Systematyczny wzrost liczby mieszkańców na świecie powoduje, iż konieczne staje się jak najszybsze wprowadzanie nowych przedsięwzięć technicznych, dzięki którym wykorzysta się organiczne odpady zarówno do wytwarzania różnych form energii, jak i do otrzymywania półproduktów dla przemysłu chemicznego oraz paliw silnikowych.

Ogromne masy biologiczno-organicznych odpadów miejskich, wiejskich oraz pochodzących z przemysłu spożywczego można w prosty sposób i przy stosunkowo niskich nakładach przetwarzać na biogaz, który jest mieszaniną ok. 60% obj. metanu i ok. 40% obj. ditlenku węgla. Proces ten przebiega w warunkach beztlenowych z udziałem bakterii anaerobowych i może być prowadzony bądź w fazie ciekłej, bądź na przystosowanych do tego celu wysypiskach śmieci komunalnych. Potrzebne w tej technologii bakterie anaerobowe znajdują się wszędzie tam, gdzie rozkłada się masa biologiczno-organiczna, np. w bagnach czy żołądkach przeżuwaczy (krowa wytwarza w ciągu doby ok. 200 litrów biogazu).
Kolejne etapy anaerobowego rozkładu masy organicznej przedstawiono na rys. 1. W pierwszym etapie następuje hydroliza związków wielkocząsteczkowych, takich jak węglowodany, tłuszcze i białka. W jej wyniku powstają cukry, kwasy tłuszczowe oraz aminokwasy. Następnie związki te są przetwarzane przez bakterie acydogenne na kwasy propionowy i masłowy, wodę, ditlenek węgla oraz niższe alkohole, a z kolei alkohole na kwas octowy i wodór. Z kwasu octowego i wodoru bakterie metanowe syntetyzują CH4. Obie grupy bakterii żyją w symbiozie; bakterie acydogenne wydzielają wodór, który jest pokarmem bakterii metanowych. Uzyski biogazu z różnego typu odpadów są znaczne.

W celu odprowadzania biogazu z ogromnych, komunalnych składowisk śmieci umieszcza się w nich - w odstępach 50-metrowych, w układzie trójkątnym szyby o średnicy 1 metra, wypełnione kamieniami. W miarę zwiększania się wysokości wysypiska śmieci, są wydłużane rurowe prowadnice szybów gazowych i równocześnie uzupełniane kamieniami. Każdy szyb jest połączony z kolektorem biogazu rurą (o średnicy 0,8 1,0 m) umieszczoną w dolnej części szybu. Za pomocą wentylatora mieszaninę metanu i dwutlenku węgla przetłacza się z kolektora do określonego odbiorcy. Jeżeli wysypiska śmieci są małe (a więc i małe biogazownie), to biogaz jest na miejscu spalany w silnikach, które napędzają elektrogeneratory. Uzyskaną w ten sposób energię elektryczną sprzedaje się do sieci regionalnej. Wytworzony biogaz można również kierować do lokalnej sieci gazu opałowego po uprzednim oczyszczeniu z siarkowodoru i dwutlenku węgla. Na rysunku 3 przedstawiono skład biogazu uzyskiwanego w ciągu pierwszych 11 miesięcy od chwili uformowania wysypiska, przy czym skład ten bywa stabilny w ciągu ok. 20 lat.
Biogaz wytwarzany w ogromnych wysypiskach śmieci można na miejscu przerabiać na metanol. Na skalę przemysłową realizuje się to już w USA.

Metanol z biogazu
Jak już wspomniano, biogaz zawiera przeciętnie ok. 60% obj. metanu i 40% obj. ditlenku węgla. W procesie grzewczym dwutlenek węgla jest balastem, a w technologii syntezy metanolu bywa wartościowym półproduktem i to właśnie czyni biogaz z ekonomicznego punktu widzenia wysoce atrakcyjnym surowcem dla syntezy chemicznej oraz ochrony środowiska.
Metanol należy do tych spośród masowo wytwarzanych półproduktów przemysłu chemicznego, na które stale rośnie popyt. Systematycznie zwiększa się jego zastosowanie (głównie w postaci MTBE) w paliwach do silników Otta, a poza tym można z niego wytwarzać małocząsteczkowe olefiny, aromaty, białko paszowe, a także węglan dimetylu. Węglan dimetylu wykazuje właściwości identyczne z właściwościami MTBE (eteru metylowotertbutylowego), który jest substytutem etylku ołowiu w różnych rodzajach benzyny. Synteza metanolu jest prosta i przebiega bez szkód dla środowiska. Prowadzi się ją wobec katalizatora Cu-ZnO-Al2O3 pod ciśnieniem 7 10 MPa i w temp. 230 270 st. C. Reakcja jest egzotermiczna. Syntezę tę można opisać następującymi równaniami:
CO + 2H2  CH3OH (1)
CO2 + 3H2  CH3OH + H2O (2)
Obecnie metanol wytwarza się prawie wyłącznie w reaktorach ze stacjonarnym złożem katalizatora, co stwarza utrudnienia techniczne z odprowadzaniem ciepła reakcji. Problemy te narzucają ograniczenie ilości tlenku w gazie syntezowym na wejściu do reaktora do poniżej 18% obj.
Opracowano trójfazowy reaktor do syntezy metanolu, w którym drobno zmielony katalizator (o uziarnieniu poniżej 150 m) suspenduje się w węglowodorach parafinowych, lub nasyconych alkoholach tłuszczowych (rys. 4). Zapewnia on nie tylko izotermiczne warunki syntezy, dzięki dobremu odprowadzeniu ciepła reakcji, ale również umożliwia stosowanie gazu syntezowego o dowolnej zawartości tlenku węgla, a także znaczny rozrzut dopuszczalnych szybkości objętościowych substratu. Dane są wynikiem badań przeprowadzonych w reaktorze o średnicy 101/67 tron i wysokości 4000 mm. Skład katalizatora syntezy metanolu (Cu ZnO Mn2O3) został przez autora udoskonalony specjalnie dla reaktora trójfazowego.


Rys. 4. Schemat przetwarzania biogazu na metanol w trójfazowym reaktorze Cu ZnO Mn2O3 : 1 – turbosprężarka, 2 – wymiennik ciepła, 3 – usuwanie zanieczyszczeń, 4 – wysycanie parą wodną, 5 i 8 – podgrzewacze, 6 – reaktor do pierwszego stopnia konwersji metanu w CO + H2, 7 – dopalacz resztek CH4 (do CO + H2), 9 – separator wody, 10 – reaktor syntezy metanolu, 11 – kocioł wodno-parowy, 12 – pompa, 13 – zbiornik cieczy chłodzącej, 14 – zbiornik suspensji katalizatora Cu ZnO Mn2O3, 15 – gorący separator suspensji katalizatora,
16 – kondensator metanolu, 17 – separator metanolu, 18 – zbiornik odgazowania ciekłego produktu, 19 – wieża rektyfikacyjna, 20 – wyparka

Ze względów ekonomicznych najlepszym składem gazu syntezowego jest mieszanina zawierająca 67% obj. H2, 28% obj. CO i 5% obj. CO2, a taką właśnie można uzyskać z biogazu. Biogaz przerabia się na gaz syntezowy w dwóch szeregowo pracujących reaktorach, wypełnionych katalizatorem niklowym.
W pierwszym reaktorze przebiegają następujące równoległe reakcje:
CH4+ H2O  CO + 3H2 (3)
CH4+ CO2  2CO + 2H2 (4)
Ilością pary wodnej dodawanej do biogazu można regulować w znacznym zakresie stosunek H2 : CO w gazie syntezowym.
Niestety, te dwie endotermiczne reakcje (3 i 4) nie przebiegają ze 100-proc. wydajnością. Dlatego w drugim reaktorze w obecności tlenu przebiega silnie egzotermiczna reakcja katalityczna wyrażona równaniem:
CH4 + 1/2O2  2H2 + CO (5)
Gorąca mieszanina gazów z tego procesu (5) ogrzewa rury w układzie Fielda z katalizatorem (w pierwszym reaktorze), dzięki czemu [9] dwustopniowy proces konwersji CH4 przebiega autotermicznie, co powoduje znaczne, bo prawie o 25%, obniżenie kosztów wytwarzania metanolu (np. w porównaniu z technologią, którą zastosowano w Zakładach Azotowych w Chorzowie S.A.).
Zawiesina katalizatora syntezy metanolu pozostaje w wymuszonym obiegu przez zewnętrznie zainstalowany wymiennik ciepła, w którym wytwarza się 0,95 1,0 kg pary wodnej pod ciśnieniem 4 MPa, w przeliczeniu na 1 kg wytworzonego CH3OH. Uzyskany metanol surowy, zawierający ok. 10% mas. wody, poddaje się rektyfikacji w dwóch szeregowo połączonych kolumnach, co zapewnia uzyskanie produktu o czystości 99,99% mas. Dzięki swej wysokiej jakości metanol może być przydatny do wytwarzania włókien poliestrowych, MTBE czy tworzyw sztucznych. To, iż zawarty w biogazie ditlenek węgla wraz z metanem są przetworzone katalitycznie na gaz syntezowy, czyni produkcję metanolu znacznie tańszą od wytwarzania go z importowanego gazu ziemnego lub ze zgazowania próżniowej pozostałości podestylacyjnej ropy (gudronu).



Metanol można również przetworzyć w benzynę wysokooktanową poprzez skierowanie go do dwóch szeregowo ustawionych reaktorów, wypełnionych katalizatorami zeolitowymi typu ZSM-5, zawierającymi glinokrzemiany.
Na pierwszym z nich w temperaturze 380 st. C metanol przeprowadza się w eter dimetylowy. Ten w drugim reaktorze, w temperaturze 450 st. C przetwarza się wprost w benzynę o liczbie oktanowej 96. Pierwszą tego typu fabrykę uruchomiono w Nowej Zelandii.

Przez eter dimetylowy do oleju napędowego
Koncern Air Products and Chemicals Inc. Alleutown, PA, USA opracował jednostopniowy proces wytwarzania eteru dimetylowego bezpośrednio z mieszaniny gazów CO + CO2 + H2 w temperaturze 250 st. C i pod ciśnieniem 5 10 MPa na mieszaninie dwóch katalizatorów: pierwszy jest sporządzony na bazie miedzi, a drugim okazała się specjalna odmiana tlenku glinu tzw.  = Al2O3
Eter dimetylowy powstaje na drodze odwodnienia dwóch cząstek metanolu. Jego temperatura wrzenia wynosi 23 st. C. W normalnych warunkach jest on gazem, a jego prężność par jest nieomal średnią z propanu i butanu. Wszystkie je można bardzo łatwo skroplić, a ich ciekłe fazy wykazują ciśnienie około 1,5 MPa w letnich warunkach. Są łatwe w przechowywaniu oraz transporcie i to w cysternach oraz butlach stalowych.
Eter dimetylowy jest powszechnie znany, gdyż od 1923 roku wytwarzano go jako produkt uboczny we wszystkich wytwórniach syntezy metanolu, stosujących cynkowe i/lub chromowe katalizatory. Od lat jest powszechnie stosowany jako czynnik aerozolowy gdyż uznaje się go za przyjazny środowisku przy wytwórczości perfum, lakierów do włosów itp. kosmetyków. Zastępuje on z powodzeniem szkodliwe dla środowiska węglowodorowe fluoropochodne.
Istotą innowacji koncernu Air Products and Chemicals jest opanowanie procesu tzw. oligomeryzacji (łączenia się ze sobą kilku cząstek) eteru dimetylowego do fazy ciekłej w normalnych warunkach otoczenia. A w takiej postaci łatwo zmieszać „ciekły eter dimetylowy” z klasycznym olejem napędowym każdej rafinerii i to w dowolnej proporcji. Ten eter – jak każdy inny – charakteryzuje się tlenowym mostkiem, łączącym grupy metylowe. Jeśli teraz zmiesza się ten związek tlenowy z klasycznym olejem napędowym, to im więcej będzie pierwszego, tym szybsze będzie spalanie takiej mieszaniny w silniku, a zatem wyższa będzie liczba cetanowa.
Najważniejszym sukcesem technologicznym jest jednak płynny – w warunkach otoczenia – oligomer eteru dimetylowego. Do silników dieslowskich można go stosować samodzielnie (po doborze odpowiednich olejów smarowych), jak i w dowolnej mieszaninie z klasycznym olejem napędowym, uzyskując następujące korzyści:
- podnosi się liczbę cetanową,
- obecny w eterze tlen sprzyja efektywniejszemu spalaniu paliwa w cylindrze,
- eter toleruje nieco wyższe zawilgocenie paliwa, niż sam olej napędowy,
- obniża zawartość siarki w paliwie, gdyż sam jej nie zawiera,
- skraca opóźnienie zapłonu przy niskiej temperaturze,
- obniża poziom hałasu silnika.
Poza tym metanol jest niezbędnym półproduktem w wytwórczości biodiesla z dowolnych olejów roślinnych. Z nimi bowiem metanol ulega w obecności różnorakich katalizatorów tzw. reestryfikacji do gliceryny oraz estrów metylowych kwasów tłuszczowych (czyli biodiesla).
Powyższe informacje dokumentują jednoznacznie, że gospodarka światowa dysponuje technologiami – sprawdzonymi w skali przemysłowej – dla przetwarzania biogazu, tak z odpadów komunalnych, jak i przemysłu rolno spożywczego do najwyższej jakości paliw silnikowych.