Korak bliže bioetanolu iz celuloze

Kako pretvoriti slamu, komušinu, drveni i papirni otpad – i druge jeftine izvore celuloze – u tekuće gorivo, bioetanol? Odgovor možda leži u volframu, točnije na tom metalu zasnovanim katalizatorima

Nenad Raos subota, 29. veljače 2020. u 07:00

Da se alkohol, ili – točnije – etilni alkohol ili etanol može dobiti iz svega i svačega, dobro se zna, posebice u gladna vremena. „Ničega nije bilo“, govoraše naši stari (koji su živjeli za Drugoga svjetskog rata), „ali rakije je uvijek bilo“. (Ruski je vojnik svakodnevno sljedovao pola litre votke koja se na bojišnicu nije dovozila u bocama ili bačvama nego u cisternama.) A bilo je to zato jer se rakija pekla od bilo čega, od svega i svačega: od kukuruza, pšenice, krumpira i kora od krumpira, a – vele neki – da su vidjeli (ili pili?) i rakiju ispečenu od konjske balege. Kada se sve svede na pravu mjeru, vidi se da je takva rakija, drekovača, nastala zapravo fermentacijom zrna zobi koja su ostala neprobavljena u balegi. To je moja hipoteza. Nisam je provjerio jer nemam sredstava, a – da vam pravo kažem – nemam niti volje.

Tajna lakog dobivanja rakije, akohola općenito, je u tome da se on dobiva na dva načina. Prvi je iz jednostavnih šećera, djelovanjem kvaščevih gljivica. One u alkohol pretvaraju monosaharide (glukozu iz grožđa ili fruktozu iz drugog voća), ali – što vinari dobro znaju – i disaharide, prije svega obični šećer, saharozu. Drugi put do alkohola vodi od škroba. Na tom se vrenju temelji proizvodnja piva i, općenito, svih akoholnih pića (uključujući i whiskey) koje se priređuju od žitarica: prvo se škrob (koji je polimer glukoze)  razgrađuje do dimera, disaharida maltoze (prvo vrenje), koja onda u drugom vrenju – djelovanjem kvasca – daje alkohol.

Sve je to poznato  još od kamenog doba – kako od  škroba i šećera doći do alkohola – pa nije čudno da se ti prastari postupci koriste i u najnovijoj tehnologiji za proizvodnju alkohola kao goriva (bioetanola). U Brazilu za proizvodnju alkohola koriste šećernu trsku, točnije slatki tamni sok koji se iz nje istiskuje (melasu). Drugdje u svijetu, posebice u Sjedinjenim Državama, za to koriste najrodniju kulturnu biljku, kukuruz, a ponešto i pšenicu. No kako  god da se uzme, taj put ne vodi daleko, jer što se više poljoprivredne proizvodnje usmjeri prema biogorivu, manje će je dostajati za hranu. Usto ne treba zaboraviti da je proizvodnja šećerne trske, a posebice kukurza skupa i da ona – zbog upotrebe umjetnih gnojiva i poljoprivrednih strojeva – zahtijeva nemali utrošak energije. Računa se da se godišnje po hektaru može dobiti 2560 litara bioetanola, što je ekvivalentno 1690 litara benzina. Isplati li se uopće takva proizvodnja?

Unatoč navedenome, predviđa se da bi do 2050. godine bioetanol mogao pokretati petinu svih vozila. Ili možda bude ovako: većina će vozila prijeći na električni pogon (baterijama ili gorivnim ćelijama na vodik), dok  će preostalih 20 % vozila, onih teških i za posebne namjene,  i dalje pokretati motori s unutrašnjim izgranjem – u kojima međutim neće izgarati benzin nego alkohol, etanol. (Razvijaju se i gorivni članci na alkohol, no to je već druga priča.)

Stoga se sve veća pozornost posvećuje jednom novom, dosad neiskorištenom izvoru etanola. Riječ je o celulozi koja je – kao i škrob – polimer glukoze, no molekule su glukoze u tom polimeru povezane drugačije nego u škrobu. Stoga se celuloza ne može lako razložiti na glukozu. Istina, postoje bakterije koje to čine i zbog kojih se krave (i drugi preživači) mogu hraniti  sijenom, što ljudi očito ne mogu. No uzgojiti te bakterije izuzetno je teško, a iskoristiti njihove enzime još je teže. Umjesto toga evo vijesti: kineski su znanstvenici uspjeli napraviti katalizator koji čini isto što i enzimi u živoj stanici – on pretvara celulozu u etanol. I sve to u jednom koraku (one-pot reaction iliti reakcija u jednom loncu).

Riječ je o multifunkcionalnom katalizatoru temeljenom na molibdenu, platini i volframovim oksidima (Mo/Pt/WOx). Katalizator prvo razlaže celulozu na glukozu, a potom glukozu na aldehid glikola, glikolaldehid (HOCH2CHO). Aldehid se  potom reducira u etilenglikol, HOCH2CH2OH. Etilenglikol – organski spoj koji poznajemo kao osnovni sastojak antifriza –  potom se pretvara, u istom reaktoru („loncu“) u konačni produkt, etanol, CH3CH2OH. Pri tome treba istaknuti ključno djelovanje volframa koji cijepa veze C-C u molekli glukoze stvarajući fragmente sa dva ugljikova atoma. 

Odviše lijepo da bi istina bilo...  Lijepo je što ne treba odvajati i pročišćavati međuprodukte (glukozu, glikolaldehid, etilenglikol), dobro je da reakcija ide s dosta velikim iskorištenjem (višim od 40 %), no nije dobro što u konačnoj smjesi ima tek jedan posto alkohola. Što to znači? To znači da bi trebalo prodestilirati stotinu litara „vina od drva“ da bi se dobila samo jedna litara goriva. A to se ne isplati, ma koliko se pri destilaciji nastoje smanjiti gubitci topline.

Nije dobro, ali Kinezi su na dobrom putu: tamo i  druge skupine istraživača razvijaju katalizatore na bazi volframa za pretvaranje celuloze u bioetanol. Što će biti 2050. godine ne znam, ali znam da je apsurdno dobivati  etanol od žitarica samo zato što se ne zna iskoristiti ono što priroda daje u izobilju – celulozu.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti.  Sada piše za Čovjek i svemir te  mrežne stranice Zg-magazin i, naravno, BUG online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda,  a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.