zanje je znaĉilno, da reakcija poteĉe/steĉe z mešanjem z razliĉnimi vrstami mešal. Temperaturno odvisnost v reaktorju nadzorujemo z grelnim ali hladilnim medijem v plašĉu reaktorja. 30 Slika 3-1: Reaktorski sistem EasyMax

26 Reaktorski sistem EasyMax 102 predstavlja novo generacijo avtomatiziranih sistemov za laboratorijske analize in organske sinteze. Omogoĉa izvajanje kalorimetriĉnih meritev za posamezne reakcije. Te meritve so pri prenosu podatkov kemijskega procesa iz laboratorijskega na industrijsko merilo kemijskemu inţenirju v izredno pomoĉ. Z njimi dobimo podatke o varnosti procesa ter snovnem in toplotnem prenosu. 31 Primerjava med tem reaktorskim sistemom in prav tako avtomatiziranim RC1 laboratorijskim reaktorjem pokaţe mnoge prednosti prvega. Izrazita prednost sistema EasyMax 102 je majhna velikost reaktorjev. Ta specifikacija je v kemijskem inţenirstvu zelo pomembna, saj je v najveĉ primerih za izvajanje testnih reakcij na razpolago majhna koliĉina reaktantov. Sistem prav tako odlikuje zelo dobra natanĉnost pri izvajanju poskusnih eksperimentov, pri doloĉenih temperaturnih profilih in razliĉnih hitrostih mešanja. Upravljanje sistema in doloĉanje reakcijskih pogojev (temperature, hitrosti mešanja, ĉasa reakcije ) izvajamo s pomoĉjo majhnega zaslona na dotik. Zajemanje podatkov lahko poteka preko osebnega raĉunalnika, ali jih shranjujemo na USB kljuĉek. Vse te lastnosti pripomerejo k temu, da je EasyMax 102 enostaven in varen za laboratorijsko delo. Reaktorski sistem je zasnovan tako, da lahko na njem hkrati potekata loĉeno dve reakciji. V grobem je sestavljen iz naslednjih pomoţnih reaktorskih komponent (slika 3 2 v tlorisnem pogledu): dveh steklenih reaktorjev, temperaturnega termostata, dodatka za kalorimerijo, merilca pretoka zraka, merilca pretoka hladilne vode in krmilnega modula. merilec pretoka zraka merilec pretoka hladilne vode dodatek za kolorimetrijo temperaturni termostat 28cm 36 cm 33 cm steklena reaktorja krmilni modul Slika 3-2: Tloris laboratorijskega reaktorja. 13

27 V nadaljevanju sledi kratek opis in predstavitev posameznih delov reaktorskega sistema EasyMax 102. Steklena reaktorja: Sistem omogoĉa hkraten in loĉen potek dveh neodvisnih reakcij. Za to sta namenjena dva steklena reaktorja za razliĉne tipe reakcij in sintez. Vstavljena sta v notranjost naprave (slika 3 3), kjer poteka gretje ali hlajenje reaktorskega plašĉa in mešanje preko magnetnega mešala razliĉnih oblik in z moţnostjo regulacije od ( ) min -1. Slika 3-3: Notranjost vloţišĉa. Volumen reaktorske posode je lahko 50 ml ali 100 ml. Na vrh valjastega reaktorja se s pomoĉjo tesnila in zaponke stabilizira veĉvratni pokrov, kar je razvidno iz slike 3 4. Ravno ta omogoĉa, da lahko med sintezami spremljamo in spreminjamo razliĉne procesne parametre ter izvajamo kalorimetriĉne študije. Reaktorja imata tudi moţnost dodajanja reaktantov v mešanico brez prekinjanja oz. zaustavljanja poteka reakcije. Med potekom sintez je moţno reakcijsko zmes spremljati skozi stekleno vitrino na ĉelni strani naprave, ki si jo lahko osvetlimo z LED svetilko. Slika 3-4: Stekleni reaktor: a) sestavni deli reaktorja in b) sestavljen reaktor. 14

28 Temperaturni termostat: Tehnologija termostata deluje po principu»trdne faze«. To pomeni, da gretje poteka s pomoĉjo elektriĉne energije, hlajenje pa deluje po Peltierjevem efektu. Pri tem pojavu se ustvari temperaturna razlika na podlagi elektriĉne napetosti. Do tega pride, ko elektriĉni tok steĉe ĉez dve razliĉni kovini, ki sta povezani na Peltierjevih spojih. Eden od spojev se segreva, drugi hladi in tako se prenaša toplotni tok. 32 Ta naĉin segrevanja in hlajenja omogoĉa delovanje reaktorskega sistema v temperaturnem obmoĉju od ( ) C. To reguliramo preko zaslona na dotik, kjer lahko spremljamo temperaturni profil reakcije v notranjosti in plašĉu reaktorja. Za laţje doloĉanje dejanske temperature v notranjosti reakcijske mešanice uporabimo termometer, ki ga vstavimo skozi odprtino na pokrovu. Krmilni modul: Preko krmilnega modula (zaslona na dotik) upravljamo delovanje celotnega reakcijskega sistema. Je izredno enostaven, hiter, zanesljiv in priroĉen za eksperimentalno delo. Merilec pretoka zraka in hladilne vode: Sistem ima vgrajeni ĉrpalki za pretok zraka in hladilne vode. Pretok hladilne vode nam omogoĉa hlajenje termostatiranega dela sistema. Pretok zraka sluţi za odstranjevanje kondenzata iz prostora med reaktorjem in grelnim plašĉem. S pomoĉjo merilcev ob strani reaktorskega sistema lahko ti dve veliĉini reguliramo na ţeljeno vrednost. 15

29 3.1.1 Uporabljene kemikalije in pripadajoča laboratorijska oprema Pri hidrolizi odpadnega mulja smo upoštevali navodila za varno delo v laboratoriju in hkrati uporabljali sledeĉe kemikalije: encim Cellulase from Aspergillus sp: Sigma Aldrich, orto fosforno kislino (H 3 PO 4 ), 85 %; Kemika Zagreb, glukozni reagent; Roche, natrijev hidroksid (NaOH); J.T. Baker, belox 30; (w = 30 % H 2 O 2 ), D(+) glukozo; Sigma Aldrich, deionizirano vodo. Zraven vseh zgoraj naštetih kemikalij smo za uspešno delo potrebovali še sodobno, visoko tehnološko razvito in natanĉno laboratorijsko opremo: spektrofotometer UV VIS (Varian), termostat za vodo (Lauda), megnetno mešalo Rotamix SHP 10 (Tehtnica Ţelezniki), kriostat (WiseCircu), centrifugo 5804 R (Eppendorf), ph meter (Metller Toledo). Uporabljali smo še osnovno laboratorijsko opremo: ĉaše, merilne valje (50, 100, 500 ml), buĉke (100 ml), magnetne mešalĉke, centrifugirke, kivete (semi micro). Kot osnovno surovino pri dvostopenjski razgradnji odpadnega mulja smo uporabljali stranski produkt odpadni mulj iz Goriĉan tovarne papirja Medvode, d. d. 16

30 3.2 Metode dela Pri eksperimentalnem delu smo uporabljali razliĉne fizikalne, kemijske in analitske metode za predobdelavo celuloze: spektrofotometrijo za doloĉanje koncentracije glukoze, alkoholno fermentacijo za pridobivanje bioetanola in raĉunalniško simulacijo procesa z Aspen Plus simulacijskim programom Predobdelava Predobdelava je v kemijski industriji zelo pomemben del celotnega postopka. Z njo osnovni vhodni surovini spremenimo sestavo in strukturo do te mere, da lahko v nadaljevanju laţje poteĉe kemijska reakcija. Zato je potrebno izbrati in naĉrtovati takšen postopek, pri katerem bomo na eni strani ĉim bolj zniţali obratovalne stroške predobdelave in na drugi strani ta postopek ĉim bolj uspešno izvedli. 33 Postopke predobdelave odpadnega mulja (lignin in hemiceluloza) lahko v grobem razdelimo na tri podskupine, in sicer: 25 fizikalno mehansko predobdelavo, kemijsko preobdelavo, biološko predobdelavo. Za naše laboratorijsko delo smo izbrali fizikalno mehansko in kemijsko predobdelavo. Za laţjo predstavo funkcije predobdelave odpadnega mulja, ki je sestavljen iz veĉ komponent (lignin, hemiceluloza, celuloza ), si pomagamo s shemo na sliki 3 5. HEMICELULOZA PREDOBDELAVA HEMICELULOZA LIGNIN CELULOZA LIGNIN CELULOZA Slika 3-5: Shema predobdelave odpadnega mulja. 25 Hemiceluloza ima kratke stranske verige iz razliĉnih vrst sladkorjev, ter niţjo molekulsko maso od celuloze. V odpadnem mulju ima funkcijo povezave molekul lignina in celuloze. Zato je osnovni cilj predobdelave razbiti strukturo lignina (kristaliniĉno podroĉje) in s tem dobiti veĉje število amorfnih podroĉij. To pomeni, da ima odpadni mulj pred predobdelavo dolge verige lignina, po njej se te verige pretrgajo na krajša obmoĉja. Tako dobljena struktura omogoĉa laţji dostop encimov ali kisline do aktivnih mest za potek reakcije hidrolize

31 3.2.2 Izračun koncentracije glukoze Za doloĉanje koncentracije glukoze pri hidrolizi odpadnega mulja v prvi stopnji reakcijskega mehanizma smo uporabili spektrofotometriĉne meritve absorbance sladkorja (glukoze). Te vrednosti smo zabeleţili s pomoĉjo VIS spektrofotometra ( nm). Za osnovo smo najprej izmerili absorbance (A) razliĉnih znanih koncentracij ĉiste glukoze. Iz dobljenih vrednosti smo skonstruirali graf A f(c g ) in tako dobili umeritveno krivuljo Izračun količine bioetanola Najpomebnejši del izraĉuna pri študiji je bila koliĉina glavnega produkta bioetanola po fermentaciji sladkorjev. Izhajali smo iz reakcije alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol, kar je obravnavano v poglavju 2.5. Z upoštevanjem stehiometrije reakcije (enaĉba 2.6) smo nastavili osnovo za izraĉun bioetanola, nastalega pri reakciji: C H O C H Ob uporabi enaĉbe za doloĉitev koncentracije glukoze in stehiometrijskega razmerja glukoza : etanol (1 : 2), smo nastavili sklepni raĉun za konĉno koliĉino bioetanola, dobljenega pri reakciji: C H O C H V nadaljevanju smo na osnovi znanih koncentracij glukoze (glede na razliĉne reakcijske pogoje), doloĉali koncentracije bioetanola Računalniška simulacija Z izvajanjem eksperimentov v laboratoriju smo pridobili podatke, s katerimi bi lahko prenesli sistem v industrijsko merilo (scale up). Pri tem nam je bil v pomoĉ raĉunalniški program Aspen Plus. Gre za izredno tehnološko razvit program, ki omogoĉa simuliranje procesa pod takšnimi pogoji, kot bodo zahtevani v industriji. Delovanje programa poteka na osnovi matematiĉnih modelov, empiriĉnih korelacij in tehnik analize. Z njim ustvarjamo procesne sheme iz procesnih enot (kompresorji, ĉrpalke, separatorji, reaktorji ), pri tem nam je na voljo obseţna zbirka kemijskih in fizikalnih parametrov. Za kemijskega inţinerja je izredno pomembna izbira raznih modelov poteka reakcij ter moţnost spreminjanja in optimiranja reakcijskih pogojev. 35,36 V našem primeru smo simulirali separacijo bioetanola iz reakcijske zmesi po fermentaciji, za kar smo uporabili model frakcionirne destilacijske kolone. 18

32 4 Eksperimentalni del Uspešnost laboratorijskega dela je v veliki meri odvisna od natanĉnosti in kvalitete opravljenega eksperimentalnega dela. Samo zanesljivi ter ponovljivi rezultati omogoĉajo naĉrtovanje ekonomsko in energetsko varĉnih procesov z visokimi izkoristki. V tem poglavju predstavljamo eksperimentalno delo, ki je bilo opravljeno v okviru naših raziskav. Gre za postopek predobdelave odpadnega mulja in reakcije hidrolize tako predobdelane celuloze. 4.1 Postopki predobdelave Za izvedbo reakcije hidrolize celuloze iz odpadnega mulja je bilo potrebno surov material predhodno obdelati. V nadaljevanju sledi opis štirih razliĉnih tehnik predobdelave, in sicer: mletja, kislinske predobdelave (H 3 PO 4 ), alkalne hidrolize (NaOH) in oksidacije (H 2 O 2 ). Mletje: Najprej smo odpadni mulj v zraĉnem sušilniku posušili do konstantne mase. Suh material smo nato zmleli v centrifugalnem mlinu (primer tega je lahko mlinĉek za kavo). Mulj je pri tem dobil obliko vate, kar lahko vidimo na sliki 4 1. Tako smo dobili reaktant, ki je bil pripravljen za izvajanje reakcije hidrolize. Slika 4-1: Zmleti odpadni mulj. 19

33 Kislinska predobdelava: Postopek kislinske predobdelave z orto fosforjevo kislino je potekal po naslednjih zaporednih stopnjah: 1. V reaktor smo zatehtali pribliţno 20 g suhega in zmletega odpadnega mulja, ter dodali 70 ml 85-odstotne orto fosforjeve kisline. Reakcijsko mešanico smo termostatirali na temperaturo, 50 C in jo najprej mešali z vrtilno frekvenco mešala, f m 150 min -1 (zaradi visoke gostote), nakar smo obrate postopoma veĉali do f m 300 min -1. Mešanje smo izvajali cca. 2 uri oz. tako dolgo, dokler ni bila reakcijska mešanica povsem homogena. Primer takšne mešanice je prikazan na sliki 4 2. Slika 4-2: Homogena mešanica odpadnega mulja, obdelana z orto fosforjevo kislino. 2. Naslednja stopnja je bila centrifugiranje homogenizirane mešanice. To smo storili z namenom loĉevanja organskega od anorganskega dela, ki se je posedel na dno centrifugirke, kar je razvidno iz slike 4 3. Centrifugirali smo 5 min pri v min - 1. Organski del smo nato zlili v vodo, ohlajeno z ledom in s tem prepreĉili ponovno nastajanje kristaliniĉnih podroĉij v celuloznih vlaknih. Dobili smo veĉ amorfnih podroĉij, kar je ugodno vplivalo na nadaljnji potek hidrolize. Dobljen trdni ostanek smo veĉkrat sprali z deionizirano vodo in na koncu še z acetonom, ter ga dali v eksikator. Reakcije hidrolize smo izvedli s posušenim predobdelanim organskim delom mulja. ANORGANSKI DEL ORGANSKI DEL Slika 4-3: Organski in anorganski del po centrifugiranju. 20

34 3. Na koncu smo izvedli še analizo organskega dela. Predobdelan odpadni mulj smo seţgali v peĉi pri temperaturi, 500 C. Pri tem se je organski del (celuloza) seţgal, vendar je še vseeno ostalo nekaj anorganskega dela (pribliţno 20 %). Iz tega lahko sklepamo, da centrifugiranje ni povsem loĉilo organskega in anorganskega dela. Na sliki 4 4 lahko vidimo celulozo iz odpadnega mulja po konĉani predobdelavi z orto fosforjevo kislino, ki je pripravljena za encimsko reakcijo hidrolize. Za še boljši izkoristek reakcije hidrolize smo obdelan material v terilnici zdrobili v prah. Slika 4-4: Organski del mulja z 20 % vsebnosti neĉistoĉ. Alkalna hidroliza: Alkalno hidrolizo smo izvedli z natrijevim hidroksidom razliĉnih koncentracij, in sicer 3- odstotno in 7-odstotno raztopino NaOH. Predhodno posušeno celulozo smo raztopili v natrijevem hidroksidu. Tako dobljeno zmes smo zamrznili za 24 ur pri 16 C. Po preteku tega ĉasa smo obdelan material odtalili in veĉkrat sprali z deionizirano vodo. Loĉitev tekoĉine in trdne snovi smo izvedli s filtriranjem. Po veĉkratnem spiranju je material dobil obliko, primerno za reakcijo hidrolize, kot je prikazano na sliki 4 5. Slika 4-5: Vhodni material po konĉani predobdelavi z natrijevim hidroksidom. 21

35 Oksidacija: Oksidacijo smo izvedli z vodikovim peroksidom. Suh trdni odpadni mulj (m 2,5 g) in peroksid smo zmešali v razmerju 1 : 20, reakcijo smo izvajali z dvema razliĉnima koncentracijama peroksida. Mešanico s H 2 O 2 (w = 5 %) smo termostatirali na temperaturo, 50 C in mešali 1 uro z vrtilno frekvenco mešala, f m 120 min -1. Dobljeno zmes, ki je na sliki 4 6, smo veĉkrat sprali in prefiltrirali. Obdelan material smo posušili v eksikatorju ter ga tako pripravili za nadaljno reakcijo hidrolize. Enak postopek smo ponovili še s H 2 O 2 (w = 1,5 %), le da je pri tem mešanje potekalo 20 ur. Slika 4-6: Zmes po predobdelavi z vodikovim peroksidom. 4.2 Reakcija hidrolize odpadnega mulja Reakcijo hidrolize celuloze iz odpadnega mulja smo, kot je ţe bilo omenjeno, izvajali v reaktorskem sistemu EasyMax 102. Predhodno obdelan mulj smo zatehtali v stekleni reaktor in dodali topilo (V = 50 ml). Kot topilo smo uporabili deionizirano vodo ali acetatni pufer (ocetna kislina in natrijev acetat). Reakcijsko mešanico smo nato postopoma segreli na 45 C in nekje po eni minuti dodali encim celulazo. Po preteku reakcijskega ĉasa smo zmes ohladili na sobno temperaturo ter iz nje s filtrnimi plošĉicami odstranili morebitne primesi odpadnega mulja, ki niso zreagirale. Dobljeni filtrat smo pred merjenjem še temperaturno obdelali v vreli vodi in s tem denaturirali encim. Tako je bila raztopina pripravljena na merjenje vsebnosti glukoze z VIS spektrofotometrom. Eksperimente smo izvajali vedno pri konstantni: temperaturi, 45 C, vrtilni frekvenci mešala, f m 200 min -1, volumnu topila, V 50 ml. Spreminjali smo naslednje reakcijske parametre: volumen encima celulaze, V (100, 500, 1000, 2000 in 3000) L, ĉas reakcije, t (24 in 48) h, ph topila, (4, 5 in 6), maso reaktanta celuloze iz odpadnega mulja. 22

36 4.2.1 Merjenje koncentracije glukoze Za merjenje koncentracije glukoze v nastali reakcijski mešanici odpadnega mulja je bilo potrebno najprej skonstruirati umeritveno krivuljo. To smo pripravili iz razliĉnih masnih koncentracij glukoze. Izraĉunane mase (tabela 4 1) smo zatehtali v buĉke ter jih dopolnili do oznake. Merjenje absorbance je potekalo tako, da smo odpepitirali 10 L osnovne raztopine standardne glukoze, ter dodali glukozni reagent (V 990 L). Nato smo nastalo raztopino dobro pretresli na stresalniku in 10 min termostatirali pri 36 C. Po preteku tega ĉasa smo na VIS spektrofotometru (slika 4 7) izmerili vrednost absorbance pri valovni dolţini 500 nm. Tabela 4-1: Mase standardnih raztopin. V [ml] m g [g] , , , , , ,5405 Absorbance dobljenih vzorcev glukoze po hidrolizi celuloze smo izmerili enako, kot je bilo opisano zgoraj. Vendar v tem primeru nismo vzeli standardne raztopine glukoze, ampak raztopino glukoze v vzorcu. Slika 4-7: VIS spektrofotometer. 4.3 Alkoholna fermentacija glukoze v bioetanol Alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol nismo izvajali neposredno v laboratoriju, ampak smo povzeli izkoristek reakcije po ţe narejeni študiji iz leta odstotna presnova fermentacije glukoze do bioetanola je bila doseţena po 24 urah. 37 Dobljena koncentracija glukoze pri eksperimentalnem izvajanju reakcije hidrolize je bila tako nizka, da bi bilo med reakcijo fermentacije nemogoĉe zasledovati dobljeno koncentracijo bioetanola. Ob upoštevanju vseh podatkov smo dobljeno koliĉino bioetanola grobo ocenili. 23

37 A [1] Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije 5 Rezultati in diskusija 5.1 Umeritvena krivulja Za izraĉun koncentracije glukoze smo potrebovali umeritveno krivuljo. To smo skonstruirali na osnovi meritev standarnih raztopin glukoze razliĉnih masnih koncentracij. Te so prikazane v poglavju Krivuljo smo skonstruirali znova, ko smo porabili stekleniĉko glukoznega reagenta z razlogom, da ne bi prihajalo do odstopanj med posameznimi šarţami reagenta. Na sliki 5 1 je prikazan primer umeritvene krivulje. 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,0598x + 0,0239 R² = 0, c g [mmol/l] Eksperimentalni podatki Linearna Slika 5-1: Umeritvena krivulja za doloĉanje koncentracije glukoze. Z uporabo linearne regresije smo doloĉili enaĉbo premice zgornjega eksperimentalnega primera, in sicer: kjer je: y vrednost absorbance A, x koncentracija glukoze c g [mmol/l]. Vsem dobljenim hidroliziranim vzorcem smo izmerili absorbanco in z enaĉbo premice (primer te je lahko enaĉba 5.1) doloĉili koncentracijo nastale glukoze. Po enaĉbi 2.4 smo nato izraĉunali presnovo reakcije hidrolize celuloze iz odpadnega mulja v glukozo. Iz slike 5 1 je razvidno, da umeritvena krivulja A f(c g ) ne poteka skozi izhodišĉe karteziĉnega koordinatnega sistema. Razlog za to je v odzivnosti reagenta, ki je lahko posledica intenzitete njegove obarvanosti

38 5.2 Encimska hidroliza odpadnega mulja Reakcijo hidrolize smo izvajali s celulozo, ki je bila predhodno obdelana na razliĉne naĉine. Koncentracija nastale glukoze je bila v vseh primerih izraĉunana glede na organski del. Reakcijski parametri so bili pri izvajanju hidrolize sledeĉi: temperatura, 45 C, ĉas reakcije, t 24, 48 h, volumen raztopine V 50 ml in vrtilna frekvenca mešala, f m 200 min -1 za vse izvedene reakcije enaki. V naslednjem podpoglavju sledi prikaz rezultatov in primerjav med razliĉnimi tehnikami predobdelave mulja Mletje Pri predhodno obdelanem mulju z mletjem smo reakcijo hidrolize izvajali z dvema razliĉnima topiloma: deionizirano vodo (ph smo uravnali na ţeljeno vrednost) in puferno raztopino (acetatni pufer). V tabeli 5 1 je prikazan vpliv vrste topila na stopnjo presnove pri reakciji hidrolize. Tabela 5-1: Vpliv vrste topila na presnovo reakcije hidrolize. V encima [µl] m mulja [g] ph Vrsta topila c g [mmol/50ml] X A [%] w org. del [%] 500 0,42 5 Voda 0,0590 5,4 43, ,42 5 Pufer 0,0387 3,8 43,85 Iz tabele 5 1 je razvidno, da je bila hidroliza izvedena z enako koliĉino encima, mulja ter ph reakcijske mešanice. V tem primeru smo prouĉevali le vpliv vrste topila na izkoristek reakcije pri mletju kot naĉinu predobdelave. Ugotovitev je bila, da vrsta topila ni pomembna, saj v našem primeru ne vpliva na presnovo oz. je razlika med njima minimalna. Prav tako je mletje zaradi nizke presnove reakcije dokaj neprimeren naĉin predobdelave. Glede na stroškovno in izvedbeno plat ne predstavlja veĉjih omejitev Kislinska predobdelava Za kislinsko preobdelavo smo ţe iz pregledane literature ugotovili, da je najbolj primeren in uĉinkovit postopek. 38 Zato smo ravno v tem primeru prouĉevali vpliv procesnih parametrov (ĉasa, koliĉine encima in ph vrednosti) na presnovo reakcije hidrolize. Nespremenjeni so ostali masa odpadnega mulja, vrsta in volumen topila (acetatni pufer). Prvo bistveno razliko med mletjem in kislinsko predobdelavo smo ugotovili ţe po opravljenem ţarjenju. Pri kislinski predobdelavi z orto fosforjevo kislino je bil deleţ organske faze 82,04 %, pri mletju pa le 43,85 %. Po postopku ţarjenja smo ugotovili, da tudi kislinska predobdelava ne odstrani anorganskega dela v celoti. Ostanek tega je še vedno 18 %, kar moti potek encimske hidrolize. 25

39 X A [%] Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije V primeru dvakratne kislinske predobdelave se je organski deleţ nekoliko zvišal (88,6 %). Vendar sta se s tem poveĉala tudi ĉas in strošek predobdelave, izkoristek reakcije je ostal nespremenjen. V tabeli 5 2 je prikazana presnova reakcije hidrolize pri razliĉnih vredostih ph (4, 5 in 6), ter konstantnih reakcijskih parametrih. Vidimo, da je optimalna vrednost za izvedbo encimske reakcije hidrolize odpadnega mulja ph = 5, kar smo prav tako zasledili v literaturi. 39 Tabela 5-2: Vpliv spremembe ph na presnovo reakcije hidrolize. V encima [µl] m mulja [g] ph Vrsta topila c g [mmol/50ml] X A [%] w org. del [%] 500 0,15 4 Pufer 0, ,4 82, ,15 6 Pufer 0, ,3 82, ,15 5 Pufer 0, ,5 82,04 Pri višjem ali niţjem ph se presnova reakcije zniţa glede na optimalno vrednost. Odvisnost presnove reakcije hidrolize od ph vrednosti prikazuje slika ph Eksperimentalni podatki Slika 5-2: Vpliv spremembe ph na stopnjo presnove hidrolize glukoze. 26

40 Ob preverjanju vpliva reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije smo ugotovili, da se presnova tudi po 48 urah ne poveĉa veĉ kot za 10 %. To bistveno ne vpliva na konĉni izkoristek dobljenega bioetanola (tabela 5 3). Poveĉa se le strošek proizvodnje. Tabela 5-3: Vpliv spremembe reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije hidrolize. t [h] m mulja [g] ph Vrsta topila c g [mmol/50ml] X A [%] w org. del [%] 24 0,15 5 Pufer 0, ,2 82, ,15 5 Pufer 0, ,2 82,04 Ţe uvodoma smo sklepali, da bo na presnovo encimske hidrolize odpadnega mulja najbolj vplival volumen encima. V tabeli 5 4 so prikazane presnove v primeru spreminjanja volumna encima in konstantnih ostalih reakcijskih parametrih. Tabela 5-4: Vpliv volumna encima na presnovo reakcije hidrolize. V encima [µl] m mulja [g] ph Vrsta topila c g [mmol/50ml] X A [%] w org. del [%] 100 0,15 5 Pufer 0, ,7 82, ,15 5 Pufer 0, ,5 82, ,15 5 Pufer 0, ,1 82, ,15 5 Pufer 0, ,3 82, ,15 5 Pufer 0, ,2 82,04 Iz tabele 5 4 je razvidno, da s 100 µl in 500 µl encima doseţemo skoraj enako presnovo. Prav tako sta presnovi pri µl in µl dokaj identiĉni, vendar dvakrat višji kot pri manjšem volumnu encima. Poskusili smo tudi s µl, presnova se je še nekoliko poveĉala. Ta sprememba ni bila znatna, zato smo kot optimalno koliĉino encima izbrali µl. Z nadaljnjim poveĉevanjem volumna encima bi najverjetneje prišlo do inhibicije. 27

41 5.2.3 Alkalna hidroliza in oksidacija Glede na podatke iz literature smo priĉakovali, da bosta ti dve tehniki predobdelave dajali manjše izkoristke reakcij. Zato smo se odloĉili, da jih izvedemo samo v eni paralelki. 7 Iz tabele 5 5 je razvidno, da dobimo po predobdelavi z natrijevim hidroksidom pri enakih reakcijskih pogojih veĉjo presnovo kot z vodikovim peroksidom. Vendar je deleţ organske faze veĉji pri oksidaciji, kar pomeni,da smo s tem postopkom iz raztopine izloĉili veĉ anorganskega dela, ki moti potek encimske hidrolize odpadnega mulja. Primerjava presnov pri predobdelavi z alkalno hidrolizo pokaţe, da ni bistvene razlike med 3-odstotnim in 7-odstotnim NaOH. Enako pokaţe primerjava presnov reakcij hidrolize celuloze, ki smo jo s H 2 O 2 razliĉno dolgo predobdelovali. Tabela 5-5: Vpliv predobdelave mulja z alkalno hidrolizo in oksidacijo na presnovo. Tehnika predobdelave V encima [µl] m mulja [g] ph Vrsta topila X A [%] w org. del [%] 3 % NaOH 500 0,15 5 Pufer 22,6 40,78 7 % NaOH 500 0,15 5 Pufer 21,4 49,07 1 h H 2 O ,15 5 Pufer 7,8 92,96 12 h H 2 O ,15 5 Pufer 11,8 75,65 28

42 X A [%] Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije Primerjava različnih tehnik predobdelave Primerjava razliĉnih tehnik predobdelave je najbolj zanimiv in pomemben del raziskav pred samim naĉrtovanjem procesa v industrijskem merilu. Potrebno je izbrati postopek z najniţjimi stroški in najveĉjim izkoristkom reakcije. Na sliki 5 4 so prikazane presnove vseh tehnik predobdelave (mletja, kislinske predobdelave z orto fosforjevo kislino, alkalne hidrolize z NaOH ter oksidacije s H 2 O 2 ) pri enakih reakcijskih pogojih mletje kislinska preobdelava 3 % NaOH 7 % NaOH H2O2 1 h H2O2 12 h 5 0 Slika 5-3: Presnove reakcije hidrolize celuloze z razliĉnimi predobdelavami. Iz slike 5 4 je razvidno, da s kislinsko predobdelavo z orto fosforjevo kislino doseţemo najvišjo stopnjo presnove v primerjavi z drugimi tehnikami. Potrebno pa je omeniti, da je ta postopek zelo zahteven, dolgotrajen in finanĉno neugoden. 29

43 5.3 Fermentacija glukoze v bioetanol Alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol v laboratorijskem merilu nismo izvajali, saj je bilo iz predhodnih raziskav ugotovljeno, da je reakcija neproblematiĉna in zlahka doseţemo skoraj 100-odtotno presnovo. Problematika, ki smo jo zaznali, ni bila v poteku reakcije fermentacije, temveĉ v prenizki koncentraciji potencialnega produkta bioetanola. Spodaj navedeni podatki so zato izraĉunani samo za kislinsko predobdelavo z orto fosforjevo kislino, ker nam daje najveĉjo stopnjo presnove hidrolize. Reakcija hidrolize namreĉ poteka v moĉno razredĉenem mediju, zato je koncentracija nastale glukoze kljub 72,2-odstotni presnovi nizka, = 1 g/l. Poslediĉno je tudi koncentracija bioetanola zelo nizka, kar bi oteţilo njegovo separacijo do konĉnega produkta. V ta namen smo izvedli reakcijo hidrolize tako, da smo poveĉali koliĉino predobdelanega mulja, zmanjšali koliĉino dodanega pufra in poveĉali koliĉino encima. Priĉakovali smo nastanek bolj koncentrirane raztopine glukoze. Rezultati dodatnih poskusov so podani v tabeli 5 6. Tabela 5-6:Vpliv koliĉine encima in pufra na presnovo reakcije hidrolize. V encima [µl] m mulja [g] ph V pufra [ml] t hidrolize [h] X A [%] w org. del [%] , ,2 82, ,5 5 / 24 9,3 82, ,5 5 / 48 10,6 82, , ,2 82,04 Ugotovili smo, da se je kljub poveĉani koliĉini nastale glukoze presnova reakcije hidrolize zniţala, kar pripisujemo moţnemu pojavu inhibicije. Vendar bi bilo v primeru industrijske proizvodnje bolj koncentriran bioetanol laţje loĉevati iz reakcijske zmesi. Na osnovi podatka iz tovarne, da letno nastaja pribliţno t mulja in ob upoštevanju eksperimentalnih podatkov (najveĉja presnova reakcije hidrolize je 72,2 %), ter stehiometrije reakcije (enaĉba 2.6) smo izraĉunali teoretiĉno moţno koliĉino bioetanola v konĉni raztopini. Dnevna proizvodnja za 280 dni letnega obratovanja bi znašala 316 kg za primer bolj razredĉene raztopine bioetanola ( = 1 g/l) oziroma 151 kg za primer manj razredĉene raztopine bioetanola ( = 3,5 g/l). 30

44 Tabela 5 7 prikazuje izraĉunano sestavo napajalne mešanice, ki bi jo bilo potrebno voditi v proces separacije za obe izraĉunani varianti ob uporabi kislinske predobdelave. Pri izraĉunih smo upoštevali še izgube pri sušenju, centrifugiranju in prenašanju materiala. Tabela 5-7: Masni pretoki komponent napajalne zmesi s kislinsko predobdelavo. Komponenta q m [t/d] w bietanola = 0,1 %, X A = 72,2 % q m [t/d] w bietanola = 0,35 %, X A = 34,2 % napajalna mešanica 373,315 43,196 voda 372,696 42,901 ogljikov dioksid 0,303 0,144 bioetanol 0,316 0,151 Na enak naĉin kot zgoraj smo izraĉunali sestavo napajalne mešanice za najveĉji posamezni izbrani primer izkoristka reakcije za razliĉne tehnike predobdelave (mletje, oksidacija in alkalna hidroliza). Tabela 5-8: Masni pretoki komponent napajalne zmesi po razliĉnih metodah predobdelav. Komponenta q m [t/d] mletje X A = 5,4 % q m [t/d] 3 % NaOH X A = 22,6 % q m [t/d] 12 h H 2 O 2 X A = 11,8 % napajalna mešanica 127, , ,755 voda 127, , ,665 ogljikov dioksid 0,0128 0,057 0,044 bioetanol 0,0134 0,060 0,046 Iz tabele 5 8 lahko razberemo podatke za napajalno mešanico in njene komponente. V primeru uporabe ostalih treh tehnik predobdelave bi dnevna proizvodnja bioetanola z doloĉeno masno koncentracijo znašala: mletje: 13,4 kg ( = 0,1 g/l), alkalna hidroliza (3 % NaOH): 60 kg ( = 0,2 g/l), oksidacija (12 h H 2 O 2 ): 46 kg ( = 0,17 g/l). Proizvodnja bioetanola v tabeli 5 8 je v primerjavi s podatki iz tabele 5 7 bistveno niţja (v primeru posamezne najveĉje proizvodnje ta razlika znaša skoraj 80 %). Prav tako je njegova masna koncentracija niţja. Iz podatkov smo sklepali, da so ostale tehnike predobdelave manj unĉinkovite in predvsem iz ekonomskega vidika neupraviĉene. 31

45 5.4 Blokovna shema procesa Na sliki 5 5 je prikazana moţna shema celotnega procesa v primeru izbrane kislinske predobdelave z orto fosforjevo kislino, od zaĉetne vhodne surovine (odpadnega mulja) do konĉnega produkta (bioetanola) z vsemi vmesnimi stopnjami. Ta postopek predobdelave smo izbrali zaradi najvišje stopnje presnove. Slika 5-4: Blokovna shema procesa s kislinsko predobdelavo. Iz slike 5 4 je razvidno, da bi proces predobdelave odpadnega mulja zahteval 7 procesnih stopenj, od katerih sta sušenje in centrifugiranje stroškovno odloĉujoĉa. Obratovalne stroške v tem delu procesa bi moĉno poveĉala tudi uporaba kemikalij (predvsem kisline). 32

46 5.5 Računalniška simulacija Separacije bioetanola od vode in ogljikovega dioksida zaradi neprimerne laboratorijske opreme nismo izvajali eksperimentalno, ampak smo za ta namen uporabili raĉunalniško simulacijo s programom Aspen Plus. Shematski prikaz tega dela procesa je predstavljen na sliki 5 6. Za loĉitev smo izbrali frakcionirno destilacijsko kolono, kjer se je izvedla loĉitev azeotropne zmesi etanol voda. Doloĉili smo optimalne parametre destilacijske kolone, in sicer: tlak grelnika in kondenzatorja: 1 bar, temperaturo vtoka: 35 C, število prekatov 18: (napajalni prekat 2). Slika 5-5: Shema frakcionirne destilacije. V spodnji tabeli 5 9 so prikazani in opisani procesni tokovi in procesna enota. Tabela 5-9: Procesni tokovi in procesne enote za separacijski del procesa Oznaka Procesni tok ali enota 1 NAPAJALNA ZMES 2 DESTILAT 3 DESTILACIJSKI OSTANEK B1 FRAKCIONIRNA DESTILACIJSKA KOLONA 33

47 Pri optimiranju destilacijske kolone smo ugotovili, da bi za najboljšo loĉitev bioetanola iz napajalne mešanice morali uporabiti veĉ frakcionirnih destilacijskih kolon, kar bi izdatno poveĉalo investicijske in obratovalne stroške. Ker pa je splošno znano, da sistem etanol voda tvori azeotrop, je popolna loĉitev teh dveh komponent nemogoĉa. 40 V tabeli 5 10 je prikazan masni pretok za vse tri komponente (vodo, ogljikov dioksid in bioetanol) v posameznem procesnem toku za bolj razredĉeno in manj razredĉeno napajalno raztopino (raztopina po fermentaciji sladkorjev). Tabela 5-10: Masni pretoki komponent. q m [kg/h] w bietanola = 0,1 %, X A = 72,2 % KOMPONENTA BIOETANOL 13,16 13,16 2,54E-7 OGLJIKOV DIOKSID 12,63 12,63 5,84E-29 VODA 15529,00 867, ,88 q m [kg/h] w bietanola = 0,35 %, X A = 34,2 % KOMPONENTA BIOETANOL 6,29 6,29 5,44E-7 OGLJIKOV DIOKSID 6,00 6,00 1,22E-28 VODA 1787,54 77, ,54 Iz tabele 5 10 je razvidno, da v primeru bolj razredĉene raztopine vodimo v frakcionirno destilacijsko kolono napajalno zmes (tokovnica 1) z 0,1-odstotnim deleţem bioetanola. Po loĉevanju v koloni dobimo na iztoku iz kondenzatorja (tokovnica 2) 1,5-odstotni bioetanol skupaj s celotnim ogljikovim dioksidom in majhnim deleţem vode. Na iztoku iz uparjalnika (tokovnica 3) je najveĉ vode ter zanemarljiv deleţ bioetanola in ogljikovega dioksida. Podobno velja za manj razredĉeno raztopino, le da v tem primeru vodimo v frakcionirno destilacijsko kolono napajalno zmes z 0,35-odstotnim bioetanolom. Na iztoku iz kondenzatorja pa je njegov deleţ 7,0 %. Ĉistota takšnega bioetanola je prenizka, zato ga ne moremo uporabiti kot biogorivo. 41 Loĉevanje komponent v frakcionirni destilacijski koloni je bilo uspešno v obeh primerih (bolj in manj razredĉena raztopina), saj je v ostanku zelo majhen deleţ bioetanola. V destilatu je bila prisotna tudi voda, kar je posledica njene vezave na ogljikov dioksid. Sicer bi za uĉinkovitejši proces lahko destilat (tokovnica 2) vodili v drugo frakcionirno destilacijsko kolono, s ĉimer bi zvišali ĉistoto bioetanola. Vendar bi investicijski stroški dodatne kolone prevladali nad prihodki zaradi veĉje koncentracije bioetanola. Z raĉunalniško simulacijo smo torej potrdili naše domneve z zaĉetka izvajanja raziskav. Investicija v takšen proces bi bila najverjetneje neupraviĉena. 34

48 6 Zaključek Prenos doloĉenega kemijskega procesa iz laboratorijskega na industrijski nivo (»scale up«) zahteva veliko znanja, izkušenj in eksperimentalnega dela. Potrebno je upoštevati, optimirati in rešiti vrsto dejavnikov, da je proces ekonomsko ter energetsko unĉinkovito izveden. Ob vsem tem je za kemijskega inţenirja zelo pomembno, da dela in optimira s sodobno ter napredno laboratorijsko ali raĉunalniško opremo. V okviru magistrske naloge smo skušali ĉim bolj upoštevati vse zgoraj naštete dejavnike in preveriti moţnosti uporabe odpadnega mulja iz papirne industrije, ki velja za okoljsko problematiĉen odpadek, za koristen stranski produkt z dodano vrednostjo. V našem primeru bi to bil bioetanol. Predvideli smo tri stopnje procesa: predobdelavo mulja oz. celuloze, encimsko hidrolizo celuloze do vmesnega produkta glukoze in alkoholno fermentacijo glukoze do bioetanola. Pri eksperimentalnem delu smo uporabljali tehnološko dovršen reaktorski sistem EasyMax 102. V njem smo izvajali encimsko hidrolizo celuloze s specifiĉnim encimom celulazo pri razliĉnih reakcijskih pogojih. Za veĉji izkoristek reakcije je bilo potrebno vhodno surovino predhodno obdelati. Za predobdelavo smo izbirali med štirimi razliĉnimi tehnikami, in sicer: mletjem, kislinsko preobdelavo z orto fosforjevo kislino, alkalno hidrolizo z NaOH in oksidacijo s H 2 O 2. Optimirali in spreminjali smo volumen dodanega encima V = (100, 500, 1 000, in 3 000) µl, vrsto topila (deionizirana voda in acetatni pufer), maso odpadnega mulja m = (0,15, 0,42 in 0,5) g, ĉas izvajanja reakcije t = (24 in 48 h) ter ph = (4, 5 in 6) reakcijske mešanice. Med izvajanjem reakcije sta bili temperatura (ϑ = 45 C) in vrtilna frekvenca mešala (f m = 200 min -1 ) konstantni. Alkoholne fermentacije glukoze do bioetanola nismo izvajali neposredno v laboratoriju, saj je proces enostaven in zlahka dosegamo praktiĉno 100-odstotno presnovo. Tako smo za doloĉanje koncentracije etanola po drugi stopnji procesa uporabili podatke iz literature. 36 Sestavo zmesi s teoretiĉno izraĉunano koliĉino bioetanola (po procesu fermentacije sladkorjev s kvasovkami) smo uporabili kot vhodni podatek pri simulaciji separacijskega dela procesa z raĉunalniškim programom Aspen Plus. Poskušali smo loĉiti bioetanol od vode in ogljikovega dioksida. Kljub temu, da odpadni mulj papirne industrije predstavlja velik okoljski problem, saj se ga na letni ravni proizvede ogromno, z izvedenimi raziskavami nismo mogli potrditi ekonomske uspešnosti procesa za razgradnjo odpadnega mulja do bioetanola. Ob upoštevanju, da odpadni mulj vsebuje 60 % vode in da je v suhem preostanku pribliţno 50 % anorganskih snovi, je razumljivo, da tudi po izbiri najuĉinkovitejšega postopka predobdelave, optimiranju reakcijskih pogojev obeh stopenj procesa in konĉni separaciji ne moremo dobiti takšne koliĉine bioetanola, ki bi upraviĉila investicijo v dodaten proces. 35

49 7 Literatura 1. Slovenski veliki leksikon NE-PI 8; Zaloţba Mladinska knjiga, (dostop: ) (dostop: ). 4. Gornjak I., Samec N. Ali je papirniški mulj strošek ali energent, julij 2013, (dostop: ). 5. Sternad B. Študija razgradnje škroba v odpadni vodi papirne industrije. Diplomsko delo (dostop: ). 7. Cabrera, E., Muñoz, M.J., Martín, R., Caro, I., Curbelo, C., Díaz, A.B., Alkaline and alkaline peroxide pretreatments at mild temperature to enhance enzymatic hydrolysis of rice hulls and straw, Bioresource Technology (2014). 8. Li, J., Zhang, X., Zhang, M., Xiu, H., Hang H, Optimization of Selective Acid Hydrolysis of Cellulose for Microcrystalline Cellulose using FeCl 3, BioResouces 9 (1), , Peng, L., Chen, Y., Conversion of paper sludge to ethanol by separate hydrolysis and fermentation (SHF) using Saccharomyces cerevisiae, Biomass and Bioenery 35, , Yamashita, Y., Sasaki, C., Nakamura, Y., Development of efficient system for ethanol production from paper sludge pretreated by ball milling and phosphoric acid, Carbohydrate Polymers , Zhao, Y., Wang, Y., Zhu, J.Y., Ragauskas, A., Deng, Y., Enhanced Enzymatic Hydrolysis of Spruce by Alkaline Pretreatment at Low Temperature, Biotechnology and Bioengieering 99 (6), , Goršek,., Peĉar, D., Kitak. M., Študija encimske razgradnje odpadnega mulja v tovarni papirja Medvode, Poroĉilo o opravljenih raziskavah (interno gradivo), Maribor Ignatowitz, E., prevod Ĉelnik L., Kemijska tehnika. Ljubljana: Zaloţništvo Jutro, Goršek, A., Bioreakcijska tehnika: zbrano gradivo za predmet Bioreakcijska tehnika. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, (dostop: ) (dostop: ). 17. Bisio, A., Kabel, R., Scale up of chemical processes (Conversion from Laboratory Scale Testes to successful Comercial Size Design). New York: John Wiley, Levenspiel, O., Chemical reaction engineering, third edition. John Wiley, PorSimPlusApplicationExample: Bioethanol Productiom Plant (dostop: ) (dostop: ). 22. Janušiĉ, V., Ćurić, D., Kriĉka, T., Predtretmani u proizvodnji bioetanola iz lignocelulozne biomase, struĉni ĉlanek,

50 23. Brethauer, S., Wyman, E. C., Review: Continuous h.ydrolysis and fermentation for cellulosic ethanol production, Bioresource Technology 101, , (dostop: ). 25. Harmsen, P.F.H., Huijgen, W.J.J., Bermundez Lopez, L.M., Bakker, R.R.C., Literature Review of Physical and Chemical Pretreatment Processes for Lignocellulosic Biomass, Food & Biobased Research, Biosynergy, ECN, Kuokkanena, T., Nurmesniemib, H., Poykio, R., Kujalad, K., Kaakinene, J., Kuokkanena, M., Chemical and leaching properties of paper mill sludge, Chemical Speciation and Bioavailability 20(2), , Deuden, Leksikon kemija, Uĉila Drofenik, M., Splošna in anorganska kemija, Univerzitetni uĉbenik, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, (dostop: ). 30. Kitak, M. Hidroliza maltoze: uporaba laboratorijskega reaktorja z nasutjem za določanje kinetičnih parametrov reakcije. Diplomska naloga, hem/guide-to-reaction-calorimetry.html (dostop ) (dostop: ). 33. Moiser, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y.Y., Holtzapple, M., Ladisch, M., Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomassi, Bioresource Technology 96, , Zeeman, G., Hendriks, A.T.W.M., Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass, Bioresource Technology 100, 10-18, Bohanec, M. Proizvodnja formalina z manjšo porabo pogonskih sredstev. Diplomska naloga, Trop, P. Absorbcijska hladilna naprava za proizvodnjo industrijske hladilne vode. Diplomska naloga, Sternad B., Peĉar D., Goršek. Študija razgradnje škroba v odpadni vodi tovarne papirja Medvode, Poroĉilo o opravljenih raziskavah (interno gradivo), Wei, S., Kumar, V., Banker, G.S., Phosphoric acid mediated depolymerization and decrystallization of cellulose: preparation of low crystallinity cellulose a new pharmaceutical excipient. International Journal of Pharmaceutics 142, , Pezsa N., Ailer P. Bioethanol production from paper sludge prereated by subcritical water. Hungarian journal of industrial chemistry Veszprem, 39(2), , (dostop: ) pdf?nocdn=1 (dostop: ) 37

51 Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije 8 Priloge Tukaj so zbrani rezultati raĉunalniške simulacije za primer z bolj razredĉeno in manj razredĉeno raztopino etanola. 8.1 Bolj razredčena raztopina (w = 0,1 %): 38

52 8.2 Manj razredčena raztopina (w = 0,35 %): Heat and Material Balance Table Stream ID S1 S2 From B1 B1 B2 B2 To B1 B2 Phase LIQUID LIQUID LIQUID MIX ED LIQUID Substream: MIXED Mole Flow km ol/hr ETHANOL, , ,18053E-8 0,0, CARBO-01, , ,7776E-30, ,0 WAT ER 99, , , , ,0 T otal Flow km ol/hr 99, , , ,410483, T otal Flow kg/hr 1799,833 89, ,542 83, , T otal Flow l/min 30, , , ,19298, T emperature C 35, , , , ,04533 Pressure bar 1, , , , , Vapor Frac 0,0 0,0 0,0 6,90727E-3 0,0 Liquid Frac 1, , ,000000, , Solid Frac 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Enthalpy cal/m ol , , , , ,84 Enthalpy cal/gm -3765, , , , ,349 Enthalpy cal/s ec -1,8826E ,19-1,7643E , ,698 Entropy cal/m ol-k -38, , , , ,91594 Entropy cal/gm-k -2, , , , , Dens ity mol/c c, , , ,56734E-3, Dens ity gm /cc, ,052228, , , Average MW 18, , , , ,06904 Liq Vol 60F l/min 30, , , ,407502, Mole Frac ETHANOL CARBO-01 WATER Mas s Flow kg/hr ETHANOL 6, , ,43857E-7 0,0 6, CARBO-01 6, , ,2224E-28 6, ,0 WAT ER 1787,542 77, ,542 77, ,0 Mas s Frac ETHANOL 3,49569E-3, ,1794E-10 0,0 1, CARBO-01 3,33364E-3, ,1463E-32, ,0 WAT ER, , ,000000, ,0 39

53 9 Življenjepis OSEBNI POD TKI Matjaţ Kitak Stoperce 71A, 2289 Stoperce, Slovenija Spol moški Datum rojstva 18/09/1990 Drţavljanstvo Slovensko DELOVNE IZKUŠNJE 2012 Opravljanje industrijskega projekta KGZS Ptuj, Ormoška cesta 28 Priprava vzorcev mleka in zemlje za analizo Opravljanje industrijskega projekta IKEM, d. o. o, Lovrenc na Dravskem polju Mletje vzorcev, priprava razklopov / Sodelovnaje na projektu»po kreativni poti do praktiĉnega znanja«univerza v Mariboru in podjetje Echo, d.o.o Sodelovanje na delu projekta»senzorji in merilni sistemi za in-situ spremljanje parametrov v biotehnoloških procesih«. Delo v laboratoriju KGZS Ptuj KGZS Ptuj, Ormoška cesta 28 nalitika zemlje in toksinov Sodelovanje na projektu «Po kreativni poti do praktiĉnega znanja«univerza v Mariboru Sodelovanje na delu projekta»priprava in karakterizacija polihipe nosilcev za vezavo polutantov (PK-PHIPEN-VP)«. 40