CEEX 119/2006

 CERCETĂRI AVANSATE PRIVIND FOLOSIREA CEREALELOR ŞI DEŞEURILOR CEREALIERE PENTRU OBŢINEREA BIO-ETANOLULUI ŞI A BIO-METANOLULUI FOLOSIŢI CA RESURSE ENERGETICE ALTERNATIVE IN CADRU BIO-ECONOMIEI

   Coordonator:  Universitatea Stefan cel Mare Suceava

   Partener 1: Universitatea Al. I. CUZA Iaşi

Raportul Stiintific si Tehnic (RST)

 1. Obiective generale ale proiectului

 2. Obiectivele fazei de executie, etapa 3 - 2008

 3. Rezumatul fazei

 3. Stage abstract

 4. Indicatori ai proiectului 

 1. Obiective generale ale proiectului sunt urmatoarele:

 -  Contribuţii la dezvoltarea Bio- economiei  bazată pe cunoaştere.

 -  Concentrarea eforturilor şi resurselor de cercetare - dezvoltare  a două facultăţi de inginerie alimentară  şi  unei facultăţi de  biologie din zona de Nord- Est a Romăniei  în domeniul valorificării resurselor energetice alternative din domeniul  biologic.

-  Dezvoltarea unui parteneriat de lungă durată  pe probleme de resurse bio- energetice între  participanţii la proiect.

-  Integrarea logisticii de cercetare a partenerilor  de proiect în scopul obţinerii unor rezultate  notabile  în domeniul  imbunăţăţirii  randamentului,  a tehnologiei de obţinere şi a caracteristicilor  finale aleBio-carburanţilor.

-  Cercetări avansate în vederea realizării unor contribuţii teoretice şi practice la  creşterea randamentului la fermentaţia  alcoolică  controlată enzimatic cu enzime de ultimă generaţie cu accent deosebit asupra soiurilor de cereale din zonă, a influenţelor climatice şi de sol.

-  Cercetări avansate în vederea  îmbunăţăţirii randamentului  celulelor de combustie electrochimică pe bază de alcool metilic

-  Dotarea unui laborator performant de analiză instrumentală, necesar     controlului materiilor prime biologice , controlului interfazic şi controlului  produselor finite,  la nivelul standardelor europene.

- Interconectarea prin Internet   a  principalelor aparate performante de analiză instrumentală  din laboratoarele partenerilor în vederea realizării  unor cercetări  comune  de amploare, fără suprapuneri.

-  Realizarea, punerea în funcţiune  şi exploatarea în scop de cercetare - dezvoltare-  implementare a unei staţii pilot pentru cercetarea şi optimizarea  parametrilor tehnologici de fermentaţie alcoolică enzimatică

-  Realizarea, punerea în funcţiune  şi exploatarea unei staţii pilot pentru cercetarea şi optimizarea  parametrilor tehnologici  la rafinarea  alcoolului.  Realizarea, punerea în funcţiune  şi exploatarea unei  celule de combustie experimentală,  pentru cercetarea şi optimizarea  parametrilor tehnologici   la generarea curentului  electric pe calea celulelor de combustie electrochimice, cu folosirea  combustibilului  biometanol şi aer,.

-  Punerea la punct şi oferirea unei tehnologii  enzimatice performante pentru  obţinerea la scară mare din cereale şi deşeuri cerealiere  a  Bio-etanolului şi  Bio-metanolului folosit  drep carburant alternativ la  carburanţii fosili.

- Asigurarea  specializării stiinţifice, a documentării şi  a schimbului de experienţă,   pentru personalul     de cercetare,   prin vizite şi participări  la sesiuni  de comunicări externe Comunităţii Europene, inclusiv achiziţia de literatură de specialitate pentru constituirea unei puternice baze de documentare.                

   Atît obiectivul principal cît şi obiectivele specifice sînt parte integrantă  din eforturile pentru creşterea sistemului CDI  din Romănia,  de a acumula cunoştinţe, rezultate şi experienţă  de prim rang în domenii  stiinţifice  şi tehnologice  de vîrf şi de a le difuza şi transfera către mediul  economic şi social   intern pentru creşterea competitivităţii economice. Totodată, proiectul sprijină  formarea, dezvoltarea, integrarea  şi consolidarea  în domeniile vizate a unor reţele  de cercetare a căror activitate  atinge nivelul de excelenţă recunoscut conform normelor internaţionale. In acelaşi timp proiectul contribuie la transferul tehnolgic şi la  creşterea capacităţii Romăniei de a asigura   parteneri performanţi   în programele de colaborare   stiinţifică şi tehnică aşa cum este, de exemplu, Programul Cadru 7. 

 2. Obiectivele fazei de executie, etapa 3 - 2008 :

Etapa 3, termen de  finalizare 15.09.2008

 3. Rezumatul fazei

      Cercetarea a fost structurata pe baza activitatilor cuprinse in planul de realizare a proiectului si pe baza Acordului ferm de colaborare realizat intre parteneri cu privire al obligatiille ce revin partilor in vederea imbunatarii tehnologiei de obtinere  a resurselor energetice alternative. Cercetarile realizare au vizat imbunatatirea randamentelor tuturor etapelor din fluxul tehnologic de obtinere a bioetanolului, a biometanolului precum si reducerea consumului energetic in procesul tehnologic prin modificarea temperaturilor de lucru si a timpilor diverselor operatii cu obtinerea unui combustibil de calitate superioara.                                                                                                                                            

       Pe baza analizelor de sol şi climă existente în arealul geografic al Moldovei şi a determinării conţinutului de amidon la soiurile care se cultivă frecvent în aceasta zonă se propun tehnologii adecvate pentru cultura principalelor cereale, tehnologii care să asigure în condiţiile de clima, sol şi îngrăşăminte administrate un conţinut optim de amidon care să justifice utilizarea acestor cereale la producţia de bio-etanol. Din cele cinci soiuri de porumb analizate, conţinutul cel mai ridicat în amidon îl are soiul Turda  200 Plus respectiv 71,61%. Prin aplicarea îngrăşămintelor cu azot şi fosfor, faţă de varianta nefertilizată s-au obţinut sporuri de producţie de la 4 la 38%, respectiv de la 145 la 1413 kg/ha. Din cele cinci soiuri de grâu analizate, conţinutul cel mai ridicat de amidon il  are: soiul Ariesani -53,34%, soiul Dropia -53,24%, soiul Gruia-53,16%, soiuri ce se recomanda a se folosi la obţinerea bio-etanolului

       Pentru realizarea etapei de fermentare cu un randament cit mai ridicat cercetarile  au vizat utilizarea unor noi tipuri de enzime, care nu necesita fierberea plamezii, si care au aratat posibilitatea obtinerii unui randament mai ridicat cu  0,70%   in bioetanol si de o calitate mai buna. Utilizarea acestor enzime a facut posibila pe lîngă un randament crescut  atît reducerea consumului energetic pe de o parte cit si reducerea duratei procesului in conditiile obtinerii unui combustibil de calitate atestata prin analize cromatografice in faza de gaz. Realizarea unui  proces steril a permis evitarea infectiilor cu bacterii lactice, lucru demonstrat atit prin analize microscopice cit si prin analizele fizico-chimice ale produsului final. S-au realizat, de asemenea, cercetari privind scurtarea timpului etapei de fermentatie de la 72 la 48 ore, care au avut ca rezultat obtinerea unui combustibil de calitate avînd un  randament cu 0,012% mai mic decit cel de la fermentatia de lunga durată. Rezultatele obţinute  pot  fi recomandat. pentru fabricile de biocombustibil care produc sute de mii de hl /an   cîştigul din creşterea de productivitate fiind mult mai mare decît  pierderea  extrem de mică la randament

        În studiile realizate cu privire la obţinerea mediilor industriale de fermentare au fost efectuate teste atât pe măcinişuri cerealiere integrale, cât şi pe deşeuri lignocelulozice.  Au fost stabilite condiţii optime de tratament hidrotermic, fracţiuni de măciniş rentabile din punct de vedere al randamentului în zahăr precum si combinatia eficienta de enzime pentru zaharificarea lor. Experimentele desfaşurate pe deşeurile lignocelulozice au condus la elaborarea unor tehnici de pretratamente combinate  cu creşteri semnificative ale randamentelor de hidroliză. Cercetările privind selecţia şi realizarea unor tulpini de drojdii rezistente au indicat cel mai eficient criteriu de selecţie a tulpinilor performante şi rezistente la factorii de stress specifici: testul puterii de acidificare modificat. Prin monitorizarea valorilor testului şi a conţinutului intracelular de trehaloză au putut fi stabilite strategiile de îmbunătăţire a performanţelor tulpinii de drojdie selectate (prin suplimentări la nivel de inocul cu acid linoleic şi/sau trehaloză) şi strategiile nutriţionale optime (alimentări la start sau progresive cu mixuri de crestere).

       Biometanolul rezultat din cereale si din deseuri lignocelulozice s-a utilizat drept combustibil pentru o pila electrochimica de combustie. S-au stabilit conditiile optime de functionare ale  pilei la randament ridicat si s-au intocmit bilanturile de materiale si energetice pentru aceasta. De asemenea, s-au  stabilit modele de utilizare integrată şi alternativă a pilelor   cu bio- metanol  atit la tracţiunea auto cît şi in alimentarea cu energie electrică a zonelor izolate  in combinaţie cu  resurse energetice de tip bio- gaz, celule foto-voltaice şi generator electric  eolian.

       Impactul tehnic al proiectului este dat de rezultatele cercetarilor care au permis propuneri vizind noi tehologii de cultura a unor soiuri de porumb si griu cu continut ridicat de amidon, in conditiile climatice ale tarii noastre, tehnologii imbunatatite de obtinere a bioetanolului cu un randament mai ridicat in conditiile unor economii substantiale de energie precum si realizarea unei statii pilot de biocarburanti si dotarea corespunzatoare a laboratoarelor de analize.

       Ca rezultat  al activitatii depuse in cadrul contractului au fost realizate; 4 carti, 20 lucrari publicate sau comunicate la sesiuni stiintifice de specialitate, 18 propuneri de inventii ce vizeaza aparatura si metode de testare a calitatii biocombustibililor, 2 programe de masterat , 4 teze de doctorat, 4 instruiri ale personalului implicat in contract, 7 parteneriate externe. 

 3. Stage abstract

      The research has been structured on the basis of activities included in the project carrying out plan and firm collaboration Agreement concluded between partners regarding the obligations devolving upon parts in order to improve the production technology of alternative energy resources. The research carried out focused on the improvement of all stages of the flow-sheet of bio-ethanol and bio-methanol production as well as on the reduction of energy consumption in the operating process by modifying the working temperatures and times of different operations in order to obtain a high quality fuel.

      On the basis of soil and climate analyses existing in the geographical area of Moldova and after having determined the starch content of the species frequently cultivated in this area, new technologies proper for the main cereals culture are being proposed, technologies which should provide under conditions of climate, soil and fertilizers an optimum content of starch to justify the use of these cereals in the bio-ethanol production. Of the five corn varieties analyzed, the highest starch content has been registered by the variety Turda 200 Plus 71, 61% respectively. By applying nitrogen and phosphorus fertilizers as compared to the non-fertilized variant, outputs increases from 4 to 38%, from 145 to 1413 kg/ha respectively have been obtained. Of the five wheat varieties analyzed, the highest starch content has been registered by the varieties: Ariesani 53, 34%, Dropia-53, 24%, Gruia-53, 16%, varieties which are recommended to be used in bio-ethanol production.

      To carry out the fermentation stage at a higher output as possible, the research had in view the use of new types of enzymes that do not require mash fermenting and showed the possibility to obtain bio-ethanol of a higher output by 0, 70% and quality as well. The use of these enzymes made possible, besides an increased output, both the reduction of energy consumption and processing time under conditions to obtain fuel of high quality certified by gaschromatographic analyses. The carrying out of a sterile process permitted to avoid lactic bacteria infections, fact demonstrated both by microscopic analyses and physical-chemical ones of the end product. Research on time shortening of the fermenting stage from 72 to 48 hours has also been made, leading to the production of a quality fuel with a smaller output of 0,012 % than that resulted from long time fermentation. The results obtained may be recommended to biofuel plants which produce hundreds of thousands of hl/year, the profit resulted from productivity increase being significantly higher as compared to extremely small loss of output.

      In the studies made to obtain industrial fermenting media, tests both on whole-meal cereal millings and lignocellulosic wastes were made. Optimum conditions of hydrothermal treatment, milling fractions profitable from the point of view of sugar output as well as the efficient combination of enzymes to saccharify them have been established. The experiments made on lignocellulosic wastes led to the elaboration of some pretreatment techniques together with significant increases of hydrolysis outputs. The research on selection and production of some resistant yeast strains showed the most efficient selecting criterion of high-performance strains and resistant to specific stress factors: the modified acidification power test. By monitoring the test values and intracellular trehalose content we could establish the improving strategies of the performances of the selected yeast strain (by supplementing as inoculum with linoleic acid and/or trehalose) and optimum nutritional strategies (feedings at start or progressive ones by growth mixtures).

      The biomethanol obtained from cereals and lignocellulosic wastes was used as fuel for an electrochemical fuel cell. The optimum operating conditions of the cell at high output were established and the material and energy balances for this one were made as well. Integrated and alternative use models of bio-methanol cells were also established for both auto traction and electrical energy supplying of isolated zones together with energy resources such as bio-gas, photovoltaic cells and electrical Aeolian generator.

      The project technical impact is given by the research results which permitted some proposals regarding new cultivating technologies of some corn and wheat varieties with high starch content under the climate conditions of our country, improved technologies of bio-ethanol production with higher output under the conditions of significant savings of energy as well as the carrying out of a pilot station of biofuels and proper endowment of analysis laboratories. As result of the activity carried on within the contract we may point out the following: 4 books, 20 paper works published or presented at scientific specialty lectureships, 18 proposals of invention on testing equipment and methods of biofuels’ quality, 2 master programmes, 4 doctoral dissertations, 4 training courses of the staff involved in the contract, 7 external partnerships.

  4. Indicatori ai proiectului 

• Număr de tehnologii noi create: 3

• Număr de tehnologii modernizate: 3

• Număr de studii realizate: 6

• Număr de invenţii propuse pentru a fi brevetate: 18

• Comunicări ştiinţifice: 12

• Lucrări de doctorat: 4

• Specialişti instruiţi în managementul şi administraţia cercetării: 15

• Vizite de lucru şi stagii de lungă durată ale unor personalităţi ştiinţifice din străinătate: 11

• Propuneri de proiecte transmise la programe internaţionale: 2

• Realizarea unui Centru de Cercetare Biotehnologică în cadrul Universităţii Ştefan cel Mare Suceava, acronim CRB, în domeniul biocarburanţilor, produse farmateutice şi agroalimentare, în valoare de 18 mil Euro, din proiect european