Bezodpadowa produkcja bioetanolu – czy to możliwe?

wtorek, 7 września 2021

Bezodpadowa produkcja bioetanolu to ważne zagadnienie w branży spirytusowej. Zapraszamy do przeczytania artykułu, który ukazał się w dwumiesięczniku  Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny 2/2021 . To Czasopismo Stowarzyszenia Naukowo-Technicznego Inżynierów i Techników Przemysłu Spożywczego (SITSpoż.) Artykuł przygotowała mgr inż. Justyna Anna Rębas kierownik działu Biotechnologii i Ochrony Środowiska w firmie Chemat Sp. z o.o.

bezodpadowa produkcja bioetanolu - zagadnienie omawia kierownik działu Biotechnologia i Ochrona Środowiska
Justyna Rębas
Kierownik działu Biotechnologii i Ochrony Środowiska

Zakłady przemysłowe na całym świecie dążą do wdrożenia modelu gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ), aby efektywnie i ekologicznie wykorzystywać surowce i minimalizować ilość wytwarzanych odpadów. Skupiając się na głównych celach GOZ, konieczna jest zmiana podejścia przedsiębiorców i opracowania nowych strategii biznesowych. Aby ich wdrożenie było możliwe należy przeanalizować cały cykl życia produktu. Począwszy od źródła surowca, poprzez proces produkcji i konsumpcji, aż po zagospodarowanie i wtórne wykorzystanie powstających odpadów.

Właściciele firm wciąż poszukują innowacyjnych rozwiązań i technologii, żeby sprostać ogromnemu wyzwaniu. Tym wyzwaniem jest działanie zgodnie z polityką GOZ, a co za tym idzie ochroną środowiska naturalnego. W artykule poruszono kwestię produkcji etanolu w aspektach gospodarki o obiegu zamkniętym.

Proces produkcji etanolu składa się z kilku etapów, między innymi fermentacji alkoholowej i destylacji otrzymanego produktu. Aby dokonać pełnej analizy procesu pod kątem powstających odpadów zgodnie ze strategią GOZ, należy holistycznie spojrzeć na całość produkcji. Analiza musi zacząć się od łańcucha surowców, aż po wtórne wykorzystanie powstających odpadów.

W Polsce w 2019 roku wydano dokument pod nazwą „Mapa drogowa transformacji w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym”. Opisano w nim nowe modele biznesowe i wskazówki dotyczące przejścia z liniowego modelu ekonomicznego do gospodarki cyrkularnej. Główna koncepcja zakłada, że wartość produktów, materiałów i surowców powinna pozostawać w obiegu możliwie jak najdłużej. Natomiast ilość wytwarzanych odpadów należy ograniczyć do minimum.

Podążając w tym kierunku, producenci etanolu wdrażają systemy zrównoważonej produkcji. Robią to w celu zmniejszenia negatywnego wpływu procesu na środowisko, w szczególności ograniczając emisję gazów cieplarnianych i ilość generowanych odpadów. Na poniższym schemacie przedstawiono cykl produkcji bioetanolu, zaznaczając strumienie wejściowe i wyjściowe (Rys. 1.), oraz sposób ich dalszego zagospodarowania. Omówię możliwości wtórnego wykorzystania powstających w procesie strumieni odpadowych, produktów ubocznych oraz ścieków technologicznych. Na przedstawionym schemacie podkreślono, jak ważna jest współpraca pomiędzy przedsiębiorcami, aby sprawnie zarządzać i gospodarować odpadami. Takie odpady mogą stanowić surowiec w skojarzonym procesie produkcyjnym. 

Cykl produkcji bioetanolu
Rys. 1. Cykl produkcji bioetanolu – opracowanie własne

Zakład produkcji bioetanolu niewątpliwie wpisuje się w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym. Aby 
w pełni osiągnąć założone cele i zamknąć cykl produkcyjny, należy skojarzyć gorzelnię z innymi instalacjami technologicznymi. Te instalacje to między innymi: biogazownia, zakład produkcji pasz oraz oczyszczalnia ścieków. Skojarzenie tych kilku instalacji w jedną funkcjonalną całość umożliwia osiągnięcie efektu synergii zarówno pod względem ekologicznym jak i ekonomicznym. 

Strumienie wejściowe oraz media niezbędne do przebiegu procesu produkcyjnego to przede wszystkim surowce zawierający węglowodany. To również energia elektryczna i cieplna, woda, drożdże i enzymy. Jednym z głównych mediów na wejściu układu jest energia w postaci pary technologicznej. Jest ona niezbędna do przeprowadzenia wysokotemperaturowego procesu hydrolizy skrobi oraz destylacji alkoholu. Zakłady produkujące alkohol etylowy posiadają własne generatory pary. Jednak duża ilość energii cieplnej i elektrycznej może zostać dostarczona przez Biogazownię Rolniczą, która z kolei może być zasilana wywarem z Gorzelni.

Kolejny istotny strumień wejściowy w procesie produkcji etanolu to surowiec. Surowiec jest najbardziej kosztownym elementem łańcucha i stanowi około 60% całkowitych kosztów produkcji. Większość gorzelni rolniczych wykorzystuje do produkcji surowce skrobiowe, których użycie na cele produkcyjne konkuruje z produkcją żywności (etanol I generacji). W związku z tym poszukuje się alternatywnych źródeł surowców zawierających węglowodany, które można wykorzystać do produkcji alkoholu. Przedsiębiorcy kierują swoją uwagę na produkt II generacji, który jest alternatywą przyszłości dla obecnie stosowanego bioetanolu skrobiowego.

Alkohol lignocelulozowy lub wytworzony z produktów ubocznych generowanych przez przemysł spożywczy nie konkuruje z produkcją żywności o surowce. Co więcej – przyczynia się do znacznie większej redukcji gazów cieplarnianych niż bioetanol I generacji. Głównym problemem w produkcji bioetanolu II generacji jest opracowanie efektywnej metody obróbki wstępnej biomasy lignocelulozowej. Na całym świecie prowadzi się badania nad znalezieniem efektywnej i opłacalnej ekonomicznie metody hydrolizy materiału lignocelulozowego. Większość badań prowadzą placówki w Stanach Zjednoczonych.

Skupiając się na surowcach pochodzenia rolniczego, które cieszą się największą popularnością w przemyśle spirytusowym, widzimy jak ważnym elementem cyklu jest uprawa zbóż. Wymaga ona dużych nakładów pracy oraz odpowiednich środków, żeby uzyskać obfite plony w trakcie żniw. Najcenniejszym składnikiem ziarna z punktu widzenia produkcji alkoholu jest skrobia. Wielocukier zawarty w ziarnie zostaje poddany procesowi hydrolizy enzymatycznej w celu uwolnienia cukrów prostych, które są metabolizowane przez komórki drożdżowe w procesie fermentacji alkoholowej. Głównym produktem, jaki uzyskuje się po procesie fermentacji, jest etanol. Strumienie odpadowe stanowią woda odwarowa i kondensaty powyparkowe. Natomiast produkty uboczne to wywar i dwutlenek węgla. Dodatkowo zakład generuje ścieki technologiczne.

Ogromnym wyzwaniem dla przedsiębiorców jest zagospodarowanie produktów ubocznych i odpadów. Optymalne rozwiązanie to znalezienie sposobu, aby je wtórnie wykorzystać bądź przekształcić w pełnowartościowy produkt. Zgodnie z założeniami Unii Europejskiej oraz polityki krajowej dotyczącej klimatu, dużą wagę przykłada się do prowadzenia procesu w układzie cyrkularnym. Dzieje się to coraz częściej ze względu na zmiany klimatyczne, postęp technologii oraz ograniczone zasoby surowców pochodzenia naturalnego. Przeanalizujmy zatem sposoby zagospodarowania strumieni wyjściowych, powstających w procesie technologicznym produkcji etanolu.

Produktem ubocznym w procesie wytwarzania alkoholu jest wywar gorzelniczy, którego ilość jest około 10 razy większa od wyprodukowanego alkoholu. Powstaje na etapie destylacji w wyniku separacji etanolu z odfermentowanego zacieru. Można zagospodarować go na różne sposoby, między innymi jako:
nawóz, pasza dla zwierząt, czy surowiec do produkcji biogazu.

Każdy z wymienionych sposobów daje możliwość wtórnego wykorzystania wywaru i zamyka cykl produkcji zgodnie z założeniami GOZ. Wywar skierowany na biogazownię jest surowcem do produkcji biogazu, a energia uzyskana z biogazu jest wykorzystywana przez gorzelnię. Poferment z biogazowni, który stanowi pozostałość po procesie fermentacji metanowej, może zostać wykorzystany jako nawóz w uprawie kukurydzy, jeśli spełnia wymagania wynikające z ustawy o nawozach i nawożeniu oraz warunki sanitarne przewidziane w przepisach weterynaryjnych.

Wywar w postaci mokrej (WDGS – Wet Distillers Grain with Solubles) szybko się psuje. Dlatego gorzelnie przeznaczają duże nakłady finansowe na budowę suszarni wywaru oraz instalacji wyparnych. Frakcja płynna wywaru, tzw. odciek, jest zagęszczana do formy syropu. Syrop następnie łączy się z frakcją stałą wywaru, uzyskując produkt o nazwie DDGS. W trakcie procesu zagęszczania odcieku do formy syropu generuje się również strumienie kondensatów z poszczególnych stopni wyparnych. Można wykorzystać je w procesie przygotowania zacieru. Dzięki tej operacji redukuje się ilość zużywanej wody technologicznej.

Kolejnym istotnym produktem ubocznym generowanym w procesie fermentacji alkoholowej jest dwutlenek węgla, asymilowany przez kukurydzę. Działania proekologiczne zmuszają przedsiębiorców, aby wdrażać technologie odzysku tego gazu. Wychwyt dwutlenku węgla jest jedną z podstawowych technologii w walce ze zmianami klimatycznymi.

Technologie wychwytywania, utylizacji i składowania dwutlenku węgla odgrywają bardzo ważną rolę w światowych wysiłkach na rzecz dekarbonizacji. Na każdy 1 dm3 alkoholu powstaje ok. 0,765 kg CO2. Dwutlenek ten może można skompresować do postaci ciekłej lub stałej. Ma zastosowanie w branży spożywczej, np. do gazowania napojów.

Dla przykładu, ilość CO2 powstającego przy produkcji 1000 l/h alkoholu etylowego podczas fermentacji alkoholowej to około 760 kg/h. Zakładając zatem produkcję 24 h/dobę można odzyskać około 18 t dwutlenku węgla, nie licząc strat wynikających z procesu odzysku. Bazując na danych analitycznych oraz analizach finansowych widać wyraźnie, że warto zainwestować w technologię, która pozwoli odzyskać dwutlenek węgla. Odciąży to naszą planetę, jak również zwiększy zysk i rentowność zakładu produkującego alkohol etylowy.

Dokonano analizy zagospodarowania wywaru i dwutlenku węgla stanowiących produkty uboczne w procesie produkcji etanolu. Pozostało nam przeanalizować możliwości wtórnego wykorzystania wody odwarowej oraz ścieków technologicznych generowanych w zakładzie produkcji etanolu. Woda odwarowa pozbawiona alkoholu powstaje w procesie destylacji. Wykorzystuje się ją jako wodę technologiczną do przygotowania zacieru. Dzięki temu redukuje się ilość powstających ścieków technologicznych.

Ścieki powstają głównie z procesu mycia instalacji. Również z odmulin z kotła (woda ze szlamem odprowadzana z najniższego punktu układu wodnego kotła), odsalania kotła oraz usuwania wody o wysokiej konduktancji z zamkniętego układu chłodzenia. W zależności od infrastruktury terenu ścieki z zakładu po podczyszczeniu zwykle kieruje się bezpośrednio do kanalizacji najbliższej oczyszczalni ścieków. Można je też skierować do bezodpływowego zbiornika ścieków, z którego regularnie się je wywozi. Oczyszczone biologicznie ścieki można odprowadzić do rowu, rzeki czy gruntu.

Realizując założenia polityki gospodarki o obiegu zamkniętym należy rozważyć wtórne wykorzystanie ścieków w łańcuchu otrzymywania alkoholu etylowego. Ponowne wykorzystanie ścieków jest rozwiązaniem mającym na celu zminimalizowanie problemu, jakim jest niedobór wody słodkiej. Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu przeprowadzili badania nad możliwością wykorzystania ścieków do nawadniania roślin i jednoznacznie stwierdzili, że ścieki, zarówno surowe jak i oczyszczone, mogą stanowić alternatywę dla wody wodociągowej do nawadniania roślin. Na rys. 1 przedstawiłam zagospodarowanie strumienia oczyszczonych ścieków do nawadniania upraw surowca.

Poniżej główne etapy oczyszczania ścieków technologicznych (rys. 2).

Etapy oczyszczania ścieków technologicznych
Rys. 2. Etapy oczyszczania ścieków

Ściek oczyszczony musi spełniać wymagania zawarte w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód odpadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych. Kierując się zasadą „zrównoważonego rozwoju”, racjonalnie wykorzystujemy zasoby oraz nie szkodzimy środowisku naturalnemu.

Wdrożenie systemu GOZ jest dla polskich firm ogromnym wyzwaniem a zarazem szansą na efektywną 
i ekologiczną produkcję oraz podniesienie świadomości związanej z prowadzonym biznesem i odpowiedzialnością społeczną. Przykładem jest firma Chemat Sp. z o.o. z siedzibą w Koninie, która tworzy projekty i buduje zakłady przemysłowe zgodnie z założeniami cyrkularnego modelu biznesowego. O ile zakłady, które działają na rynku od wielu lat, muszą zmienić sposób zarządzania i organizacji produkcji, o tyle w nowo powstających przedsiębiorstwach strategia biznesowa jest opracowywana już na etapie uzyskiwania pozwoleń środowiskowych i budowlanych. W firmie Chemat Sp. z o.o. projektujemy innowacyjne instalacje technologiczne, które spełniają wszelkie normy i przepisy prawne. Chcemy dostosować się do potrzeb inwestorów oraz polityki zarządzania gospodarką odpadową. Inżynieria chemiczna dostarcza rozwiązań dostosowanych do wciąż rozwijających się procesów produkcyjnych, podnosząc rentowność prowadzonej działalności przy jednoczesnej dbałości o środowisko. 

Bezodpadowa produkcja etanolu jest możliwa, gdy gorzelnia pracuje w układzie skojarzonym z biogazownią, zakładem produkcji paszy, oczyszczalnią ścieków oraz instalacją odzysku dwutlenku węgla. Tego typu układ pozwala racjonalnie zagospodarować wywar, ścieki, wodę odwarowi, kondensat oraz dwutlenek węgla. Kluczowym elementem jest optymalny projekt technologiczny oraz biznesplan związany z realizowaną inwestycją.

Aktualności

Nominacja firmy Chemat do tytułu EkoSymbol 2022 - środa, 31 sierpnia 2022

Międzynarodowe Targi Achema 2022 - poniedziałek, 29 sierpnia 2022

Projekt „Rektyfikacja czynników chłodniczych” - czwartek, 28 lipca 2022

Chłodnie wentylatorowe, centralne systemy chłodzenia - poniedziałek, 16 maja 2022

Zapytanie ofertowe nr 21/2022/LIFE/CHEMAT - wtorek, 12 kwietnia 2022

Zapytanie ofertowe nr 20/2022/LIFE/CHEMAT - środa, 9 marca 2022

Historia Konińskiej Rektyfikacji Spirytusu - poniedziałek, 7 marca 2022

Chemat brylantem w koronie polskich firm. Co z budową kotłowni paliw alternatywnych? - środa, 23 lutego 2022

Zapytanie ofertowe nr 19/2022/LIFE/CHEMAT - wtorek, 25 stycznia 2022

Zapytanie ofertowe nr 18/2022/LIFE/CHEMAT - poniedziałek, 24 stycznia 2022

Brylanty Polskiej Gospodarki 2020 Branży Chemicznej i Efektywna Firma 2020 Branży Chemicznej - poniedziałek, 6 grudnia 2021

Zapytanie ofertowe nr 17/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 24 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 16/2021/LIFE/CHEMAT - piątek, 5 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 15/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 4 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 14/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 3 listopada 2021

Celebrujemy zakończenie pracy w gorzelni w Żyrzynie - niedziela, 17 października 2021

Covid-19 debata ekspercka - wtorek, 12 października 2021

Utrzymanie statusu centrum badawczo-rozwojowego 2021 - poniedziałek, 11 października 2021

Zapytanie ofertowe nr 13/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 6 października 2021

Drożdże i ich metabolity w procesie fermentacji alkoholowej - niedziela, 26 września 2021

Wpływ parametrów procesu upłynniania skrobi na skład cukrowy zacieru. Potencjał nowych preparatów enzymatycznych - niedziela, 12 września 2021

Bezodpadowa produkcja bioetanolu – czy to możliwe? - wtorek, 7 września 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE / Request for quotation – NR 12/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 5 sierpnia 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE / Request for quotation – NR 11/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 1 lipca 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE/ Request for quotation – NR 10/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 1 lipca 2021

Zapytanie ofertowe – wybór wykonawcy - środa, 2 czerwca 2021

Zapytanie ofertowe – dostawa materiałów w ramach realizacji projektu - wtorek, 1 czerwca 2021

Projekt „Instalacja demonstracyjna do separacji odpadów mieszanin czynników chłodniczych” - piątek, 10 kwietnia 2020

Ulga podatkowa na badania i rozwój - środa, 1 kwietnia 2020

Środek biobójczy ALKOSEPTIN PRO do dezynfekcji rąk i powierzchni - wtorek, 24 marca 2020

PROZON Fundacja Ochrony Klimatu i Chemat podpisali umowę dofinansowania projektu Refrigerants LIFE Cycle z NFOŚiGW - czwartek, 12 marca 2020

Jak tworzyć przemysł nowocześnie, elegancko i z pasją - poniedziałek, 9 marca 2020

Polityka jakości i Urząd Dozoru Technicznego - piątek, 6 marca 2020

Utrzymanie statusu centrum badawczo-rozwojowego - środa, 4 września 2019

Projekt „Rektyfikacja czynników chłodniczych” - piątek, 9 sierpnia 2019

Projekt z ramienia Centrum Badawczo-Rozwojowego „Chemiczna Pompa Ciepła” - środa, 24 kwietnia 2019

Współpraca z Politechniką Łódzką - poniedziałek, 30 lipca 2018

Wyróżnienie w rankingu miesięcznika Forbes – „Diamenty Forbesa 2017” - poniedziałek, 10 kwietnia 2017

Powiadomienie o wyborze najkorzystniejszej oferty w ramach postępowania 1/PO1R/2017 - czwartek, 6 kwietnia 2017

XXI Turniej Olka Ruminkiewicza - czwartek, 30 marca 2017

Charytatywny Bal Marzenie - czwartek, 30 marca 2017

Zapytanie ofertowe Nr 1/POIR/2017 z dnia 27.02.2017r. - poniedziałek, 27 lutego 2017

Warsztaty biotechnologiczne trwają! - środa, 22 lutego 2017

Warsztaty biotechnologiczne w II Liceum w Koninie - wtorek, 14 lutego 2017

Wizyta Świętego Mikołaja! - piątek, 9 grudnia 2016

Przygotowania materiału promocyjnego - czwartek, 8 grudnia 2016

Feel The Power! - poniedziałek, 22 lutego 2016

Nominacja „Eko Inspiracje 2015” - piątek, 22 stycznia 2016

Złote serduszko za dziesięć tysięcy - środa, 20 stycznia 2016

Kolejna wygrana Chemat Basket Konin! - poniedziałek, 9 marca 2015

Chemat