Biobenzin cellulózból – hogy az autó ne vegye ki a falatot a szánkból

Egy európai uniós direktíva szerint 2020-ra az üzemanyagok legalább 10%-ának biológiai eredetűnek kell lennie. A jelenleg használt bioetanol és biodízel előállításához elsősorban első generációs biomasszát használnak, ami azt jelenti, hogy ehető alapanyagokból (pl. kukoricából, növényi olajokból stb.) indulnak ki, ami versenyt támaszt az élelmiszerként való felhasználással szemben. Ezért emberi fogyasztásra nem alkalmas, nem ehető, második generációs forrásokra, pl. cellulózra kell áttérni az alternatív bioüzemanyagok előállításához. Ahhoz, hogy 2020-ig elérhető legyen a 10%-os cél, sürgősen új, nagy volumenű katalitikus folyamatokra van szükség, mert eddig a cellulóz nagy léptékű kémiai átalakítására nem állt rendelkezésre megfelelő technológia.

A Leuveni Katolikus Egyetem belga kutatói (Bert Sels és munkatársai) együttműködve az MTA Energiatudományi Kutatóközpont magyar kutatóival (Korányi Tamással és Szarvas Tiborral) cellulózból és lignocellulózból biobenzint állítottak elő egy új technológiával, valamint ezt az eljárást közvetlenül beépítették működő petrolkémiai finomítói folyamatokba, eredményeiket pedig a nagy presztízsű Nature Energy folyóiratban közölték.

Cellulóz és benzin – egy katalitikus barátság kezdete

A hagyományos olajfinomítókban a nyersolajat különböző forráspontú frakciókra desztillálják. Egyik ilyen alacsony forráspontú frakció a könnyűbenzin, amely főleg 5 és 6 szénatomszámú (C₅-C₆) alkánokból (vagyis telített szénhidrogénekből) áll. A cellulózt felépítő monoszacharidnak, a glükóznak is 6 szénatomos váza van, ami C₆-alkánokká alakítható enyhe körülmények között végzett hidrodeoxigénezési (HDO) reakcióval.

A belga kutatók az említett könnyűbenzin-frakciót használták az új kétfázisú reakció szerves fázisaként, amelyben a cellulóz C₆-alkánokra bomlott le, így az eredeti fosszilis alkánelegy biológiai eredetű alkánokkal dúsult fel.

Az új technológiát Folyadékfázisú Cellulóz – Nafta (FFC-N) eljárásnak nevezték el.

A kétfázisú katalitikus rendszer egy vizes és egy szerves fázisból áll. A vizes rétegben feloldott heteropolisav (H₄SiW₁₂O₄₀) katalizátor „vágja szét” a cellulózt monoszacharid-egységekre, és ezeket tovább dehidratálja furánokká, pl. 5-hidroximetilfurfurállá (5-HMF). Ezek a gyűrűs köztitermékek átlépnek a szerves fázisba, és ott a kétfunkciós sav-fém katalizátor (polisav-módosított Ru/C) HDO-val C₆-alkánokká redukálja őket.

A bioetanol egy első generációs, fermentálással készített bioüzemanyag, melyet később fosszilis eredetű benzinnel kevernek össze. A szerzők 10% biobenzin-tartalmú üzemanyagot állítottak elő cellulózból egy kétfázisú (vizes-szerves) katalitikus folyamatban, szerves fázisként a nyersolaj-eredetű könnyűbenzint használták. A monoszacharidok bioalapú alkánokká (hexánná és pentánná), metilciklopentánná (MCP) és oxigenátokká alakulnak a folyamatban, így a vizes fázisból a szerves fázisba kerülnek. Forrás: MTA EK

Elválik a bio a naftától

Korányi Tamásnak és Szarvas Tibornak, az MTA Energiatudományi Kutatóközpont kutatóinak fontos szerepe volt a munkában, hiszen az FFC-N folyamatban képződő alkánelegy fosszilis (nafta) és biológiai eredetű (cellulóz) komponensekből áll – ezeket pedig kémiai úton nem lehet elkülöníteni. A módszer hatékonyságát, vagyis a biofeldúsulás mértékét a magyar kutatók határozták meg radiokarbon (¹⁴C) folyadékszcintillációs (Liquid Scintillation Counting, LSC) módszerrel. A ¹⁴C radioizotóp felezési ideje 5730 év, ezért ez a mérés csak a biológai eredetű szénatomokat detektálja, a fosszilis naftában már nincs „bioszén”. Összességében 11–18%-nyi biológiai eredetű szénfeldúsulást detektáltak, ami megfelel a 10%-os bioüzemanyag-tartalom igényének.

Irány a finomító!

Az új üzemanyag oktánszáma még nem kielégítő, ezért egy további izomerizációs lépésben az oktánszámot 80-ra növelik, így a biodúsított üzemanyag teljes értékű benzin lesz.

A módszer az olajfinomítói folyamatokba történő teljes integrálás miatt zökkenőmentesen beilleszthető a jelenleg működő infrastruktúrákba.

Az új FFC-N módszer versenyképes más „elsősorban lignin” technológiákkal, melyek kiindulási anyagként nyers lignocellulózt használnak, így nemcsak a cellulózt, hanem a lignocellulóz másik két komponensét, a hemicellulózt és a lignint is üzemanyaggá képesek alakítani. Az MTA EK kutatói már bekapcsolódtak a „elsősorban lignin” technológiák kutatásába is.

A kutatók cikkének rövid összefoglalója itt olvasható. Cikkünk alapjául Barta Katalin ismertetője szolgált, mely szintén a Nature Energyben jelent meg, és itt érhető el.