Jaroslav Váňa
Úvod

K napsání tohoto sdělení mne vedla studie z University of California, Berkeley a Cornell University (USA), zabývající se efektivností výroby bioethanolu z kukuřice, ze které vyplývá, že celková vstupní energie při výrobě bioethanolu z kukuřice je 3,4krát větší než je energetická hodnota vyrobeného bioethanolu. Autoři studie uvádí, že vstupní hodnota energie je 241 GJ/ha a energetický obsah vyrobeného bioethanolu pouze 68,2 GJ/ha. To je s ohledem na nutnost zavádění produkce bioethanolu, vyplývající z požadavků Evropské unie tristní výsledek, který je výrazně aplikován na internetové stránce jaderných energetiků „Pro Atom web“ s cílem zesměšnění snahy o zavádění bioenergií. Při blízkém seznámení s příslušnou studií naleznete chybu, která by se dala tolerovat ještě u gymnaziálních studentů, ale nikoliv u univerzitních vědců. Do vstupu energií byla započtena i energie získaná fotosyntézou ve výši 160 GJ/ha, kterou je nesmyslně navýšen input energií, který by podle mého názoru neměl zahrnovat obnovitelné energie. Ale i v případě, že zahrneme do položky input pouze energii spotřebovanou na pěstování kukuřice dodanou ve formě pohonných hmot, pracovní síly, energie ve hnojivech, pesticidech, mechanizace apod. ve výši 29,3 GJ/ha a k tomu připočteme energii na vlastní transformaci kukuřice na bioethanol ve výši 52,0 GJ/ha, je celková energie v důsledku antropogenních vstupů ve výši 81,3 GJ/ha a poměr vstup/výstup se snižuje na 1,19. Ale ani tento poměr nezabezpečuje trvale udržitelnou výrobu bez dotace z jiných druhů fosilních energií. Proto chceme nabídnout odborné veřejnosti výrobu bioethanolu z vedlejších produktů a odpadů lignocelulózového charakteru nebo dokonce z odpadního papíru z občanského sběru, kde energetické vklady na pěstování lihových plodin jsou nahrazeny příznivějšími náklady na svoz a úpravu odpadů a vedlejších produktů. Tato technologie vznikla na základě řešení výzkumného projektu NAZV. V současné době, kdy po některých úplatkářských aférách je výroba bioethanolu v České republice předmětem volné soutěže se zvýšil zájem o tuto technologii a její know-how ze strany investorů. Proto jsem se rozhodl zveřejnit i některé dosud nepublikované údaje z této technologie.
Nezbytnost výroby bioethanolu

Plán odpadového hospodářství České republiky klade důraz na materiálové využívání odpadů. Při materiálovém využívání biologicky rozložitelných odpadů jsme si vytyčili cíl rozšířit stávající technologie kompostování a výroby bioplynu na výrobu motorových biopaliv a to zejména na bioethanol. Tato snaha koresponduje se snahou Evropské unie nahradit do roku 2020 jednu pětinu spotřeby fosilních pohonných hmot alternativními palivy a pro Českou republiku byl stanoven indikativní cíl zvýšení podílu biopaliv v roce 2010 na 6%, což představuje ke stávající výrobě bionafty zajistit výrobu minimálně dvou milionů hektolitrů bioethanolu ročně.

S očekáváním ukončení těžby ropy v tomto století se bioethanol již v řadě států využívá nejčastěji jako složka ETBE (Ethylterc-butyl-éteru) přidávané 13-15% hm. do bezolovnatých benzínů typu Natural jako aditivum. Existuje však celá řada dalších alkoholových motorových paliv, zejména pro vznětové motory. Při využití ethanolu k výrobě paliv jde v České republice zásadně o tzv. agroalkohol vyráběný klasickým postupem z cukernatých nebo škrobnatých zemědělských plodin. S ohledem na drahou zpracovávanou surovinu je tento způsob nemyslitelný bez dotačních podpůrných programů. Při řešení výzkumného projektu zpracování odpadu na bioethanol jsme vycházeli z pracovní hypotézy, že bioethanol získaný zpracováním bioodpadů bude levnější než vyráběné agroalkoholy, do kterých se promítá cena za nákup suroviny. Navíc lze uvažovat s environmentálními efekty v důsledku zpracování odpadů. Zaměřili jsme se na bioodpady s vysokým obsahem lignocelulózy, zejména na odpady z rostlinných tkání, odpady z lesnictví, odpady ze zpracování dřeva a výroby papíru a celulózy a z komunálních bioodpadů na papír a lepenku z odděleného sběru, dřevo neobsahující nebezpečné látky a na biologicky rozložitelný odpad ze zahrad a parků.
Technologie zpracování odpadů na bioethanol

Teoretickým základem této technologie je hydrolýza odpadních hmot na bázi rostlinných tkání prováděná při teplotě 180 - 210°C a při tlaku 1,1 - 1,6 MPa v kyselém prostředí. Při této hydrolýze dochází k rozštěpení lignocelulózového komplexu a k přeměně celulózy na glukózové sacharidy a k přeměně hemicelulóz na zkvasitelné hemicelulózové cukry. Vedlejšími produkty této hydrolýzy je surový lignin, fural a organické kyseliny. Tyto vedlejší produkty se dají upravit na žádané suroviny (čistý lignin, 92% fural, kyselina octová a mravenčí). V návaznosti na hydrolýzu se získaný cukerný roztok zpracovává klasickým lihovým kvašením.

Obr. 1: Poloprovozní malotonážní hydrolýzní zařízení

Při řešení vlastního projektu jsme se zaměřili na vývoj kontinuální technologie zpracování lignocelulózových odpadů na poloprovozním malotonážním hydrolýzním zařízení (obrázek č.1). Toto zařízení o zpracovatelském výkonu 30 kg . h-1 upravených odpadů bylo vybudováno v areálu Výzkumného ústavu rostlinné výroby v Praze - Ruzyni a po provedení řady technických úprav sloužilo pro provádění hydrolýzních experimentů. Součástí této linky je i zařízení na rozdělení hydrolyzované suspenze na cukerný roztok a na tuhou nezreagovanou fázi obsahující lignin a zbytkovou celulózu (obr. č.2). Technickým problémem kontinuální jednostupňové hydrolýzy bylo zejména konstrukční řešení plnících, přivádějících a výtlačných lisů umožňujících transport suspenzí do vysokého protitlaku v hydrolyzérech (obr. č.3) a vyřešení koncepce tepelné jednotky olejového ohřevu. V průběhu řešení vyplynula nezbytnost nástřiku cca 0,5 - 0,75% kyseliny (HCl) tak, aby hydrolýza probíhala při pH cca 3,5. Hydrolyzovaná hmota je předávána do expanderů, kde dojde k jejímu ochlazení a ke snížení tlaku. Parní fáze z expanderů je přes tepelný výměník vedena do zásobníku furalové směsi, ze kterého je prováděna separace furalu.