1Makk Ádám Nándor, 1Rétfalvi Tamás, 1Hofmann Tamás, 2Farkas Boglárka
1Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Kémiai Intézet
2Gázinnov Kft, 9400 Sopron, Bajcsy-Zsilinszky u.4.
Kivonat
A kutatásban különböző fa alapanyagok (lignocellulóz rendszerek) anaerob fermentációját vizsgáltuk, ezen belül az alapanyagok előkezelési lehetőségeit.
Fekete bodza (Sambucus nigra L.) és kocsánytalan tölgy kéreg (Quercus petraea L.) alapanyagon végeztük kísérleteinket. A két alapanyagot azért választottuk, mert a fekete bodza egy általános paraméterekkel rendelkező faanyag (Atkinson et al. 2002) a tölgy kéreg pedig iparilag hulladéknak számít (Molnár 2004). Fizikai, kémiai illetve ezek együttes alkalmazásával kezeltük a kétféle alapanyagot. Fizikai előkezelések közül a darálás, a hő és a mikrohullámú kezelést alkalmaztuk.
Kémiai előkezelések közül a híg ecetsavas és extrakciós előkezelést alkalmaztunk.
Ezek együttes alkalmazására mikrohullámú feltárót használtunk, különböző hőmérséklettel és ecetsav koncentrációval. A fermentáció minden esetben működő képes volt, ám jelentős eltérések nem fi gyelhetőek meg a különböző előkezelések hatására. Megállapítható, hogy lignocellulóz alapanyagok alkalmasak biogáz termelésre. A kezeletlen alapanyagok esetében a kocsánytalan tölgy kéreg közel 30%-kal több gázt termelt szárazanyag grammonként, mint a fekete bodza.
Kulcsszavak: lignocellulóz, fermentáció, előkezelés, biogáz
Bevezetés
Napjainkban a megújuló energiaforrások kutatása fontos és aktuális téma, ezért érdemes foglalkozni az alapanyagok alternatív felhasználási lehetőségeivel, mely lehetőségek egyik jelentős képviselője a biogáz (Bai 2007). A lignocellulóz rendszerek anaerob fermentációja során keletkező biogáz (főként metán) egy újfajta felhasználási módját kínálja az egyébként is megújuló energiaforrásként kezelt fának. Előnyére szól, ennek a felhasználási módnak, hogy az iparilag, erdészetileg értéktelen anyagokból, mondhatni hulladékokból, nyerhető ki hasznos energia (Makk et al. 2013). Az anaerob fermentáció ismert technológia, különböző lágyszárú és takarmánynövény hulladékainak feldolgozására, de fa alapanyagok felhasználása során még nagyon sok kérdés megválaszolatlan. A lignocellulóz
72
alapanyagok esetén a fermentáció sikerességének szűk keresztmetszete a hosszú cellulóz láncok egyszerű cukrokká való bontásában rejlik, de természetesen sok egyéb tényező is közrejátszhat a folyamatban. Kutatásunkban különféle előkezelési módszereket vizsgáltunk a cellulóz bontására a könnyebb feldolgozhatóság elősegítésére.
Anyag és módszer
A fekete bodza kivágás után kérgestül került feldolgozásra, a kocsánytalan tölgy esetében a kéreget baltával választottuk le, mintánként 100-150 grammot használtunk fel.
Fizikai előkezelés
• Darálás: minden esetben 4mm-es rostán történt.
• Hőkezelés: 150°C-180°C között kezdődik a hemicellulóz és lignin bomlása, 250°C-on kezdődik a cellulóz bomlása (Németh 1998). A hőkezelést szárítószekrénnyel végeztük.
• Mikrohullámú kezelés: 700 W teljesítményt használtunk 3-5 percig (Jackowiak et al. 2011).
Kémiai előkezelés
• Híg ecetsavas előkezelés: 2%-os és 4%-os ecetsavat használtunk. a faanyag és ecetsav aránya 1:3 (Phaiboonsilpa et al. 2011).
• Extrakciós előkezelés: 20% etanollal extraháltuk a faanyagot 24 órán keresztül. 100g faanyaghoz 800ml extraháló szert használtunk (Makk et al. 2013).
Fizikai és kémiai előkezelés: mikrohullámú feltáróval kezeltük a faanyagot 210°C és 150°C-on 2%-os és 4%-os ecetsav jelenlétében.
Eredmények és értékelésük
Fekete bodza alapanyagon végzett előkezelések
Fekete bodza alapanyagon végzett előkezelések közül először a mikrohullámmal és ecetsavval való kezelést végeztük el, melyek eredményei az 1. és 2. ábrán láthatóak. Az ábrákról leolvasható, hogy a kezeléseknek volt hatásuk ám nem jelentős az eltérés, a kezeletlenhez képest, az ecetsavval való kezelés esetén a többlet gáztermelés az ecetsavból származik, ám mindkét esetben működőképes volt a fermentáció.
1. ábra. A mikrohullámú előkezelés hatása a gáztermelésre (2+2 perc mikrohullámú kezelés 700W-on)
2. ábra. Az ecetsavas kezelés hatása a biogáz termelésre (bodza: ecetsav = 1:3) Mikrohullámú feltáróval végeztük fekete bodza faanyagon fizikai (mikrohul-lámú, hő) és kémiai (ecetsavas) előkezelést egyidejűleg. Az eredményeket a 3. és 4. táblázat ábrázolja.
3. ábra. 150°C-on mikrohullámmal feltárt minták.
Az adagolás a kontrol esetében 0,526 g sz.a. /nap a 2%-os ecetsavas kezelés esetén 0,494 g sz.a. /nap és a 4 %-os ecetsavas kezelés esetén 0,437 g sz.a. /nap
74
4. ábra. 210°C-on mikrohullámmal feltárt minták. Az adagolás a kontrol esetében 0,4555 g sz.a. /nap a 2%-os ecetsavas kezelés esetén 0,5385g sz.a. /nap és a 4 %-os
ecetsavas kezelés esetén 0,4195 g sz.a. /nap
A mikrohullámmal feltárt fekete bodza faanyag gáztermelési eredményeit az 1.táblázat foglalja össze. megállapítható, hogy van különbség mind a 150°C és 210°C-on való kezelés mind az ecetsav koncentrációja között. Az ecetsavval való kezelés esetén látható többlet az ecetsavból származik, ám a hőkezelés önmagá-ban a kezeletlen mintákhoz képest eredményesnek bizonyult.
∑ gáztermelés 5120 7250 8810 3880 6940 7760 7080
∑ bevitt anyag
[g] 178,50 187,40 169,05 148,92 155,20 172,32 202,50
∑ bevitt dm. [g] 18,80 17,78 14,78 13,57 16,72 14,46
-hozam/g anyag 28,68 38,69 52,11 26,05 44,72 45,03 34,96
hozam/g dm. 272,40 407,67 596,28 286,00 415,20 536,74
-1. táblázat. A mikrohullámmal feltárt minták összefoglalása
A 2.táblázat értékei mutatják a kezeletlen bodza és kéreg gáztermelési eredmé-nyeit. Látható, hogy a kéreg közel 30%-kal több gázt termelt.
∑ gáztermelés
[ml] 4080 9350
∑ bevitt sz.a. [g] 43,844 76,079 hozam/ g sz.a. 93,058 122,899
2. táblázat. A fekete bodza és a kocsánytalan tölgy kéreg gáztermelésének összehasonlítása
Kocsánytalan tölgy kéreg alapanyagon végzett előkezelések
Az 5. és 6.ábrán látható a kocsánytalan tölgy kéreggel végzett előkezelési kísérle-tek. Kezeletlen, kezeletlenül-extrahált, mikrohullámmal kezelt és mikrohullám-mal kezelt-extrahált mintákat vizsgáltunk.
5. ábra. Kezeletlen és kezeletlen-extrahált minták összehasonlítása
6. ábra. Mikrohullámmal és mikrohullámmal kezelt-extrahált minták összehasonlítása A 3.táblázat foglalja össze a tölgy kéreg vizsgálatok eredményeit. Megállapítható, hogy jelentős különbségek nincsenek a kezelések hatására, ám minden esetben a fermentáció működőképes volt. A mikrohullámmal való kezelés kisebb értéket mutat, mely jelenség további vizsgálatokra szorul.
76
K 57 24070 214,9 166,9 112,0 144,2
K-E 57 22820 438,5 173,7 52,0 131,3
M 61 21540 220,2 198,4 97,9 108,6
M-E 61 22640 455,8 155,8 49,7 145,3
3. táblázat. Kocsánytalan tölgy vizsgálatok összehasonlítása Következtetések
Fekete bodza alapanyagon fizikai (darálás, hő, mikrohullám) és kémiai (ecetsavas) illetve kombinált (mikrohullámmal feltárt ecetsavas kezelés) előkezelések végeztünk.
Az előkezelések közül legeredményesebbnek a hőkezelés és mikrohullámú kezelés egyidejű alkalmazása volt.
Tölgy kéreg alapanyagon fizikai (mikrohullám) és kémiai (extrakciós) il-letve ezek egyidejű előkezelését végeztük el.
Kijelenthető, hogy a fermentáció minden esetben működő képes volt lig-nocellulóz alapanyaggal.
A kétféle minta esetében megfigyelhető volt a kéreg kb. 30%-kal nagyobb gáztermelése.
Irodalom
Atkinson M. D., Atkinson E.(2002): Sambucus Nigra L., British-Ecological Society, Journal of Ecology
Bai A. (2007): A biogáz. Complex Kiadó, Budapest
Jackowiak D., Bassard D., Pauss A., Ribeiro, T. (2011): Optimisation of a microwave pretreatment of wheat straw for methane production , Bioresource Technology 102 pp.
6750–6756
Makk Á. N., Hofmann T., Rétfalvi T. (2013): (+)-katechin kinyerése tölgyek kérgéből, Faipar LXI(2)
Molnár S. (2004): Faanyagismeret. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest Németh K. (1998): A faanyag degradációja. Szaktudás Kiadó, Budapest
Phaiboonsilpa N., Saka S. (2011): Eff ect of acetic acid addition on chemical conversion of woods as treated by semi-fl ow hot-compressed water , Holzforschung 65 pp. 667-672