Для выращивания растений позволяющих получить биоэтанол требуются определенные климатические условия

Обновлено: 05.10.2024

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Чачина Светлана Борисовна, Двоян Артем Витальевич

В статье рассмотрены способы получения биоэтанола из различных видов органического сырья: картофель, свекла, банан, навоз конский, навоз коровий, птичий помет, солома, опилки, опавшие листья. Получение спирта из растительного сырья (картофель, бананы, свекла) показало низкую эффективность и высокую стоимость биоэтанола . Из свеклы и бананов получили небольшой объем 340-380 мл спирта с низким процентным содержанием от 40 % до 60 %. Использование отходов животноводческого комплекса позволило получить выход 95 % спирта от 165 до 200 мл. Наиболее эффективным и экономически выгодным является производство спирта из целлюлозосодержащих отходов (опилки).

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Чачина Светлана Борисовна, Двоян Артем Витальевич

The production of bioethanol from organic materials

In the article the methods for ethanol production from different kinds of organic raw materials: potatoes, beets, bananas, manure horse, cow dung, poultry manure, straw, sawdust, fallen leaves. straw, sawdust, fallen leaves. Obtaining ethanol from plant material (potato, bananas, beet) demonstrated low efficiency and high cost of bioethanol. From beet and bananas received a small amount 340 380 ml of alcohol with a low percentage of 40 % to 60 %. The use of waste-breeding complex has allowed to receive the output of 95 % alcohol from 165 to 200 ml. of the most effective and economically advantageous is the production of alcohol from cellulose-containing wastes (straw).

С. Б. ЧАЧИНА А. В. ДВОЯН

Омский государственный технический университет

ПОЛУЧЕНИЕ БИОЭТАНОЛА ИЗ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

В статье рассмотрены способы получения биоэтанола из различных видов органического сырья: картофель, свекла, банан, навоз конский, навоз коровий, птичий помет, солома, опилки, опавшие листья.

Получение спирта из растительного сырья (картофель, бананы, свекла) показало низкую эффективность и высокую стоимость биоэтанола. Из свеклы и бананов получили небольшой объем 340—380 мл спирта с низким процентным содержанием от 40 % до 60 %. Использование отходов животноводческого комплекса позволило получить выход 95 % спирта от 165 до 200 мл. Наиболее эффективным и экономически выгодным является производство спирта из целлюлозосодержащих отходов (опилки). Ключевые слова: биотопливо, биоэтанол, этиловый спирт.

В настоящее время производство биоэтанола является наиболее динамично развивающимся сектором биотопливной отрасли. На его долю приходится 85 % объема мирового производства биотоплив. Крупнейшие страны производители биоэтанола — США и Бразилия, на них приходится 89% объемов его производства [1]. Высокие темпы роста производства биоэтанола наблюдаются в странах Европейского союза. По состоянию на 1 февраля 2010 года, в странах ЕС работало около 50 заводов по выпуску этанола и около 20 заводов находилось в стадии строительства. Увеличение объемов производства и потребления биоэтанола в ЕС, в частности, является следствием решения задач европейской стратегии защиты окружающей среды и борьбы с глобальным потеплением планеты, направленной на постепенный отказ от нефти и газа и переход на новые возобновляемые виды топлива. Основное направление использования биоэтанола — получение смесевых топлив (этанол + бензин) с достаточно высоким энергосодержанием [2].

Биоэтанол в качестве топлива имеет как очевидные преимущества, так и ряд недостатков. К несомненным достоинствам биоэтанола относятся низкая токсичность и практически полное отсутствие выброса СО в продуктах сгорания, биоразлагаемость, возможность повышения эффективности использования ресурсов сельского хозяйства, снижение зависимости от нефти, снижение парникового эффекта. Основные недостатки этого направления — использование пищевого сырья, высокая стоимость (выше цен на нефть), нестабильные урожаи некоторых источников биомассы, низкая эффективность ферментирующих микробов, гигроскопичность и повышенный расход и низкая теплота сгорания этанольного топлива (по сравнению с нефтяным). Следует отметить, что во многих научных центрах ведутся активные исследовательские работы по устранению вышеперечисленных проблем использования этилового спирта в качестве топлива, и можно надеяться, что в ближайшее время многие из них будут устранены [3].

Биоэтанолом называется этиловый спирт низкой степени очистки, получаемый из возобновляемого источника — биомассы. Основным сырьем для его

производства являются крахмал и сахаросодер-жащие сельскохозяйственные культуры. В наших широтах — пшеница и кукуруза, а также меласса — отход свеклосахарного производства. Также биоэтанол может производится из целлюлозосодер-жащих отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Сейчас его себестоимость при использовании данного сырья выше, чем при использовании сельхозпродукции. Тем не менее в ближайшие годы планируется внедрение технологий, позволяющих значительно снизить затраты на производство биоэтанола из целлюлозы. В итоге его себестоимость может стать много ниже себестоимости бензина [4].

Основные результаты работы

Варианты опытов, № Сырье Количество сырья, г Серная кислота, кг Активный ил, г Вода, мл Дрожжи, мл Сахар, г Выход спирта, мл Содержание спирта, % об

1 Картофель 4000 0,150 800 4000 100 0 0 -

2 Орг.сырье 1000 0,0398 800 1000 100 0 0 -

3 Картофель 1000 0 0 2000 100 1000 450 70

4 КЭК 1400 0 0 2000 100 0 0 -

5 Картофель 1000 0,002 2000 2000 100 0 0 -

6 Опилки 150 0,004 0 600 100 600 725 90

7 Свёкла 3000 0 0 100 50 100 170 60

8 Банан 1000 0 0 1000 50 100 160 45

9 Картофель 1000 0 0 1000 50 180 235 70

10 Навоз конский 500 0,0025 0 1500 50 600 200 90

11 Навоз коровий 500 0,0025 0 1500 50 600 162 95

12 Птичий помет 500 0,0025 0 1500 50 600 195 95

13 Солома 500 0,0025 0 2500 50 600 370 75

14 Листья 500 0,0025 0 2500 50 600 400 55

15 Контроль 0 0 0 2000 50 600 425 70

уровень жизни в сельской местности — один из самых низких. Заработная плата у занятых в этой сфере в полтора —два раза ниже, чем у работников промышленности. Другой возможностью получения биоэтанола является использование целлюлозосо-держащего сырья. Перспективным сырьем является отходы деревообрабатывающей промышленности — стружки, опилки. До начала 90-х на территории России существовало около 40 гидролизных заводов, перерабатывающих древесную целлюлозу в спирт. Сейчас осталось лишь несколько. В случае нахождения путей реализации этанола можно будет восстановить и переоборудовать их в современные заводы, что позволит снизить капитальные затраты на развитие биоэтанольных мощностей. Основными импортерами могут стать страны Евросоюза. В ЕС принята официальная программа доведения доли биотоплива в топливном секторе до 5,75 %. Очевидно, что собственных ресурсов в этих странах будет недостаточно для достижения запланированных показателей [5].

Сырьевые источники животного происхождения столь же велики, сколь и ресурсы сырья растительного происхождения. В частности, ежегодный ресурс экскрементов животных и птиц в РФ оценивается в 600 млн тонн [6].

Сырьевые источники микробного происхождения не отличаются разнообразием; в основном это активный ил и илосодержащие осадки, образующиеся при биологической очистке сточных вод. Ежегодный ресурс их в РФ составляет около 88 млн м3 [7].

Из многих видов отходов в качестве сырья для биотоплива представляют интерес твёрдые бытовые отходы, конкретно-пищевые, а также — бумага, картон и древесные отходы. Общий ресурс твёрдых бытовых отходов в РФ оценивается в 35 млн т/год,

в том числе на долю перечисленных компонентов приходится от 55 % до 85 %, т.е. 20 — 30 млн т/год.

Другим вариантом может стать создание рынка топливных смесей с биоэтанолом в России. Проведенные испытания показали, что машины отечественного производства могут работать на 5 %-ной смести биоэтанола с бензином (Е5). С каждым годом увеличивается количество иномарок, которые могут использовать 10 %-ную смесь (Е10). Таким образом, потенциальный объем рынка топливного этанола в России может составлять от 1,5 до 3 млн т/год. Еще одним вариантом использования биоэтанола может стать производство этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ). Все больше стран в мире в силу экологических соображений переходят на данную топливную присадку. Бензин с ЭТБЭ по сравнению с Е10 имеет схожий экологический эффект, однако себестоимость его производства выше. С другой стороны, бензин с ЭТБЭ может распространяться в существующей автозапровочной системе, а для смесей с биоэтанолом требуются небольшие инфраструктурные изменения [8].

Материал и методы исследований. Материалом для настоящей работы послужили лабораторные исследования в течение пяти месяцев: с января 2013 по май 2014 г. включительно. Нами были изучены патенты и литература получения этанола в России. В соответствии с патентами было проведено 14 вариантов опытов, представленных в табл. 1.

Рис. 1. Выход спирта из органического сырья

и полисахаридов активного ила примерно одинакова, что способствует при таком режиме увеличению выхода моносахаридов, обогащает гидролизат неорганическими микро- и макроэлементами. Полученная после гидролиза реакционная смесь выводится из экструдера или другого аппарата непрерывного действия на отжим, отжатый остаток (лигнин) идет на производство органоминерального удобрения из шламовых отходов, лигнина, активного ила. Отделенный гидролизат нейтрализуется 25 % аммиачной водой. Нейтрализованный гидролизат с рН — 4,0 — 4,5 направляется в дрожжанку, где происходит взбра-живание — активация спиртообразующих дрожжей (100 мл).

Вариант 3. К 1 кг измельченного картофеля добавили 1 кг сахара, 2 л воды и 100 мл дрожжей.

Вариант 4. ОСВ 1400 г добавили 2 л воды, 100 мл дрожжей.

Вариант 5. К 1 кг измельнного картофеля добавили 0,002 кг серной кислоты, 2 л активного ила и 2 л воды и проводили гидролиз указанным выше способом при 200°С.

Вариант 6. К 150 г опилок, добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 600 мл воды, 100 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 7. К 3 кг измельченной свёклы добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара.

Вариант 8. К 1 кг измельченных бананов добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара.

Вариант 9. К 1 кг измельнного картофеля добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 180 г сахара.

Вариант 10. К 0,5 л конского навоза добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 11. К 0,5 л коровьего навоза добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 12. К 0,5 л птичего помета добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 13. К 0,5 л измельченной соломы добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 14. К 0,5 л опавшей листвы добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 15. Контроль. К 2000 мл воды добавили 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Получение спирта из растительного сырья. Вариант 3 (1 кг измельченного картофеля, 0,5 кг сахара, 1 л воды и 50 мл дрожжей) показал высокую эффективность по объему и % спирта. Выход спирта составил 225 мл, при %-содержании спирта

Рис. 2. Стоимость 1 л 70 % спирта

70 % (40 руб). Стоимость 1 литра спирта составляет 160 руб (рис. 1).

Вариант 7 (3 кг измельченной свёклы, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара) значительно уступал предыдущему варианту по выходу спирта. Из 1 кг свеклы и 100 г сахара получили 170 мл 60 % спирта, при стоимости 65 руб.). Стоимость 1 литра 60 % спирта составляет 382 руб, а стоимость 1 л 70 % спирта составляет 445 руб. (рис. 1).

Вариант 8 (1 кг измельченных бананов, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара) показал такую же эффективность, как вариант 7, но при более низкой стоимости (55 руб.). Из 1 кг бананов и 100 г сахара получили 160 мл 45 % спирта). Стоимость 1 литра 45 % спирта составляет 343 руб, а стоимость 1 л 70 % спирта составляет 531 руб. (рис. 1).

Вариант 9 (1 кг измельченного картофеля, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 180 г сахара) незначительно уступал варианту 3 по выходу спирта, но был в 2 раза дешевле. Из 1 кг картофеля и 180 г сахара получили 235 мл 70 % спирта (25 руб.). Стоимость 1 литра спирта составляет 106 руб. (рис. 1).

Вариант 15. Контроль. К 2000 мл воды добавили 50 мл дрожжей, 600 г сахара (20 руб.). Вариант показал высокую эффективность, но потребовал высоких затрат сахаросодержащего сырья. Выход 70 % спирта составил 425 мл. Стоимость 1 литра 70 % спирта составляет 47 руб. (рис. 1).

Получение спирта из отходов животноводческих ферм. Вариант 10 (0,5 л конского навоза, 0,0025 кг серной кислоты, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал высокую эффективность и низкую стоимость (20 руб.). Выход спирта составил 200 мл 90 % спирта. Стоимость 1 литра 90 % спирта составляет 100 руб., а 70 % спирта - 78 руб. (рис. 1).

Вариант 11 (0,5 л коровьего навоза, 0,0025 кг серной кислоты, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара). Выход 95 % спирта составил 162 мл, при стоимости 20 руб. Стоимость 1 литра 95 % спирта составляет 123 руб., а 70 % спирта — 91 руб.

Вариант 12 (0,5 л птичьего помета, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара). Выход 95 % спирта составил 200 мл при стоимости 20 руб. Стоимость 1 литра 95 % спирта составляет 100 руб., а 70 % спирта — 74 руб. (рис. 1).

Более эффективным и дешевым является производство спирта из птичьего помета, который явля-

ется токсичным отходом, не утилизируемым в сельском хозяйстве.

Получение спирта из целлюлозосодержащих отходов. Вариант 6 (150 г опилок, 0,0025 кг серной кислоты, 600 мл воды, 100 мл дрожжей, 600 г сахара) показал самую высокую эффективность выхода спирта при низкой стоимости (20 руб.). Опилки являются отходом дерево-обрабатывающей промышленности, не нашедшие практического применения в производстве в РФ. Выход спирта из опилок составил 725 мл при процентном содержании спирта — 90 %. Стоимость 1 литра 90 % спирта составляет 28 руб., а 70 % спирта — 22 руб. (рис. 1).

Вариант 13 (0,5 л измельченной соломы, 0,0025 кг серной кислоты, 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал среднюю эффективность при низкой стоимости (20 руб.). Выход спирта составил 375 мл 75 % спирта. Стоимость 1 литра 75 % спирта составляет 54 руб., а 70 % спирта — 50 руб. (рис. 1).

Вариант 14 (0,5 л опавшей листвы, 0,0025 кг серной кислоты, 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал низкую эффективность и низкий % спирта. Выход 55 % спирта составил 400 мл. Стоимость 1 литра 55 % спирта составляет 50 руб., а 70 % спирта - 64 руб. (рис. 1).

Заключение. Получение спирта из растительного сырья (картофель, бананы, свекла) показало низкую эффективность и высокую стоимость биоэтанола. Получение 1 л 70 % спирта из картофеля составляет от 106 до 160 руб, в зависимости от используемого метода. Из свеклы и бананов получили небольшой объем 340-380 мл спирта с низким процентным содержанием от 40 % до 60 %. Стоимость 1 л. 70 % спирта из свеклы составила 445 руб, а из бананов — 531 руб, что является экономически невыгодным (рис. 2).

Использование отходов животноводческого комплекса показало высокую эффективность и низкую стоимость биоэтанола. Выход 95 % спирта составлял от 165 до 200 мл. Стоимость 1 л 70 % спирта из птичьего помета составила 74 руб, из конского навоза — 78 руб, из коровьего навоза — 90 (рис. 2).

Наиболее эффективным и экономически выгодным является производство спирта из целлю-лозосодержащих отходов (солома, листья, опилки). Из соломы нами получено 370 мл 75 % спирта и из опилок 400 мл 55 % спирта. Стоимость 1 л спирта из соломы составила 50 р. за 1 л 70% спирта,

а из листьев — 64 руб/л. Наиболее экономически выгодным является получение спирта из опилок, т.к. стоимость 1 л спирта составляет 22 руб/л (рис. 2).

Ряд компаний предлагают использовать зерно для производства спирта (биоэтанола). Стоимость 1 л 70 % спирта составляет 50 руб., что является экономически невыгодным при нынешних низких урожаях зерновых. Зерно может быть использовано в пищевой промышленности, а также на корм скоту. Для производства биоэтанола выгоднее использовать отходы животноводческих ферм, опилки, опавшую листву.

5. Колесников, Б. А. Биотехнологическая переработка отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности / Б. А. Колесников // Рос. хим. журн. — 2011. — Т. 1, № 1. — С. 17-25.

6. Роговин, З. А. Химия целлюлозы / З. А. Роговин. — М. : Химия, 2009. — 136 с.

7. Рустамов, Н. А. Биомасса — источник энергии / Н. А. Рустамов, С. И. Зайцев, Н. И. Чернова // Энергия. — 2005. — № 6. — С. 20 — 28.

1. Булаткин, Г. А. Перспективы и ограничения производства биотоплива II поколения из растительного сырья / Г. А. Булаткин // Экологический вестник России. — 2009. — № 10. — С. 49 — 52 с.

2. Воробьев, И. Г. О проблемах производства биотоплива в мире / И. Г. Воробьев // БИКИ № 8118872, 21.07.2005. — С. 12—14.

3. Проблемы и решения / С. В. Калюжный [и др.] // Итоги науки и техники: ВИНИТИ АН СССР. — М., 1988. — Т. 21. — С. 22 — 24.

4. Кокорин, А. О. Климат — проблема экономическая / А. О. Кокорин // Академия энергетики. — 2007. — № 5. — С. 4—7.

Статья поступила в редакцию 24.06.2014 г. © С. Б. Чачина, А. В. Двоян

удк 574.3:591.6 С. Б. ЧАЧИНА

Омский государственный технический университет Омская государственная медицинская академия

ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЕ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ: НАВОЗНЫЙ ЧЕРВЬ (E. FETIDA) И КАЛИФОРНИЙСКИЙ ЧЕРВЬ (E. ANDREI) ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГУМУСА_

В лабораторном эксперименте изучены показатели навозного червя (Е. fetida), калифорнийского червя (E. andrei) в условиях загрязнения субстрата угольной золой (при 50 г/кг), 100 г целлюлозосодержащих отходов, 200 г/кг пищевых отходов. В процессе рекультивации почв, загрязненных угольной золой, отмечено снижение содержания мышьяка и никеля на 0,47 мг/кг навозным червем и отмечено увеличение содержания гумуса калифорнийским червем на 10—12,6 %, а навозным червем — на 9 %.

Ключевые слова: дождевые черви, микроорганизмы, отходы.

О том, что дождевые черви улучшают качество почвы, было известно еще в древние времена. Разведение земляных червей (вермикультура) позволяет переработать различные виды органических отходов в качественное экологически чистое удобрение — биогумус. Для разведения червей под-

готавливают компост из различных органических отходов: навоза, куриного помета, соломы, опилок, опавших листьев, сорняков, веток деревьев и кустов, отходов перерабатывающей промышленности, овощехранилищ и т. д. После того как в компосте условия среды приводят к оптимальным,

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Глава 1. Биоэтанол как альтернативный источник энергии…………. 6

§ 1. Альтернативные источники энергии их классификация…………. 6

§ 2. Состав, строение и физико-химические свойства биоэтанола……. 9

§3. Сырье и технология производства биоэтанола………………………14

§4. Особенности и направления использования биоэтанола как АИЭ…23

Неважно, когда на Земле закончится нефть, - через пятьдесят, сто или двести лет. Ясно, что источник энергии исчерпаем в принципе и, следовательно, ему рано или поздно придётся искать альтернативу. В 60-х годах из-за доступности дешёвого жидкого и газообразного топлива доля альтернативных видов топлива в топливном балансе страны постоянно снижалась и составляла менее 2%, соответственно, резко сократился объём исследовательских и проектных работ.

Только к концу 80-х годов интерес к альтернативным источникам энергии (АИЭ) в России снова возрос. Изменившиеся в последние годы экономические условия и связанный с ними рост цен на традиционные виды топлива потребовали изменений в структуре баланса, прежде всего для удалённых территорий России. Требуется максимальное замещение привозного топлива местными топливно-сырьевыми ресурсами. В настоящее время решение проблемы энергетического использования местных топливных ресурсов стало одной и из неотложных задач социально-экономического развития и жизнеобеспечения многих регионов России.

Причины, способствующие переходу на АИЭ:

увеличение загрязнения окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы, которое приводит к глобальному изменению климата;

дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность поиска новых источников энергии;

численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы для строительства АЭС, ГРЭС и ТЭЦ, хорошо известен и вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряжённость.

Сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий, их использование неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Согласно прогнозам, газ, который имеется на территории бывшего СССР, по самым оптимистическим прогнозам хватит на 70 лет. Нефть в Саудовской Аравии закончится лет через 35. Эти цифры должны заставить задуматься всех. Это ведь не так и много. А что потом? Что делать дальше, особенно если на тот момент не будет альтернативных вариантов?

Собственно альтернативные источники энергии уже и сейчас не только имеются, но и успешно используются для блага людей. Швеция, например, к 2020 году полностью планирует отказаться от органических источников топлива и перейти на энергию из возобновляемых источников. Исландия где-то к 2050 году. Бразилия активно использует сахарный тростник и через 5 лет планируется 80% транспорта перевести на этанол, который из тростника и добывается. Великобритания использует энергию ветра и волн, и к 2012 году 10% энергии страны будут из возобновляемых источников, ведь энергии ветра и волн гарантированно хватит намного дольше, чем органических источников энергии. В планах у США развитие атомной энергетики. Испания и Германия являются лидерами по Европе по использованию ветроэнергетики, ее прирост каждый год составляет 25%.

Как видим, Европа и не только она, доказала, что использовать альтернативные источники энергии не только необходимо, но и выгодно. Их нужно развивать, за ними будущее.

Цель: изучить альтернативный источник энергии – биоэтанол.

Задачи:
1. Изучить химический состав биоэтанола;

2. Перечислить основное сырье для производства биоэтанола;

3. Рассмотреть основные этапы и технологию производства биоэтанола;

4. Перечислить особенности и направления использования биоэтанола как АИЭ;

6. Выразить мнение о перспективе данного источника энергии в будущем.

Актуальность темы определяется растущим значением альтернативных источников энергии в энергетике разных стран, в том числе и России.

Альтернативные источники энергии их классификация

В последнее время в мире все чаще стали задумываться о реальной замене невозобнавляемых энергоисточников, таких как: газ, нефть и уголь на возобновляемые.

В Европе разработки по альтернативным видам топлива продвигаются достаточно активно. Голландцы уже сейчас предлагают предварительный план по дополнительным инвестициям в опытные разработки. Во-первых, порт Роттердам может служить пунктом для экспорта альтернативных энергоносителей, во-вторых, исследовательские центры по биотопливу и производственные мощности могут также располагаться в Голландии, что сыграет только на пользу экономики этой страны.

В данный момент несколько серьезных компаний вовлечены в разработки видов топлива будущего: Nedalco BV занимается исследованием и разработкой целлюлозного этанола и уже рассматривает возможность строительства завода по этанолу, компания Biofuels BV развивает технологию HTU дизеля. Кроме того, известная англо-голландская компания Royal Dutch Shell проводит исследования по биотопливу второго поколения [5].

Подогревают спрос на биоэтанол и страны ЕС. В конце прошлого года министр промышленности Франции Франсуа Лоос предложил Европейскому союзу активно использовать биотопливо. На конец 2005 года на долю биогорючего приходилось около 2% от всего продаваемого в странах ЕС бензина и дизельного топлива. Лоос добивается, чтобы эта доля к 2010 году была доведена до 6%. Если для бензиновых двигателей используется этанол, то для дизельных двухтактных двигателей идет растительное масло (в Европе, к примеру, отдают предпочтение рапсовому маслу). В продаваемых сегодня на европейских автозаправках смесях, обозначаемых как "био", доля спирта или масла составляет примерно 5%. Например, для поощрения автолюбителей, использующих растительное топливо, в Голландии масло для заправки не облагается налогом, и цена за литр составляет 0,70 евро (1,5 евро за литр дизельного топлива). Правда, пока в Голландии биоавтомобилей насчитывается меньше 1% - около 10 тыс. машин.

Так что же такое альтернативные источники энергии?

Альтернативные источники энергии (АИЭ) – способ, устройство или сооружение, позволяющее как АИЭ получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.

Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса , кукурузы , сои .

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол , метанол , биодизель ), твёрдое биотопливо ( дрова , солома ) и газообразное ( биогаз , водород ) [4].

Классификация альтернативных источников энергии

Тип источника

Преобразует энергию

Движение воздушных масс

Электромагнитное излучение Солнца

Движение воды в реках или морях

Теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, биоэтанола)

Растущий интерес к альтернативным видам топлива для легковых и грузовых автомобилей обусловлен тремя существенными соображениями: альтернативные виды топлива, как правило, дают меньше выбросов, усиливающих смог, загрязнение воздуха и глобальное потепление; большинство альтернативных видов топлива производится из неисчерпаемых запасов; использование альтернативных видов топлива позволяет любому государству повысить энергетическую независимость и безопасность. Закон об энергетической политике США от 1992 г. определяет восемь альтернативных видов топлива, в которые входит непосредственно биоэтанол (смесь, содержащая 85 % этанола и 15% из бензина) [10].

Состав, строение и физико-химические свойства биоэтанола

Биоэтанол является альтернативным видом жидкого осветленного топлива для бензиновых двигателей.

Биоэтанол - обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива.

Молекулярная формула: С ₂ Н ₅ ОН

Электронная формула: Пространственное строение этанола:

Структурная формула:

Согласно Киотскому соглашению, Европейский Союз поставил цель увеличить долю биотоплива в автомобильном топливе с 2% в 2005 г. до 5,75% в 2010 г. и планирует повышать эту долю по мере развития рынка. Бензиновые смеси, содержащие до 5% этанола, уже продаются в ряде стран Европы и не влияют на стандартные гарантии производителей автомобилей [10].

Физические свойства этанола:

Молекулярная химическая формула - С ₂ Н ₅ ОН, М (С ₂ Н ₅ ОН) = 46,069 г/моль; бесцветная легкоподвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом; Тпл. -114,15°С, Ткип. 78,39°С, не токсична;

Смешивается во всех соотношениях с водой, спиртами, диэтиловым эфиром, глицерином, хлороформом, ацетальдегидом, бензином и др. Горит бледно-голубым пламенем, выделяя большое количество энергии.

Технологии по производству биологического топлива решают проблему с поиском возобновляемых источников энергии с минимальным использованием ценных ресурсов, а также позволяют экологично утилизировать отходы различных производств в промышленных масштабах.

Биотопливо: сырье и технологии

Биотопливо производят из любого органического сырья. Это могут быть отходы жизнедеятельности животных, оболочка и стебли растений, некондиционная древесина, а также отходы пищевой промышленности.

Биомасса дробится, подвергается биологической либо термохимической обработке (нагревание, воздействие различных видов микроорганизмов). После чего образовавшиеся вещества сортируются, очищаются, затем отправляются в коллектор.

Существует классификация биотоплива по типу исходного сырья:

• Первое поколение топлива производится из растений с высоким содержанием сахаров, жиров, крахмала. Например, соя, рапс, кукуруза, а также сахарная свекла. Выращивание этих культур наносит вред климату.
• Второе поколение биотопливного сырья: трава, древесина, отходы сельского хозяйства. Подобная биомасса требует более технологичных методов обработки, но решает также проблему утилизации промышленных отходов.
• Сырьевой базой третьего поколения служат водоросли. Их специально выращивают, но для этого не требуется ни пресной воды, ни земельных площадей. Неприхотливые водоросли позволяют получать топливо без расхода ценных ресурсов.

Разные поколения биотоплива отличаются своими экологическими характеристиками. Наиболее предпочтительным вариантом для топливного производства является биомасса второго-третьего поколений.

Виды биотоплива

Как и другие вещества, биотопливо имеет три разновидности по своему агрегатному состоянию:

• Твердый тип производится на основе отходов сельского хозяйства либо деревообработки.
• Жидкий тип представлен биобутанолом, биоэтанолом, диметиловым эфиром, биодизелем.
• Газообразный тип: биоводород, биометан, биогаз.

Все три разновидности имеют свои специфические особенности, которые рассмотрены ниже.

Твердое биологическое топливо

Самый традиционный пример твердого биотоплива — дрова. С их помощью обогревают жилища уже несколько тысяч лет. Но это далеко не самый экологичный вид топлива, поскольку древесному фонду для возобновления требуются десятки лет.

Альтернативой дровам становятся пеллеты, которые производятся из некондиционной древесины — коры, веток, опилок, обрезков, а также щепы. Сырье перемалывается, затем из него под воздействием высокого давления и высокой температуры формируются мелкие цилиндрики или брикеты. Из-за правильной формы их удобно хранить. Кроме того, это прекрасный способ утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности.

Помимо древесной массы для изготовления твердого топлива используют солому, ореховую шелуху, внешние оболочки растений. Такое сырье прессуется и гранулируется.

Не менее часто пеллеты изготавливают из навоза. Современные технологии позволяют устранить неприятный запах из такого вида топлива. Это хороший способ использования отходов жизнедеятельности животных. Кроме того, это дешевое сырье очень быстро возобновляется.

Жидкое биологическое топливо

Жидкое топливо служит альтернативой бензину, либо дополнением к традиционному автомобильному топливу. Различают пять основных видов жидкого биотоплива:

• Биометанол. В качестве сырья для его производства служат одноклеточные водоросли. Разведение таких водорослей не требует ни пресной воды, ни земельных площадей, а потому это одно из наиболее перспективных направлений развития биотехнологий.
• Биодизель — основан на смешивании эфиров жирных кислот. Он абсолютно безопасен, хранится три месяца, разлагается за четыре недели. Применяется как альтернативное автомобильное горючее либо как добавка к традиционному топливу.

• Биобутанол, является аналогом бутанола, но производится из растений: кукурузы, пшеницы, маниока и свеклы. Это вещество способно заменить традиционное автомобильное горючее. получают из сырья, содержащего сахара и крахмал, путем спиртового брожения. Применяется для топки каминов, поскольку обладает высокой теплоотдачей и не образует побочных продуктов горения. Может использоваться в качестве добавки к автомобильному топливу, поскольку защищает мотор и снижает количество выбросов.
• Диметиловый эфир производится из отходов бумажного производства. Может применяться для изготовления автомобильного топлива для машин с LPG-двигателями.

Газообразное биологическое топливо

Основными типами газообразного биотоплива являются:

• Биоводород — аналог водорода. Получают его из органического сырья двумя способами — термохимическим (нагрев до 800 градусов без доступа кислорода) и биохимическим (легкий подогрев и микроорганизмы). Преимущество этого вида топлива — его возобновляемость. Для сырьевой массы используются органические отходы; бактерии, участвующие в переработке сырья, можно использовать неоднократно.
• Биогаз является аналогом природного газа. В его состав входит метан, углекислый газ, а также малое количество примесей (водород и сероводород). Если этот газ очистить от углекислоты, то получится биологический метан. Биогаз получается в результате метанового либо водородного брожения. Метановое брожение включает три этапа биологической обработки сырьевой массы: при помощи гидролизных бактерий, а также кислотообразующих и метанообразующих микроорганизмов. В качестве сырья служат отходы жизнедеятельности животных, водоросли, бытовые отходы. Сфера применения такая же, как у природного газа.

Плюсы и минусы биотоплива

Развитие биотехнологий решает проблему утилизации органических отходов, а также замены нефти и газа на альтернативные виды топлива. Но неразумное их использование может вызвать дополнительные проблемы с климатом, а также экосистемами. Рассмотрим несколько ключевых пунктов в развитии этой отрасли:

• Биотопливо — это возобновляемый источник энергии с дешевым сырьем.
• Технологии, основанные на переработке органических отходов, применимы везде, где есть люди и производственные комплексы.
• Производство биологического топлива снижает уровень углекислого газа в атмосфере, а его применение вместо традиционного горючего уменьшает выработку углекислого газа.
• Выращивание монокультур в больших масштабах (в качестве сырья для биотоплива) приводит к обеднению почвенного состава и снижению биоразнообразия, что оказывает влияние на климат.

Разумный подход к производству биологического топлива способен решить самые острые экологические проблемы окружающей среды.

Сжигание ископаемого топлива для получения энергии вносит существенный вклад в климатический кризис. Чтобы смягчить его последствия, необходимо искать новые способы добывать энергию. Выходом может стать биотопливо

Что такое биотопливо

Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья.

Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива.

Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт.

Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.

Виды биотоплива

• Твердое
• Жидкое
• Газообразное

Твердое биотопливо

Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.

Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.

Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.

Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.

Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.

Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.

Газообразное биотопливо

Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).

Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.

Плюсы и минусы биотоплива

Преимущества:

1. Возобновляемость ресурса. Ископаемое топливо — это иссякаемый источник энергии, который со временем закончится. Поскольку биотопливо производится из растительных веществ, оно теоретически является возобновляемым.
2. Снижение негативного влияния на окружающую среду. При сжигании биотоплива количество углекислого газа снижается до 65%, что сокращает вклад отрасли в изменение климата. Кроме того, биоэтанол и биодизель содержат меньшие концентраций таких химических веществ как хлор и сера. Это означает, что биотопливо помогает снизить выбросы этих загрязнителей в атмосферу.
3. Экономическая безопасность. Биотопливо можно производить на месте, создавая рабочие места в том же регионе, где оно будет потребляться, тем самым сокращая транспортные расходы и выбросы. Кроме того, производство собственного биотоплива снижает зависимость страны от поставок нефти из других государств.
4. Долговечность двигателя. Поскольку биотопливо содержит меньше примесей в сравнении с традиционными видами топлива, то и двигатели будут загрязняться меньше и реже выходить из строя.

Недостатки:

1. Потеря лесов. Производство биотоплива требует огромных территорий под выращивание сырья. Это может привести к массовым вырубкам лесов, чтобы освободить площади.
2. Продовольственный кризис. Производство биотоплива может повлиять на экономику, связанную с ценами и доступностью продуктов питания, так как пахотные земли будут отводиться под культуры для биотоплива, а не для пищи.
3. Деградация почвы. Выращивание одних и тех же культур (монокультур) приведет к истощению почвы и росту числа вредителей. Для борьбы с ними будут использовать химические пестициды, как следствие — снижение плодородия почвы и потеря биоразнообразия.
4. Использование ресурсов. Количество энергии, производимой с помощью биотоплива, значительно меньше, чем от сжигания ископаемого топлива, а это означает, что для удовлетворения энергетических потребностей того же количества людей требуется гораздо больше земли, воды и удобрений.
5. Энергетические затраты. При оценке экономических выгод от биотоплива необходимо учитывать энергию, необходимую для его производства. Например, в процессе выращивания кукурузы для этанола используются ископаемые виды топлива при производстве удобрений, транспортировке кукурузы и перегонке этанола. В этом отношении этанол, полученный из кукурузы, дает относительно небольшой выигрыш в энергии.

Где используется биотопливо

Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.

Перспективы биотоплива

На сегодняшний день из развитых стран США являются крупнейшим производителем биотоплива, на них приходится почти 40% мирового рынка. Всего в 2019 году мировое производство биотоплива превысило 1,8 тыс. баррелей, доля на рынке которого составила $136 млрд. Пока это стало рекордом. Из-за пандемии коронавируса мировой рынок биотоплива упал примерно на 8% впервые за 20 лет.

У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.

Читайте также:

  
• Моют ли мандарины после сбора урожая
  
• Как выкопать тую для пересадки
  
• Фруктово овощная лавка награда за урожай геншин
  
• Устойчивость гранаты в полете обеспечивается
  
• Посев семян цветочных растений