Document

2. Biobrandstoffen
Biobrandstoffen zijn goedkoper dan fossiele brandstoffen en hebben een kleinere CO₂-uitstoot.
2.1 CO₂-neutraal of niet
Bij fossiele brandstoffen is de energie miljoenen jaren geleden vastgelegd, bij biobrandstoffen is dat
hooguit enkele decennia geleden gebeurd.
Bij het stoken van hout is de CO₂-emissie gelijk aan de CO₂-opname. Verbranding van biobrandstof is
CO₂-neutraal.
2.2 Bio-ethanol of biodiesel
 vloeibare brandstoffen
Bio-ethanol wordt gemaakt door fermentatie (=vergisting) waarbij de omzetting plaats vindt m.b.v.
micro-organismen.
Biodiesel wordt gemaakt door plantaardig vet met methanol te bewerken.
2.3 Food or fuel?
- Efficiëntie: Er is veel energie nodig voor de productie van biobrandstoffen, laag rendement.
- Er zijn veel gewassen voor de productie van biobrandstoffen nodig, dit gaat ten koste van de
beschikbare landbouwgrond.
- De vernietiging van regenwouden om deze als landbouwgronden te laten fungeren zorgt voor in
directe CO₂-uitstoot.
In Nederland zijn er veel suikerbieten waar er ethanol van gemaakt zou kunnen worden.
2.4 Tweede generatie bio-ethanol productie
Eerste generatie biobrandstoffen: suiker, zetmeel en olie
Tweede generatie biobrandstoffen: Het niet eetbare gedeelte van een plant, cellulose
 Concurreren niet met de voedselvoorziening
Marginale gronden: zijn niet geschikt voor gewone landbouw, wel voor meerjarige gewassen waar
biobrandstof van geproduceerd kan worden.
- nemen meer koolstofdioxide op, minder meststoffen en landbouwchemicaliën nodig en de bodem
raakt niet snel uitgeput.
2.5 Fotosynthese voor transport
6CO₂ + 6H₂O + energie  C₆H₁₂O₆ + 6O₂
3. Grondstoffen
Gistcellen produceren alcohol onder anaerobe omstandigheden en hebben daarvoor glucose nodig.
Glucose is een bouwsteen van onder andere suiker, zetmeel en cellulose.
3.1 Lignocellulose
In de celwand van een plant komt cellulose, hemicellulose en lignine voor. Deze combinatie noem je
lignocellulose.
Cellulose is de meest voorkomende organische stof op aarde. Het zorgt voor stevigheid en bestaat uit
polymeren. Tussen de ketens kunnen waterstofbruggen ontstaan, zo ontstaan microfibrillen
Hemicellulose en lignine vormen de tussenstof tussen de microfibrillen door middel van
waterstofbruggen. Dit zorgt voor de starre structuur in een plantencel. Door de vertakkingen is
hemicellulose gevoeliger voor vocht en aantasting door micro-organismen dan cellulose.
Lignine bestaat uit aromatische ringen en is moeilijk af te breken door micro-organismen
3.2 Productieproces van bio-ethanol
- Voorbewerking: de plant of vrucht moet bewerkt worden om de sappen vrij te maken.
- Hydrolyse: verbindingen tussen de glucosecomponenten worden verbroken. Hiervoor moet er een
katalysator toegevoegd worden, bijvoorbeeld een zuur.
 enzymatische hydrolyse: eiwitten kunnen ook als katalysator dienen, enzymen
- Vergisting of fermentatie: gistcellen zetten de glucose om in alcohol
- Filtratie of destillatie: hierdoor blijft zuivere alcohol over
4. Voorbewerking
4.1 De eerste stappen
- Mechanische bewerking: Het materiaal wordt kleiner gemaakt. Cellulose wordt veel toegankelijker
omdat het effectieve oppervlak waarop de enzymen voor de hydrolyse aangrijpen veel groter wordt.
Nadeel: hoge energiekosten
- Zuurgekatalyseerde hydrolyse: Geconcentreerde zuren zoal H₂SO₄ of HCL kunnen cellulose meteen
hydrolyseren.
Nadelen: Het zuur tast de reactor aan, de biomassa moet weer worden geneutraliseerd, het zuur
levert giftige residuen op, er ontstaat een grote afvalstroom met zout.
4.2 Enzymatische hydrolyse
Enzymen die cellulose afbreken worden cellulases genoemd. Sommige bacteriën en schimmels
kunnen cellulases produceren.
Cellulase wordt in drie soorten enzymen onderscheiden:
- Endo-β-glucanasen: Breken de polymeren open door de 1-4 binding tussen twee glucose moleculen
te hydrolyseren
- Exo-β-glucanasen: Zetten zich vast op uiteinden van polymeerketens en knippen korte stukjes af
van de losse uiteinden, disachariden en oligosachariden. Disachariden worden cellobiosen genoemd.
- Glucosidasen: Knippen oligosachariden en cellobiosen tot losse glucosecomponenten.
Problemen enzymatische hydrolyse:
- Lignine en hemicellulose omringen de cellulose waardoor het beschikbare oppervlak voor de
glucanasen gering is.
- Teveel glucose remt de werking van de β-glucosidasen
- Soms binden exo-β-glucanasen zich op de verkeerde plek, ze zijn dan improductief en hinderen
endoglucanasen.
- Enzymen kunnen makkelijk beschadigd raken door thermische of chemische activiteit.
5. Vergisting
5.1 Klassieke biotechnologie
Het maken van wijn is de oudste vorm van biotechnologie.
In het begin waren de mensen zich er nog niet bewust van dat ze eigenlijk met biotechnologie bezig
waren. Alcohol kan namelijk spontaan ontstaan in vruchtensap en gistcellen zitten overal,
bijvoorbeeld op een ongewassen vrucht.
5.2 De gistcel
Bekendste micro-organisme om glucose om te zetten is Saccharomyces cerevisiae oftewel
bakkersgist.
- De kern bevat het DNA
- Celmembraan zorgt voor bescherming
- Cytosol: vloeistof waarmee de cel gevuld is, onder andere vindt hier glycolyse plaats.
5.3 Biochemie
- Lipiden: De ene groep wordt gemaakt door vetten en heeft als functie energieopslag. De andere
groep zijn de fosfolipiden, die kunnen spontaan membranen vormen waardoor cel activiteiten van de
buitenwereld kunnen worden afgescheiden.
- Koolhydraten: zijn opgebouwd uit één soort bouwstenen. Suikers en zetmeel dienen als brandstof
en cellulose zorgt voor stevigheid in een plant.
- Eiwitten: opgebouwd uit ketens van aminozuren. Eiwitten hebben functie als bouwmateriaal
(keratine), transport (hemaglobine) en als chemische katalysator.
- Nucleïnezuren (DNA en RNA): Eiwitten worden samengesteld door de code uit het DNA. Het RNA
speelt een rol bij het coderingsproces van de eiwitten.
- Adenosinefosfaten (AMP-ADP-ATP): hebben als functie het leveren van energie, als ATP wordt
afgebroken tot ADP.
- Metabolisme: Door chemische activiteiten worden stoffen omgezet in andere, dit verloopt via
anabole of katabole wegen.
5.4 Vergistingsreactie
Een gistcel beschikt over mitochondriën die kunnen zorgen voor verbranding van de glucose als er
zuurstof aanwezig is.
De alcoholgisting lever 2 ATP op, de overige energie die in het glucosemolecuul lag opgeslagen, zit nu
ten dele in het ethanolmolecuul. Als de alcoholconcentratie te hoog wordt, gaan de gistcellen dood.
5.5 Nieuwe ontwikkelingen
Wereldwijd worden pogingen ondernomen Saccharomyces cerevisiae in te zetten voor de productie
van ethanol uit plantenmateriaal. Hierbij blijft het rendement laag omdat het een enzym mist voor
de vergisting van xylose.
In olifantenpoep zit de schimmel Piromyces. Het gen uit deze schimmel zou in bakkersgist ingebouwd
kunnen worden waardoor het wel xylose kan omzetten.
5.6 De bioreactor
Een opstelling waarbij in een vat micro-organismen worden gehouden ten behoeve van
productiedoeleinden, wordt een bioreactor genoemd.
- Batchproces: Een hoeveelheid gistcellen wordt samen met voeding in een bioreactor gedaan. De
gistcellen nemen toe en kunnen na een tijdje geoogst worden.
- Continu proces: Hierbij is de instroom van voedingsstoffen continue, de uitstroom is dus ook
continue.
6. Opwerking
Om ethanol als brandstof te gebruiken, moet het vrijwel zuiver zijn of gemengd met andere
brandstoffen.
6.1 Filtratie
Door filtratie worden alle vast bestanddelen uit het mengsel gehaald.
6.2 Destillatie
Het principe waarop deze scheidingsmethode berust, is een verschil in kookpunt van de verschillende
componenten. Het kookpunt van water is 100ᵒC en van ethanol 78,5ᵒC. Ethanol verdampt dus als
eerste, de damp condenseert in de koeler en wordt aan het einde opgevangen.
Er is sprake van een dynamisch evenwicht als de ingaande stroom en de uitgaande stroom aan elkaar
gelijk zijn.
Bij toenemende temperatuur stijgt de dampdruk. Als de dampdruk opgewassen is tegen de
buitendruk of zelfs groter is, ontstaan er dampbellen die naar het vloeistofoppervlak stijgen.
Een mengsel heeft een kooktraject. De verhouding tussen water en ethanol kan weergeven worden
in een T,x diagram.