Biomasse, bioenergi og udnyttelse

Hvad er bioenergi og hvor kommer den fra?

150 millioner kilometer herfra finder vi kilden til størstedelen af alt liv på jorden; nemlig kernen af Solen. Solen udsender energi i form af lys (fotoner), som kan fikseres af de såkaldte fotoautotrofe (foto = lys) organismer, fx grønne planter, alger og cyanobakterier (blågrønalger). Ved fotosyntesen forbruger planter CO2 samtidig med at de producerer glucose, som er et af de vigtigste molekyler i opbygningen af hele organismen (se figur 1). Det er altså produktmæssigt det omvendte af hvad de fleste andre organismer, fx mennesket, producerer ved respiration, hvor glucose omdannes til energi og CO2. Globalt fikserer fotosyntesen omkring 10 milliarder ton CO2 pr. år. Det svarer til at der i gennemsnit dannes nok organisk materiale til at brødføde jordens befolkning i et år på 8 minutter! Den overordnede reaktion for fotosyntesen og respirationen er:

Fotosyntesen: 12 H2O + 6 CO2 + fotoner → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O (1)

Aerob respiration: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energi (2)


Fig. 1: Planter er fotoautotrofe organismer, som under optagelse af vand, CO2 og energien fra lys (fotoner) producerer oxygen og biomasse (fx glukose).


Fotosyntesen opdeles i to overordnede reaktionsveje, kaldet lysreaktionen og mørkereaktionen eller Calvin-Benson-cyklus. Lysreaktionen bruger lyset direkte til at producere energirige molekyler, energimønten ATP og elektronbæreren NADPH. Mørkereaktionen omdanner da disse molekyler til glucose. På trods af navnet kan mørkereaktionen dog ikke foregå i mørke da reaktionen stopper når den løber tør for ATP og NADPH, som jo dannes ud fra lys. Fotosyntesen kan altså beskrives som to koblede reaktioner der tilsammen beskriver reaktionen i ligning (1):

2 H2O + 2 NADP+ + 2 ADP + 2 Pi + light → 2 NADPH + 2 H+ + 2 ATP + O2 (3a)

3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → C3H6O3-fosfat + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O (3b)


Opbygningen af biomasse

Udnyttelsen af bioenergi er som sagt en frigørelse af den energi der er oplagret i biomassen. For at udnytte energien i biomasse optimalt er det nødvendigt at vide hvilke stoffer den består af, så vi kan finde ud af hvordan energien kan frigives. Hvilke specifikke stoffer biomassen består af, varierer imidlertid utroligt meget fra en organisme til en anden, hvorfor et præcist svar ikke kan gives her, men må findes for hver enkelt organisme. Der findes dog groft set de samme tre typer af stoffer i al biomasse:

  • Fedtstoffer der består af carbon og hydrogen
  • Kulhydrater bestående af carbon, hydrogen og oxygen
  • Proteiner der indeholder carbon-, hydrogen-, oxygen- og nitrogen-atomer

Herudover vil man i biomasse også finde en række uorganiske salte som betegnes aske. Indholdet af uorganiske stoffer i biomassen bestemmes ofte ved en kompositionsanalyse af asken der er ladt tilbage efter forbrænding. Blandt disse stoffer finder man hovedsageligt: SiO2, Al2O3,TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3, P2O5 og Cl. Indholdet af aske varierer meget fra plante til plante: Eg har fx et indhold på 1 % mens strå har omkring 15 %.
Her følger en gennemgang af fedtstoffer, kulhydrater og proteiner og af hvordan de er en del af biomasse.


Fedtstoffer

Der findes en række forskellige fedtstoffer i biomasse, men set ud fra et energimæssigt synspunkt er de to følgende fedtstoffer de vigtigste:

  • Phospholipider
  • Glycerolipider

Phospholipider er en af hovedkomponenterne i cellemembranen og består af en vandopløselig (polær) del og en fedtopløselig (upolær) del. Den upolære del indeholder to fedtsyrekæder som er bundet til det centrale glycerolmolekyle via en esterbinding som kan ses på figuren nedenfor. Glycerol kaldes da stoffets rygrad. Den polære del består af en fosforgruppe som er bundet til glycerolmolekylet via en etherbinding som også kan ses på figuren nedenfor. Til phosphatgruppen er bundet et polært molekyle som fx cholin.


Figur 2: Opbygningen af phospholipder og triglycerider


Glycerolipider har, ligesom phospholipider, glycerol som rygrad (se figur 2). Til glycerol er der bundet 1-3 fedtsyrer med esterbindinger. Esterbindinger opstår når en alkohol (her glycerol) reagerer med en carboxylsyre (her fedtsyren). Er der bundet 3 fedtsyrer, kaldes molekylet et triglycerid, to bundne fedtsyrer kaldes et diglycerid, og med en enkelt bunden fedtsyre kaldes det et monoglycerid. Strukturen af et triglycerid er skitseret på figuren ovenfor.


Proteiner

Proteiner er store organiske molekyler der har et stort antal vigtige funktioner i alle organismer. Proteinerne er opbygget af aminosyrer, og det er sammensætningen af disse der afgør hvordan det funktionelle protein ser ud. Rækkefølgen af aminosyrerne kan læses ud fra vores DNA, hvilket sikrer at et bestemt protein altid ser ud på samme måde. Grundenheden man finder i proteiner, er skitseret på figur 3.


Fig. 3: Til venstre ses opbyningen af aminosyrer, mens en peptidbinding, som aminosyrerne danner i proteiner er skitseret til højre


Kulhydrater

Kulhydrater består af carbon, hydrogen og oxygen og findes i mange forskellige former overalt i naturen. Især kender vi kulhydraterne fra vores egen kost: hvidt sukker, stivelse (brød, kartofler) eller kostfibre, som er de kulhydrater vores mave ikke kan nedbryde – et eksempel herpå er cellulose, som fx græs er opbygget af. Men kulhydrater har andre vigtige funktioner ud over at fungere som energikilde. Der findes også kulhydrater i cellevæggen på planter og svampe hvor de er ansvarlige for at give organismen den rigtige struktur.
I planteceller findes kulhydraterne primært to steder: cellevæggen og amyloplastiderne. Mens kulhydraterne i cellevæggen er ansvarlig for strukturen, fungerer kulhydraterne i amyloplastiderne som et energilager. Det er derfor heller ikke så mærkeligt at cellevæggen består af svært nedbrydelige kulhydrater (fx cellulose og lignin), mens kulhydraterne i amyloplastiderne er meget nemme at nedbryde. Når vi skal producere bioenergi fra biomasse, får vi det bedst mulige udbytte og dermed den største mængde energi hvis vi kan nedbryde alle de forskellige kulhydrater i biomassen, både de svært nedbrydelige og de let nedbrydelige. Herunder vil vi præsentere jer for nogle forskellige former for kulhydrater der findes i biomasse, og som dermed er nødvendige at kunne nedbryde i produktionen af bioenergi.


Cellulose og stivelse

Cellulose og stivelse er begge polymerer af glucose. De to polymerer er imidlertid ikke ens, og kemisk set har disse to stoffer meget forskellige måder at opføre sig på. For at forstå forskellen i måden polymererne opfører sig på, er det nødvendigt at kende den præcise opbygning af begge polymerer og dermed også glucose. Da glucose er byggestenen, starter vi med den: Der findes to former af glucose: D-glucose (højredrejet) og L-glucose (venstredrejet). De består af nøjagtigt de samme atomer, men er hinandens spejlbilleder - det siges at de er stereoisomere (stereo = to, iso = ens). D-glucose syntetiseres af levende organismer, og disse organismer kan også nedbryde det. L-glucose er biologisk inaktivt, hvilket betyder at det ikke syntetiseres og ikke kan nedbrydes. Alle organismens kulhydrater består altså af D-glucose, og det er kun D-glucose vi beskæftiger os med her. I kan se opbygningen af både D- og L-glucose på figur 4.


Fig. 4: t.v.: D-glucose, t.h.: L-glucose.


I det følgende beskæftiger vi os kun med D-glucose da L-glucose som sagt er biologisk inaktivt. Glucose findes oftest på en cyklisk form som dannes idet hydroxylgruppen (-OH) på C5-carbonatomet reagerer med aldehydgruppen (CHO-) på C1-carbonatomet. Når hydroxylgruppen og aldehydgruppen i glucose reagerer, kan dette ske på to forskellige måder. Glucose, der er sat sammen på den ene måde, kaldes α-D-glucopyranose, og på den anden måde kaldes β-D-glucopyranose. I kan se hvordan reaktionen foregår på figur 5.


Figur 5: Dannelse af α-D-glucopyranose og β-D-glucopyranose



Stivelse består af to forskellige molekyler, begge opbygget af α-D-glucopyranose. Det første molekyle hedder amylose og er bygget op af lange lineære kæder af α-D-glucopyranose sat sammen ved dannelsen af glycosidbindinger mellem C1-atomet i ét molekyle og C4-atomet i et andet molekyle. Disse bindinger kaldes α-1,4-glycosidbindinger. Det andet molekyle stivelse består af, er amylopektin. I amylopektin sidder α-D-glucopyranosemolekylerne i et forgrenet netværk som det ses på næste figur. Dette skyldes at α-D-glucopyranosemolekylerne ikke kun sidder sammen med α-1,4-glycosidbindinger, men også med α-1,6-glycosidbindinger der dannes mellem C1-atomet i ét molekyle og C6-atomet i et andet, se figur 6.


Figur 6: Et cellulose molekyle, som typisk udgøres af 300-1700 glucose enheder.


Opgave 1

Tegn et lille stivelsesmolekyle som indeholder en α-1,6-glycosidbinding. Hvilken betydning har tilstedeværelsen af forgreninger for enzymatisk nedbrydningen af stivelse? Hvor mange forskellige enzymaktiviteter skal anvendes for at nedbryde stivelse? Hint: Enzymer er meget specifikke.


Cellulose består ligesom stivelse af meget lange kæder af glucose, men i modsætning til stivelse er cellulose opbygget af b-D-glucopyranose enheder der er sat sammen med b-1,4-glycosidbindinger (skitseret herunder). Disse β-D-glucopyranosemolekyler kan ikke danne et forgrenet netværk så cellulose er derfor udelukkende lange, lineære kæder – polymerer. Disse lineære polymerer kan, til forskel fra stivelse, danne stærke hydrogenbindinger med andre cellulosekæder, hvorfor man ofte finder stivelse i mikrofibriller – bundter af 50-100 cellulosekæder (se figur 7).


Figur 7: Et udsnit af en mikrofibril, hvor hydrogenbindingerne mellem de enkelte cellulose

Fordi cellulose ikke er forgrenet, kan menneskekroppen ikke nedbryde det. Dette skyldes at mennesket ikke er i stand til at syntetisere de enzymer der er nødvendige for at nedbryde de β-1,4-glycosidbindinger der findes i cellulose. Stivelse er altså et let nedbrydeligt molekyle, og cellulose er svært nedbrydeligt. Et andet svært nedbrydeligt kulhydrat er polymeren arabinoxylan som findes i klid. Arabinoxylan-polymeren består primært af to enheder: arabinose og xylose (se figur 8).


Figur 8: Arabinose og xylose i en af deres cykliske

Arabinoxylan er en lineær polymer af 1,4-bundne b-D-xylopyranose enheder. Til denne kæde finder man substitutioner af α-D-arabinofuranose. Endvidere finder man en række andre substitioner som gør arabinoxylan meget kompleks sammenlignet med stivelse og cellulose Den sidste polymer der skal nævnes, er lignin. Lignin findes i cellevæggen og er en kompleks polymer bestående primært af tre forskellige alkoholer: p-coumaryl alkohol, coniferyl alkohol og sinapyl alkohol (se figur 9). Polymeren har ingen primær struktur da polymerisation-reaktionen foregår tilfældigt.


Figur 9: Grundenhederne som udgør lignin.

Udnyttelse af biomasse

Menneskets udnyttelse af biomasse har gennem al tid været nødvendig og en af hjørnestenene for menneskets udvikling. Denne art har altid været afhængig af biomasse som fødevare ganske som alle andre dyr, men for ca. 1,8 millioner år siden lærte homo erectus at udnytte biomasse til energiformål (bålet), hvilket førte til en revolution i menneskets historie. Historisk set har biomasse fået en række andre anvendelser, bl.a.

  • værktøj
  • beklædning
  • byggemateriale

Af to omgange er disse anvendelser blevet delvist udskiftet af andre materialer som følge af at mennesket lærte at anvende metaller (værktøj, byggematerialer) og senere at udnytte olie fra undergrunden til produktion af energi samt råmaterialer til den kemiske industri (beklædning, byggemateriale). Da olien er en fossil ressource, vil vi på et tidspunkt nå et punkt hvor de resterende oliereserver vil være af så dårlig kvalitet at det ikke kan betale sig at udvinde olien. Dette betyder at vi skal se os om efter ressourcer der kan erstatte de nuværende. Det er derfor tænkeligt at biomasse i fremtiden vil få en langt større betydning end den har i dag. Allerede nu ses nye trends i anvendelse af biomasse til en række formål som vil kunne erstatte noget af vores afhængighed af ikke-vedvarende ressourcer. Her kan bl.a. nævnes bioraffinaderier som anvender biomasse, som fx majs, til at producere plastik og andre kemikalier.

Page updated by   18.11.2009