IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Биотопливо

В настоящее время  перед человечеством стоят три основные проблемы: снижение выбросов парниковых газов в атмосферу, получение альтернативных видов топлива и увеличение плодородия почв. Причем вторая и третья проблемы тесно взаимосвязаны. Так  перспективным  источником  энергии считается биотопливо, для получения которого в настоящее время выращиваются технические культуры, что выводит из оборота сельско-хозяйственные земли и в конечном итоге ведет к удорожанию продуктов питания.

С другой стороны, развитие промышленности приводит к увеличению выбросов  парниковых газов, увеличение концентрации которых в атмосфере ведет к изменению климата, проявлению засухи и в конечном итоге уменьшению урожая.

Все эти явления наблюдаются на фоне увеличения численности населения Земли. Таким образом получается замкнутый круг: наращивание производства - увеличение потребляемой энергии - увеличение выбросов парниковых газов - применение биотоплива - выведение из оборота земель под технические культуры - снижение урожая и рост цен на продукты питания.

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

В настоящее время критики, изучающие развития биотопливной индустрии, заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает производителей сельскохозяйственной продукции сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. Например, при производстве этанола из кормовой кукурузы образуется барда - отход производства этилового спирта. Она используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса получают жмых, используемый для производства комбикорма для скота. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья.

По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд человек.

В Индонезии и Малайзии для создания пальмовых плантаций была вырублена немалая часть тропических лесов. Причиной стала гонка за производством биодизеля - топлива, созданного на основе растительных или животных жиров, в качестве альтернативы дизельному топливу (рапсовое масло в качестве топлива может использоваться в чистом виде).

Невысокая себестоимость и небольшие энергозатраты - то, что нужно для производства альтернативного топлива из полутехнических масличных культур.

С одной стороны, увеличение посевных площадей под технические сорта кукурузы приведет к тому, что будут заняты плодородные земли, пригодные для производства пищевых продуктов. С другой - по оценкам Bank of America Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%. Но потребители, особенно в бедных развивающихся странах, окажутся под двойным ударом, если возрастут цены и на пищевые продукты, и на нефть. Согласно подсчетам Всемирного банка, в 2009-м году 2,7 млрд человек в мире жили менее чем на два доллара США в день, и даже незначительное повышение стоимости основных зерновых культур обернется для них катастрофой.

Таким образом, необходимо искать иные пути получения этанола (биоэтанола).

В настоящее время разработано и успешно применяется несколько технологий получения биотоплива. Основными из них являются следующие:

• производство топлива из отходов сельскохозяйственного производства;
• добавление биологических компонент в традиционные виды топлива;
• химический синтез горючего.

В случае получения биотоплива из отходов сельскохозяйственного производства сырьем служат растительные остатки и навоз. Отходы проходят сушку и нагреваются до температуры 400-500 ^оС. Из выделившихся при такой обработке газообразных фракций получают высококачественное дизельное топливо, лишенное вредных примесей. Полученное дизельное топливо нейтрально по отношению к CO₂, поскольку при сгорании такого топлива выделяется столько же углекислого газа, сколько было поглощено при росте растений. Чистота такой биологической солярки удовлетворяет самым строгим нормам. По оценкам специалистов, сельское хозяйство только лишь европейских стран способно обеспечить до 80% современных потребностей в дизельном топливе.

Для улучшения экологических характеристик топлив, в них добавляют биологические компоненты, такие как рапсовое масло.  Если в дизельное топливо добавить до 30% рапсового масла, то его экологические характеристики значительно улучшаться, а энергетические характеристики практически не изменятся. Важно также, что такое биотопливо можно использовать в традиционных двигателях внутреннего сгорания.

Химический синтез бензинов и дизельных топлив весьма энергоемок. Как правило, сырьем для такого способа получения горючего служит древесина. Изменяя параметры технологического процесса, из древесины можно получить различные виды топлива, от авиационных бензинов до дизельных топлив. Синтетическое топливо обладает хорошими экологическими показателями. При его сгорании не образуется вредных веществ, оно нейтрально относительно CO₂. По причине больших энергозатрат и сложности технологических процессов синтетическое топливо весьма дорого.

В странах Европейского союза благодаря государственной поддержке производство дизельного топлива с биологическими добавками увеличилось более чем в 5 раз и достигло объемов 10 миллионов тонн. Во всем мире производство биотоплива за этот период увеличилось более чем в 2,5 раза.

В качестве биологических добавок используют производные вещества из растительных масел, получаемых из подсолнечника, рапса, сои и других масличных культур. Масла для биотоплива получается путем отжима и экстрагирования с последующим очищением. Теплота сгорания чистых биодобавок к биотопливу приближается к теплоте сгорания самого дизельного топлива.

Примечательно, что в США и Бразилии в качестве сырья для получения биотоплива используется соя, а в Европе более 75% биодизеля получают из рапса. К 2020 году в странах Европейского союза доля биодобавок к дизкльному топливу будет доведена до 20%. США и Китай к этому сроку доведут процент биодобавок до 40%.

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, 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.

Таким образом, в настоящее время слишком много посевных площадей занимают технические сорта сельскохозяйственных растений. Это ведет к увеличению цен на продукты питания. Из таких растений получают биотопливо - этанол. Необходимо найти новые методы получения этанола.

Этанол (этиловый спирт), который обычно называют просто спиртом, образуется при так называемом спиртовом брожении. Многие виды сахаров, а также продукт осахаривания крахмала в присутствии солода расщепляются под действием микроскопически маленьких дрожжевых грибков с образованием спирта и углекислого газа.

Каждый, кто хоть раз видел, как бродит фруктовый сок, наблюдал интенсивное выделение углекислого газа из отводной трубки.  Поскольку спиртовое брожение может происходить самопроизвольно, разбавленный спирт известен людям с древнейшего времени как возбуждающий напиток. О губительных же последствиях пьянства едва ли нужно говорить.

Содержание спирта при брожении растворов сахара и фруктовых соков колеблется в широких пределах. Однако, поскольку при высокой концентрации спирта дрожжевые грибки не могут существовать, путем брожения можно получить не более чем 15%-ный спирт. Более концентрированный спирт получают из разбавленных растворов путем перегонки.

Брожение - бурно идущее разложение органического вещества, вызываемое микроорганизмами, которым этот процесс служит источником кинетической энергии.

При спиртовом брожении простые сахара разлагаются на этиловый спирт, С0₂ и тепловую энергию:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2С0₂ + 28 калорий.

Типичным организмом, вызывающим спиртовое брожение, служат одноклеточные аскомицетные грибы из рода Saccharomyces. Кроме того, спиртовое брожение вызывается также некоторыми мукоровыми грибами и многими бактериями. Все нормально дышащие при доступе воздуха высшие и низшие растения в отсутствие кислорода образуют некоторое количество спирта и С0₂. При спиртовом брожении дрожжей, кроме нормальных продуктов брожения, этилового спирта и С0₂, образуется небольшое количество побочных продуктов, а именно - уксусного альдегида, уксусной кислоты, глицерина, янтарной, яблочной кислоты и так называемых сивушных масел.

Помимо названных выше дрожжей разумно использовать медузомицет (Меdusomyces Gisevi) - симбиоз уксуснокислых бактерий и нескольких видов дрожжей.

В России можно найти отходы производства, содержащие в незначительных количествах сахар (сахаросодержащие отходы). Если попытаться использовать их для получения биотоплива, то возможно увеличение его доли без дополнительных материальных затрат.

Если удастся получать этанол с помощью гриба из отходов, а не из сельскохозяйственных культур, то можно будет добиться уменьшения посевных площадей под технические культуры и удешевления продуктов питания, что в свою очередь приведет к росту экономики.

Биоэтанол

Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

- подготовка и измельчение крахмалистого сырья - зерна (ржи, пшеницы и т.п.)

- ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем - глюкамилаза, амилосубтилин.

- брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушны масла. Барда используется для производства кормов.

Реальной альтернативой этанолу в наши дни становится биобутанол, так как он обладает более высоким энергетическим потенциалом, менее летуч и может использоваться в автомобилях без каких-либо изменений в конструкции их двигателей. Так, гибридное топливо БИО100 представляет собой смесь 65% биоэтанола с добавлением третбутилового эфира. Такое моторное топливо снижает на 1/3 тепловую нагрузку на двигатель, повышая тем самым сроки его эксплуатации.

 В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Биодизель

В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации любого растительного масла, или животного жира, в присутвии катализатора в биодизель (метиловые эфиры жирных кислот). Биодизель получают из рапса и ряда других культур.

В Свердловской области в удаленных городах и селах в качестве топлива возможно использовать месторождения торфа, в том числе заброшенные торфяники.

Специалисты считают, что запасы торфа только в западной части России свыше 600 млн тонн.

Торф является ценным удобрением для нужд сельского хозяйства и топливом для малой энергетики. Торф, выпущенный в брикетах, дешевле угля, экологически чище, имеет большую теплоотдачу.

Но любое углеродное топливо сильно загрязняет окружающую среду как во время его добычи, так и в процессе переработки. Биотопливо хорощо тем, что его возможно получить, не загрязняя окружающую среду. Получение энергии из возобновляемых биологических источников является не только выгодным, но и экологически чистым. Это очень актуально в наше время. Используя биотопливо, мы делаем воду, воздух, почвы чище.

Экспериментальная часть

Была проведена попытка вырастить Чайный гриб - медузомицет (Меdusomyces Gisevi) - на продуктах отходов животноводства.

Положительный опыт производства концентрированного органического удобрения, метана и электроэнергии для нужд фермерского хозяйства был получен в Пермской области на предприятии ООО «ЭнергоРежим» (журнал «Эксперт» 4 - 10 апреля 2011 №13 (460)). Данное предприятие находится на полном самообеспечении. Газом заправляют автотранспорт, используют его в кухонных плитах, для обогрева помещений и теплиц. Трехфазный генератор на 6 кВт вырабатывает электроэнергию и защищает от перебоев с ней.

Мы пытались смешать отходы и гриб в соотношении 1:3. Был замечен процесс выделения газа, но в очень малых количествах. Температура процесса 37ºС.

Мы считаем, что температура была выбрана неудачно, т.к. выделение газа невелико и кратковременно. В настоящее время ведутся исследования в температурном режиме 27 - 28ºС. Пока наблюдается интенсификация процесса: бутылку со смесью за трое суток чуть не разорвало. Сейчас ведутся исследования по подбору оптимальной концентрации.

Метод получения биотоплива из отходов производства виски

Виски - движущая сила шотландской экономики - послужит основой топлива для транспортных средств. На британских АЗС оно появится в течение ближайших лет.

Сотрудники Эдинбургского университета Напьера, взяв за основу изделия завода «Гленкинчи» (Восточный Лотиан), разработали метод получения биотоплива из двух главных побочных продуктов процесса перегонки виски - барды (жидкие отходы) и отходов зерна.

Виски в Великобритании производится на £4 млрд в год. Отходы, чей объём даже страшно представить, - прекрасная основа для рынка нового биотоплива. Тем более что его можно использовать в обычных автомобилях, нисколько не меняя топливную систему. Кроме того, «новый бензин» пригодится и как топливо для самолётов, и как основа для полезных химических веществ - например, ацетона.

Метод переработки основан на изобретённом 100 лет назад способе получения бутанола и ацетона путём ферментации сахара. Просто шотландские учёные применили его к отходам от производства виски. Итоговый бутанол на 30% эффективнее традиционных видов биотоплива на этиловом спирте.

Профессор Мартин Тангни, руководитель проекта, отмечает, что использование отходов - экологически более устойчивый метод, чем выращивание сельскохозяйственных культур специально для превращения их в биотопливо. Его изобретение может внести существенный вклад в достижение цели ЕС: к 2020 году биотопливо должно составлять 10% от общего объёма продаж горючего.

Список литературы

http://alternativenergy.ru/bioenergetika/87-proizvodstvo-biotoplivo-oborudovanie.html

http://biomolecula.ru/content/932

http://www.alterenergy.info/biofuels

http://www.elettracompany.com/node/92

http://www.infobio.ru/tiekhnologhiia-proizvodstva-biotopliva

http://www.inosmi.ru/world/20080205/239373.html

http://www.rg.ru/2010/09/14/toplivo-anons.html

Код для цитирования: Скопировать