Технология производства биоэтанола из пшеницы

Обновлено: 18.09.2024

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Жукова Ю. А., Мезенова Ольга Яковлевна

Авторами предложена экологически безопасная технология получения биоэтанола из пшеничной соломы, предусматривающая сочетание физических и биотехнологических способов обработки с целью выделения целлюлозы из комплекса с лигнином и гемицеллюлозой и последующем ее гидролизе до глюкозы и сбраживанием до этанола. Предложенная технология позволяет из невостребованных биологических ресурсов получать целевой продукт топливный биоэтанол, а также дополнительно ценные гемицеллюлозу и лигнин.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Жукова Ю. А., Мезенова Ольга Яковлевна

Эффективные параметры, влияющие на предварительную обработку лигноцеллюлозы при производстве этанола (обзор зарубежных публикаций)

Интеграция каталитических процессов кислотного гидролиза и пероксидной делигнификации для получения биоэтанола из древесины осины

New pretreatment methods were developed for separating hemicellulose, cellulose, and lignin from biomass of wheat straw for their efficient use in the thermo-chemical conversion of each component. The proposed methods were expected to be new routes for converting low-grade plant resources into valuable chemicals such as bioethanol and also by-products such as hemicellulose and lignin.

Технологии получения биоэтанола из пшеничной соломы

Ю. А. ЖУКОВА, д-р техн. наук О. Я. МЕЗЕНОВА

Калининградский государственный технический университет 236000, Калининград, Советский пр., 1

Key words: lignin removal, enzymatic hydrolysis, fixed-bed reactor, fermentation.

Ключевые слова: извлечение лигнина, гидротермальная обработка, реактор, ферментация.

В настоящее время основным видом горючего для моторов является топливо, получаемое из нефти. Одной из задач современной науки является создание новых энергоносителей, что позволит сохранить для потомков не возобновляемое энергетическое сырье. Из нефти сегодня можно получать пластмассы, моющие средства, пищевые изделия, ткани, лекарства. Но на указанные цели используется менее 10 % от всего количества добываемой нефти, а более 90 % — расходуется на топливо, выделяя в атмосферу вредные вещества.

Значительным и к тому же возобновляемым источником энергетического сырья является растительная биомасса, запасы которой на планете составляют более 1800 млрд т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 30 • 1021 Дж и соответствует известным запасам энергии полезных ископаемых. На долю лесов приходится около 68 % биомассы суши, травяных экосистем — 16 %, возделываемых земель — 8 %. При помощи фотосинтеза на Земле ежегодно производится 173 млрд т сухого вещества, что более чем в 15 раз превышает количество энергии полезных ископаемых, используемой в мире за год [1J.

Энергетическими эквивалентами бензину и дизельному топливу на сегодня являются биоэтанол, биопропанол, биобутанол и биодизель. В нашей стране актуальнее изготавливать биоэтанол, поскольку имеются большие запасы соответствующего сырья, а также развитая сеть гидролизных заводов, готовых к производству данного вида топлива. К тому же указанный энергоноситель является единственным жидким топливом; его использование в качестве добавки к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

Биоэтанол — жидкое спиртовое топливо, которое традиционно производится из зерновых культур, содержащих легко деградируемые полисахариды — крахмал, моно- и дисахара (кукуруза, пшеница, рожь и др.). Биоэтанол, добавленный в бензин, обогащает его кислородом, что способствует более полному сгоранию и уменьшению выбросов окиси углерода и токсичных веществ на 30 %, а летучих органических соединений — на 25 %.

Сказанное выше обусловливает целесообразность поиска эффективных способов получения биоэтанола из невостребованного и рационально возобновляемого сырья.

В настоящее время имеет место рост объемов выпуска биоэтанола во многих странах мира (Бразилия, США, Канада, страны Евросоюза). В России также начато строительство подобных заводов, подготовлена законодательная база. Согласно ГОСТ Р 52201-2004 «Топливо мо-

Среди нетрадиционного сырья для получения биоэтанола перспективным представляется сухое лигнин-целлюлозное сырье (травы, листва деревьев и кустарников, солома), недовостребованное в пищевой, сельскохозяйственной, топливной и других отраслях промышленности. Однако для данного сырья необходимо создание специальной технологии [2].

Целью исследований являлось совершенствование технологии биоэтанола с учетом свойств лигнин-целлюлозного сырья, в качестве которого была использована пшеничная солома.

Экспериментальная часть работы выполнена в Техническом университете г. Гамбурга на факультете Термической техники и технологии (Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut Termische Verfahrenstechnik) при финансовой поддержке Фонда Кирхгофа (Германия).

За основу технологии биоэтанола из пшеничной соломы был взят гидротермальный способ разрушения биомассы с последующим ферментативным разложением выделенной целлюлозы до глюкозы и получением из последней этанола под действием биотехнологического брожения.

Объектом исследования являлась растительная ткань соломы, которая помимо необходимой целлюлозы включает также гемицеллюлозу, лигнин, смолистые вещества, протеины и безазотистые экстрактивные вещества; при этом 80—90 % сухой массы приходится на прочный лигнин-целлюлозный комплекс (рис. 1).

В качестве сырья была использована измельченная и гранулированная (в виде пеллет) пшеничная солома, поставляемая для кормовых целей (Германия). Влажность соломы составила 14 %. Данные о составе углеводов пшеничной соломы, полученные методом кислотного гидролиза целлюлозы в Федеральном исследовательском агентстве по древесине и экономике лесного хозяйства Германии, а также на факультете химии древесины (Bundesforschungsanstalt für Holz- und Forstwirtschaft, Institut für Holzchemie, Hamburg-Bergedorf) приведены в таблице.

Рис. 1. Микроскопическая структура растительной биомассы [3, 4]

Состав углеводов пшеничной соломы (масс. %)

Остаток после кислотного гидролиза целлюлозы 22,5

Общий сахар 69,6

Из данных таблицы видно, что основную массу моносахаров, участвующих в получении этанола, составляют глюкоза и ксилоза (65,2 % от массы общих сахаров), что является достаточным для рекомендации по использованию данного сырья в технологии этанола. Однако для биодеградации целлюлозы с выделением данных моносахаров необходимо было подобрать эффективные ферменты, обладающие высокой специфичностью. Для этого использовали следующие целлюлазы:

Для брожения глюкозы с получением этанола были использованы термофильные дрожжи Turboyeast Alcotec 48 (фирма Hambleton Bard, Германия).

На первом этапе работы необходимо было из пшеничной соломы получить целлюлозу, для чего требовалось разрушить устойчивый лигнин-целлюлозный комплекс биомассы. В качестве метода разделения гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина был апробирован новый двухступенчатый процесс, сущность которого заключается в гидротермальной обработке биомассы под давлением

30 бар при температуре 210 °С с последующей экстракцией выделенных веществ водой (экстракт № 1) и смесью этанол—вода при концентрации 75 % (экстракт № 2) при температуре 165 и 180 °С под давлением 40 бар. Данные факторы процесса позволили эффективно выделить гемицеллюлозу из структуры пшеничной соломы (на первом этапе — на 84 % от ее содержания, на втором этапе — 5 %), а также удалить лигнин, являющийся ингибитором эндоцеллюлаз, использованных для распада целлюлозы.

Экспериментальные исследования выполнялись на лабораторной установке, схема которой показана на рис. 2.

Рис. 2. Лабораторная установка для гидротермальной деструкции пшеничной соломы и удаления гемицеллюлозы и лигнина:

1 — нагревательное устройство; 2 — реактор;

3 — охладитель; 4 — регулятор давления; 5 — насос;

6 — контейнер для воды и органического растворителя;

Главной частью установки является реактор (v = 50 мл), куда помещалась солома (17 г), обрабатываемая под давлением водой с высокой температурой. После гидротермолиза биомассы в реактор с помощью насоса накачивались последовательно вода и смесь воды с этанолом для растворения и удаления выделившихся гемицеллюлозы и лигнина.

Водный экстракт № 1, извлеченный непосредственно после гидротермальной обработки, разделяли центрифугированием на твердый (лигнин-целлюлозный комплекс) и жидкий (гемицеллюлоза) компоненты. Водно-этанольный экстракт № 2, получаемый на втором этапе обработки, промывали и также разделяли центрифугированием на твердую (целлюлоза) и жидкую (гемицеллюлоза-лигнин) фракции. Целлюлозу направляли на анализ по содержанию моносахаров, который проводили хроматографически.

Для деградации целлюлозы до моносахаров первоначально твердый остаток растворяли в универсальном буфере, после чего в систему вводили ферменты. Пробы инкубировали при температуре около 50 °С и постоянном перемешивании в течение 72 ч. Затем определяли концентрацию образовавшейся D-глюкозы на УФ-спектрофотометре при помощи специальных лабораторных реагентов (D-Glucose НК kit, фирма Megazyme).

Брожение глюкозы с выделением этанола проводили на лабораторной установке, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Лабораторная установка для сбраживания глюкозы в этанол

По окончании ферментации содержимое колбы центрифугировали, а в центрифугате определяли концентрацию оставшейся Э-глюкозы указанным выше способом.

В результате проведенных исследований и анализа полученных данных была предложена следующая технология биоэтанола из пшеничной соломы, схема которой приведена на рис. 4.

Выход этанола, полученного из пшеничной соломы по данной схеме обработки, составил 5 % массы (в пересчете на сухое вещество) или 5,8 % от массы сырья. С учетом того факта, что брожению подверглось только 72 % глюкозы, имеются возможности для совершенствования данной технологии. При сбраживании всей глюкозы, получаемой из целлюлозы, возможно увеличение выхода этанола до 8 %.

Для изготовления энергетически пригодного топлива из полученного этанола, т. е. биоэтанола, в дальнейшем необходимы операции ректификации, обезвоживания и денатурирования.

Предложенная технология получения биоэтанола отличается комплексностью и мягкостью обработки (нет химически агрессивных операций), позволяет полезно использовать для технических целей все составляющие соломы: гемицеллюлозу и лигнин.

Рис. 4. Схема получения биоэтанола из пшеничной соломы

В настоящее время в России есть все предпосылки для организации и развития производства биоэтанола, а также его применения в качестве перспективного моторного топлива. Для этого рационально использовать недовос-требованную в экономике пшеничную солому и перерабатывать ее комплексно и экологически безопасно современными методами биотехнологии. Сущность предложенной технологии получения биоэтанола из пшеничной соломы заключается в последовательной обработке биомассы гидротермальным воздействием с экстракцией гемицеллюлозы и лигнина смесью этанол—вода; ферментативном гидролизе выделенной целлюлозы с образованием моносахаров и последующим их сбраживанием

с получением целевого продукта. Технология позволяет дополнительно получать и использовать ценные продукты.

1. Этиловый спирт в моторном топливе: Справ, пособие / Под ред. В. В. Макарова. — М.: Россия, 2005.

3. Частная физиология полевых культур / Под ред. Е. И. Кошкина. — М.: КолосС, 2005.

4. Биохимия растений / Под ред. Л. А. Красильниковой. — Ростов н/Д.: Феникс, 2004.

Биоэтанол - это дегидратированный (высококонцентрированный) спирт, используемый в качестве присадки к топливу. Это готовое чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания, которое легко смешивается с бензином .

Его изготовляют из растительного сырья по современной энергосберегающей технологии; биоэтанол способен заметно сократить выбросы парникового газа транспортными средствами, что немаловажно для климатических нагрузок. Малоуглеродистые (парниковые) выбросы являются основной целью политики внедрения биоэтанола .

С нашим оборудованием можно производить этанол из широкого диапазона крахмало- или сахаросодержащих субстратов. Диапазон сырья охватывает пшеницу, рожь, кукурузу, просо, ячмень, картофель, кассаву, сладкий картофель и побочные продукты глубокой переработки зерна, а также сахарного сорго, сахарного тростника или сахарной свеклы в виде меласс, густого сока или сиропа и, конечно же, продукты гидролиза целлюлозы .

Технология Фогельбуш по производству биоэтанола

ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ

КРАХМАЛ: Зерно и клубни подвергаются дроблению или измельчению перед их использованием в процессе. Крахмал или побочные продукты глубокой переработки зерна не требуют никакой специальной обработки и подаются непосредственно на ожижение .

САХАР: Мелассы или сахарный сироп обычно не требуют специальной обработки; их разводят, окисляют и подают на участок ферментации. В случае наличия большого количества ингибирующих веществ (влияющих на ферментацию) в субстрате, может возникнуть необходимость пастеризации и/или разделения. В редких случаях может потребоваться удалить осадок .

У обоих вариантов свои преимущества :

После сухого помола сырьё содержит все зерновые волокна, шелуху и пр. В качестве побочного продукта этого простого и надёжного процесса образуется сухая барда (DDGS) высокого качества .
На установках с мокрым помолом для производства этанола используют чистый субстрат без волокон или барды. Выход при глубокой переработке зерна выше, но барда при этом не производится .

БИОРЕАКЦИЯ

Крахмал обрабатывают процессами ожижения и осахаривания для получения глюкозы - ферментируемого сахара. Частично-осахаренная масса охлаждается и подается на участок ферментации. Окончательный гидролиз крахмала в глюкозу происходит одновременно в ходе ферментации. Для вторичного использования воды и латентного тепла, в процессе Фогельбуш Хотмэш поток декантированной барды направляется к участку ожижения/осахаривания .

На этапе ферментации моносахариды превращаются в спирт с помощью дрожжей. Стандартный процесс ферментации Фогельбуш в производстве биоэтанола - наш усовершенствованный процесс непрерывной ферментации МУЛЬТИКОНТ .

Ферментация субстрата начинается в предварительном ферментере при заданных условиях, благоприятных для роста дрожжей. Ферментируемое сусло постепенно перетекает через несколько главных ферментеров, в процессе чего нарастает концентрация спирта. Обычно получаемая концентрация спирта в сусле составляет 13-15% об. (в зависимости от сырья). Из последнего ферментера спиртовое сусло подается в промежуточную емкость для дистилляции .

При использовании труднообрабатываемого сырья может применяться периодический процесс ферментации .

При применении некоторых неволокнистых субстратов, например, меласс или крахмального молока, можно использовать дрожжи повторно для увеличения выхода и ускорения ферментации .

Тепло, вырабатываемое во время ферментации, используется повторно с помощью внешних теплообменников, отработанный воздух из ферментеров проходит через газоочиститель для рекуперации спирта и двуокиси углерода .

ИЗОЛЯЦИЯ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ПРОДУКТА

Спиртовое сусло предварительно нагревается и подается в колонну дистилляции , где спирт-сырец очищается от сусла, после чего остается бесспиртовая жидкость - барда. В нескольких рядах технологических колонн спирт-сырец очищается и концентрируется до приблизительно 94%об .

Для сбережения острого пара колонны работают под разными уровнями давления так, что одна колонна нагревается головными парами другой - это и есть система Фогельбуш, известная как дистилляция под различным давлением .

Энергопотребление также можно сократить с помощью тепловой интеграции установки дистилляции, ректификации и дегидратации, снижая расход пара до 1150 кг/ 1000 л биоэтанола .

Процесс дегидратации применяется для получения безводного этанола. Стандартная технология дегидратации Vogelbusch работает за счёт процесса адсорбции с переменным давлением (PSA) с применением молекулярных сит . Таким образом, массовую долю содержания воды можно сократить до 0,05% об.

У нас есть технология и опыт проектирования технологических процессов для разнообразных применений и характеристик продуктов. Системы колонн Фогельбуш могут проектироваться для соответствия стандартам топливного этанола, таким как ASTM D4806 (USA) или EN 15376 (EU), либо же индивидуальным требованиям заказчика .

Аналитические испытания - одна из задач нашей лаборатории .

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Поскольку для технологического процесса нужен только сахар или крахмал, из остальных ингредиентов сырья можно получить ценные побочные продукты .

Барда из меласс или сиропов свеклы или тростника подается непосредственно на участок выпаривания, где она концентрируется в пределах 30-65% в зависимости от назначения. Концентрированную барду (винассу) можно продавать как добавку к животному корму или удобрение либо сжигать для выработки пара для технологических нужд. Для производства биогаза концентрирования барды не требуется .

Наш инженерный подход - это ведущие в этой отрасли эксплуатационные показатели с точки зрения потребления первичных источников энергии и пресной воды :

Латентное тепло от переработки барды, горячий конденсат и лютерная вода снижают не только энергопотребление, но и потребность в воде в ходе подготовки сырья ;
Предварительная концентрация барды в испарителе дистилляционной установки снижает паропотребление на участке выпаривания ;
Вторичное использование паров от сушки с участка выпаривания и возврат остаточных паров в сушку (принцип замкнутой цепи) значительно снижает выбросы в атмосферу ;
Использование в технологических процессах и инженерных сетях конденсата и лютерной воды вместо пресной воды минимизирует расход воды и жидкие сбросы .

Энергоэффективность представляет собой испытанный, низкобюджетный способ сокращения выбросов углерода и участия в рациональном использовании природных ресурсов .

Решения, касающиеся выбора технологий сушки, зависят от типа существующих энергоносителей и их стоимости. При наличии дешевого пара, используются трубные сушилки, косвенно нагретые паром. В иных случаях применяют газовые сушилки или сушилки, работающие на легком дистиллятном топливе. Они могут быть кольцевыми или с вращающимися барабанами .

Наиважнейшими ценообразующими факторами в производстве биоэтанола являются сырьё, энергозатраты и начальные капиталовложения .

Наши современные концепции в разработке технологического процесса для заводов по производству биоэтанола оказывают большое влияние на эти носители издержек и эксплуатационную готовность предприятия. К ключевым факторам относятся :

Непрерывный процесс ферментации

Низкие инвестиционные и операционные затраты ;
Чрезвычайно высокий выход, концентрация и производительность ;
Надежная стабильная эксплуатация в течение долгого времени ;
Легкость в эксплуатации благодаря полной автоматизации .

Низкий расход тепловой энергии

Восстановление и повторное использование вторичной энергии от производственных потоков;
Тепловая интеграция на каждом этапе технологического процесса, а также в целом по заводу.

Экономия воды и уменьшение образования сточных вод

Рециркуляция барды ;
Рециркуляция лютерной воды и повторное использование конденсата вторичного пара ;
Повторное использование обработанной сточной воды в подготовке утилитов (напр., градирни) или для производственных нужд .

Постоянное развитие и усовершенствование нашего ноу-хау гарантирует, что вся технология является действительно передовой, а не просто очередной типовой разработкой. Фогельбуш предлагает гибкие схемы проектирования с высокотехнологичными решениями, разработанными в соответствии с требованиями заказчика, для оптимизации экономики процесса :

Возможность попеременного использования различных типов сырья ;
Совмещенное или альтернативное производство биоэтанола, технического и питьевого спирта ;
Соответствие точным техническим условиям (давление пара, и т.п.) и требуемому качества продукта ;
Учет локальных условий строительства и технического обслуживания.

Наши специалисты также могут модернизировать или переоборудовать Ваши существующие установки для расширения мощности, увеличения выхода и/или качества продукта и сбережения энергии и воды. Мы также помогаем производителям, которые хотят диверсифицировать производство и получать прибыль от побочных продуктов процесса производства спирта .

Биоэтанол можно по-разному применять в двигателях внутреннего сгорания :

Водный этанол (95% объема) содержит воду. Его можно использовать вместо бензина в машинах с модифицированными двигателями .

ЭТБЭ ( этилтретбутиловый эфир) - топливная присадка, получаемая из биоэтанола .

Средние расходные показатели

Все приведенные цифры - типовые и зависят от конфигурации завода и оборудования .

Биотопливо относится к альтернативным источникам энергии. Впрочем, к подобным источникам относят любые, которые не являются производными от классических ископаемых углеводородов – природного газа и нефти. Фактически даже древесина, которую человечество использует столетиями для получения тепловой энергии, по этой классификации является альтернативным вариантом.

Альтернативные источники энергии отличаются экологичностью и возобновляемостью, а в некоторых случаях и бесконечностью, как, к примеру, солнечная энергия или энергия движения воздушных масс. Биотопливо относится к возобновляемым и экологически чистым источникам энергии. Оно представляет собой продукт биологического происхождения, твердый, жидкий или газообразный. Изготовление и применение биотоплива на базе собственного хозяйства позволяет получить автономию от покупных энергетических источников, а заодно и решить проблему утилизации разнообразных органических отходов, начиная от содержимого выгребной ямы и заканчивая сорняками, удаленными с грядок.

В использовании биологического топлива есть свои минусы и одним из них является высокая стоимость, которую требует производство биотоплива. При решении организовать получение энергии из биосырья, необходимо просчитать, сколько средств уйдет на строительство завода по производству топлива, сколько будет стоить оборудование, сколько можно будет иметь прибыли, и какова будет экономия потребителей при использовании биотоплива. Практика показывает, что завод, выпускающий биотопливо, довольно рентабелен, если налажен сбыт продукции потребителям.

Производство топливных гранул (пеллет)

Пеллеты, топливные гранулы, как и топливные брикеты, производятся из опилок, других древесных отходов, шелухи подсолнечника, соломы. Растительная масса помещается в биоустановки, то есть емкости, где происходит измельчение. Получается практически мука из отходов растительного производства. Эта масса поступает в сушилку, где выпаривается жидкость. Именно этот процесс подготавливает массу к качественной прессовке.

В прессе-грануляторе при сжатии растительной муки повышается температура массы. В растительных частицах содержится лигнин, по составу схожий со смолой. Он растапливается и склеивает высушенные частички растений, получаются гранулы того размера, который задан при настройке оборудования.

Для гранулирования используют специальные пресс-формы, так называемые кольцевые штампы. Они вращаются с помощью роторных вальцов, и при вращении растительная масса поступает в круглые отверстия пресс-формы, то есть в фильеры. Схема аппарата напоминает обычную мясорубку с ножом, который снаружи срезает цилиндрики гранул.

Это простое описание технологии, которое завершается охлаждением и упаковкой. Объем одной упаковки минимум 2 кг, но каждый завод, как правило, продает гранулы и врассыпную, это удобно покупателям – промышленным предприятиям.

Производство топливных брикетов

Технология изготовления топливных брикетов во многом напоминает производство пеллет. Различие в форме готового продукта. Отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства также мелко рубятся и при высоком давлении прессуются.

Некоторые виды сырья для производства брикетов необходимо нагревать до очень высокой температуры – до 350 градусов. В древесном сырье очень много лигнина, поэтому прессование идет отлично. При использовании однолетних растений лигнина не хватает, поэтому производство топливных брикетов из соломы идет с добавлением связующих веществ.

При высокой температуре больше всего оплавляется поверхность брикетов, что делает их прочными. Это очень важно, так как транспортировка может существенно травмировать биотопливо.

Цилиндрические брикеты получают с помощью ударных механизмов, длина производимых брикетов может быть бесконечна, нарезка на куски производится по желанию. Различают цельные брикеты и брикеты с отверстием внутри. Плотность прессовки очень высока, близка к каменному углю. Объем произведенного брикета в 10 раз меньше, чем объем первоначального сырья, взятого для производства.

Производство биогаза

Биогаз, как биотопливо, очень ценный продукт, который существенно удешевляет обычное топливо и делает его экологически более безопасным и чистым. Процесс производства биогаза – это создание условий, в которых без доступа воздуха идет разложение биологических отходов при помощи биобактерий.

Производство биотоплива — биогаза требует специального устройства. Первый этап – измельчение сырья. Определенное количество соломы, шелухи, опилок и пр. поступает в реактор, то есть резервуар, в котором оно нагревается. К этому резервуару идет специальный загрузчик, иногда используется насосная установка. Все оборудование серьезно утеплено для сохранения температуры внутри. Измельчение и периодическое перемешивание осуществляется вмонтированными миксерами. Изготавливается установка из железобетона, иногда используется сталь со специальным устойчивым покрытием.

Внутри реактора создается питательная для бактерий среда, то есть туда помещаются растительные отходы производства. А вырабатывают бактерии биогаз. Итак, для производства биологического газа требуется растительное сырье, тепло (до +38 градусов), и перемешивание миксером. Образующийся газ поступает в газгольдер, там он очищается и затем транспортируется к котлу потребителя или на электрогенератор. Доступ воздуха в реактор перекрыт, поэтому никакой опасности взрыва не существует.

Описание технологии с использованием птичьего помета или навоза несколько отличается, оно включает дополнительную фазу фильтрации.

Производство биоэтанола

Промышленная технология получения биоэтанола предполагает переработку растительного сырья, которое очень похоже на производство обычного спирта. Первая стадия процесса – подготовка сырья, его измельчение. Главное условие для гарантии успешного получения биоэтанола – высокое содержание крахмалов в сырье. Именно поэтому для биоэтанола лучше всего подходят злаковые культуры. После измельчения сырье подвергается ферментации, то есть крахмалы расщепляются при взаимодействии с дрожжами. Получается спирт, в отходы идут сивушные масла и барда. Последняя используется в изготовлении кормов.

Качество производства биоэтанола и сходного с ним биобутанола постепенно повышается, так как ученые выводят все новые виды бактерий, которые улучшают и удешевляют процесс производства. Преимущество такого биотоплива – легкость хранения, не требуется специальное оборудование для транспортировки, так как биоэтанол не смешивается с водой.

Производство биодизеля

Мини-завод по производству биодизеля

Биодизель производится также из растительного сырья при помощи реакции переэтерификации. Растительное масло или жир под воздействием катализатора превращается в эфир метила. Производство биодизеля предполагает использование масел рапса, сои и некоторых других растений. Основная задача технологов в этом процессе – правильно подобрать катализатор. Тогда реакция идет быстрее и на выходе получается качественный биодизель. На данный момент уже освоена технология получения биодизеля не только из соломы, но и из древесного сырья, из опилок и щепы.

На крупных заводах применяется самая современная технология производства биодизеля, в корне отличающаяся от домашних способов. Вместо устаревших рекуперации и мойки топлива водой применяется струйная гидродинамическая кавитация, ультразвуковая, высокочастотная и полностью управляемая. Современные установки могут производить до 16 тысяч литров биотоплива в час! Гидродинамическая кавитация в прошлом служила только военным, и теперь нашла свое мирное применение в производстве биодизеля.

В отдельный вид биотоплива на сегодняшний день выделяется дизель из водорослей, то есть топливо третьего поколения. Для производства используют биоустановки — биореакторы, в которые в качестве питательной среды помещается двуокись углерода. Особый вид водорослей богат маслами, из которых и производится биотопливо.

Биоэтанол (англ. Ethanol fuel) — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Биоэтанол относят к биотопливу первого поколения, и производят из биомассы, такой как кукуруза, сахарный тростник или пшеница.

Биоэтанол является формой возобновляемой энергии, которая может быть получена из сельскохозяйственного сырья. Существует множество споров о том, насколько эффективен биоэтанол в качестве замены бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны, в первую очередь, с повышением цен на продовольствие из-за потребности в большом количестве пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, а также объемов загрязнения при производстве биоэтанола, особенно из кукурузы.

Содержание

Производство

Технология производства биоэтанола

Основными этапами промышленного производства биоэтанола являются: микробная (дрожжевая) ферментация сахаров, дистилляция, дегидратация и денатурирование. Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, до сахаров. Ферменты используются для превращения крахмала в сахар.

Ферментация

Этанол производится путем микробной ферментации сахара. Микробная ферментация в настоящее время работает только с сахарами. Два основных компонента растений — крахмал и целлюлоза — сделаны из сахаров - и могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время только сахар (например, сахарного тростника) и крахмал (например, кукурузы) могут быть экономически эффективны преобразованы в биотопливо.

Дистилляция

Чтобы этанол можно было использовать в качестве топлива, необходимо удалить твердые вещества дрожжей и большую часть воды. После брожения сусла нагревают так, что этанол испаряется. Этот процесс, известный как дистилляция, отделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропной смеси вода-этанол. Эта смесь называется водным этанолом и может использоваться в качестве топлива в отдельности, но в отличие от безводного этанола, такой этанол не смешивается с бензином во всех соотношениях, поэтому фракция воды обычно удаляется при дальнейшей обработке для сжигания в сочетании с бензином в бензиновых двигателях.

Дегидратация

Существует три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанол-вода. Первый процесс, используемый на многих ранних заводах по производству топливного этанола, называется азеотропной перегонкой и состоит в добавлении в смесь бензола или циклогексана. Когда эти компоненты добавляются в смесь, она образует гетерогенную азеотропную смесь, которая при перегонке образует безводный этанол в нижней части колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана/бензола.

Другой метод, называемый экстрактивной дистилляцией, состоит в добавлении тройного компонента, который увеличивает относительную летучесть этанола. Когда тройная смесь перегоняется, в верхнем потоке колонны образуется безводный этанол.

Поскольку все большее внимание уделяется экономии энергии, было предложено много способов, которые полностью исключают перегонку для дегидратации. Из этих способов появился третий метод, который был принят большинством современных заводов по производству биоэтанола. Этот новый процесс использует молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой шариков молекулярного сита. Поры гранулы имеют размеры, позволяющие адсорбировать воду, исключая этанол. Через некоторое время слой регенерируют в вакууме или в потоке инертной атмосферы для удаления адсорбированной воды.

Важно отметить, что биоэтанол гигроскопичен, то есть он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку поглощенная вода разбавляет топливную ценность этанола и может вызвать разделение фаз смесей этанол-бензин (что приводит к остановке двигателя), ёмкости с этанольным топливом должны быть плотно закрыты. Эта высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может эффективно транспортироваться по современным трубопроводам, как например нефть и бензин.

Сырьё для производства биоэтанола

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы и сахарного тростника.

Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок [1] , картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Читайте также: