IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В современном обществе машины и механизмы, работающие на углеводородном топливе, стали неотъемлемой частью жизни человека. Исчерпание запасов полезных ископаемых, а также всё большая нестабильность на рынках нефти и газа вынуждают людей обращаться к альтернативным источникам энергии. Одним из перспективных направлений является разработка биотоплив (топлив на основе биологического сырья), являющихся достойной альтернативой углеводородному топливу. Необходимо сделать крайне важное замечание: биотоплива, так же как и все другие эко-технологии, способны реализовать свой положительный потенциал только в рамках глобальной концепции «устойчивого развития» человечества, предусматривающей, в частности, контроль над демографическими процессами и разумное сдерживание человеческих потребностей, в том числе и транспортных.

Все транспортные биотоплива по используемому сырью, технологиям его производства и использования классифицируют по условным «поколениям».

Первое поколение биотоплив представляет собой этанол и растительное масло, произведённое из пищевого сырья (сахарный тростник, кукуруза, сахарная свёкла и т.п. для этанола и рапс, соя и т.п. для масел) по классическим «пищевым» технологиям. Этанол обычно смешивают с бензином в различных пропорциях и используют в двигателях с воспламенением от искры. Если доля этанола в такой смеси превышает 10%, то двигатель требует определённой модернизации. Растительные масла смешивают с дизельным топливом в различных пропорциях либо непосредственно, либо после преобразования их в метиловые эфиры (биодизельное топливо) в ходе т.н. этерификации и используют в двигателях с воспламенением от сжатия. Опять же, если доля масла (биодизеля) в такой смеси превышает 20%, то двигатель требует определённой модернизации. Несмотря на определённые экологические преимущества, данному поколению присущ ключевой недостаток – конкуренция с пищевыми продуктами. Именно этот недостаток лежит в основе разворачивающейся дискуссии о перспективах использования биотоплив.

Второе поколение биотоплив представляет собой этанол, производимый из биологических отходов, содержащих целлюлозу - стеблей, листьев, шелухи, кожуры, оставляемых после извлечения пищевой части культурных растений, мякоти от прессовки фруктов, древесной стружки и т.п., а также биодизельное топливо, производимое из отходов животных и растительных жиров. Ключевым отличием технологий второго поколения является перенос сырьевой базы с пищевых продуктов на отходы. При соблюдении определённых условий, это позволяет устранить проблему конкуренции с пищевыми продуктами. Однако же именно использование отходов становится основным недостатком технологий второго поколения, поскольку ограничивает их сырьевую базу. Перечисленных видов отходов явно недостаточно для производства сколь-нибудь значимой доли транспортных топлив.

Третье поколение биотоплив представляет собой этанол и биодизель, производимые из биологического сырья, специально выращиваемого на неиспользуемых в сельском хозяйстве территориях – водорослей или другого вида быстрорастущей биомассы. Таким образом, технологии третьего поколения направлены на комплексное решение проблем конкуренции с пищевыми продуктами и недостаточной сырьевой базы. Технологии третьего поколения можно реализовать в рамках создания искусственных высокоэффективных экосистем, утилизирующих солнечную энергию и производящих широкий спектр полезной продукции. Остаётся, пожалуй, единственное неудобство, связанное с упоминавшейся ранее необходимостью модернизации двигателей и топливозаправочной инфраструктуры для широкого использования этанола и биодизеля.

Четвёртое поколение биотоплив представляет собой синтетические аналоги бензина и дизельного топлива, производимые по технологиям, аналогичным технологиям третьего поколения биотоплив. Эти технологии устраняют необходимость модернизации двигателей автомобилей и топливозаправочной инфраструктуры. Таким образом, четвёртое поколение биотоплив будет реализовывать все экологические преимущества этих топлив при минимизации их недостатков.

В данной статье рассматриваются технологии по изготовлению биоэтанола из древесных отходов, т.е. технологии второго поколения.

Для производства биоэтанола из древесных отходов целлюлозную биомассу необходимо предварительно подготовить. Целлюлозная биомасса состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Предварительная подготовка подразумевает нарушение структурной целостности целлюлозы и гемицеллюлозы, удаление лигнина. Наиболее эффективным, но дорогим и энергоёмким способом предварительной подготовки целлюлозного сырья является его размол.

Среди методов производства этанола из целлюлозы выделяют два основных варианта переработки, позволяющих получить пригодные для брожения простые сахара: химический и ферментативный гидролиз.

Химический гидролиз – обработка целлюлозной биомассы с помощью органических растворителей (кислоты, щелочи). Существует несколько наиболее часто используемых процессов химического гидролиза – с разбавленной серной (H₂SO₄) и концентрированной соляной кислотой (HCl).

Гидролиз разбавленной кислотой ведется в непрерывном потоке при использовании разбавленной (до 1%) серной кислоты при температуре до 215^°C. Весь процесс занимает около 2 часов. Лигнин не поддаётся химическому гидролизу, поэтому он по окончанию процесса удаляется. Недостатком этого метода является значительная потеря моносахаридов вследствие их разложения. В то же время технология гидролиза разбавленными кислотами проще, чем гидролиза концентрированной кислотой, что обусловливает широкое применение первого метода.

Гидролиз концентрированной кислотой использует сравнительно мягкие температурные режимы и давления. Он позволяет минимизировать потери сахаров и восстанавливать кислоту для повторного использования. Этот метод значительнее эффективнее гидролиза разбавленной кислотой, однако, требует больших капиталовложений за счёт большого объёма кислых отходов, а также предварительной подготовки растительного сырья (сушка). Далее, по окончанию химического гидролиза, полученный раствор перед подачей на брожение нейтрализуют.

Ферментативный гидролиз – получение моносахаров под воздействием ферментов. В основе биологической деградации лигноцеллюлозы лежит действие целлюлолитических ферментов (целлюлаза). Действие целлюлолитического комплекса ферментов осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит разрушение надмолекулярной структуры полисахарида, осуществляемое сложными физико-химическими взаимодействиями, важная роль в которых отводится адсорбции ферментов на целлюлозе. Второй этап включает стадии химических превращений частично деструктурированной целлюлозы, обеспечивающие её распад до низкомолекулярных продуктов. Этот механизм сложнее химического гидролиза, однако, позволяет избежать ненужного количества отходов и побочных продуктов.

После гидролиза осахарённый материал подаётся на брожение, осуществляемое в специальных чанах, предназначенных для сусла. В него добавляют дрожжи, перерабатывающие образованные сахара в спирт, точнее, в брагу, содержащую примерно 15% спирта:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH+ 2CO₂ + тепло.

Для выделения этанола из браги используется её ректификация. Спирт-ректификат представляет собой азеотропную смесь 96,5% этанола и 3,5% воды по объёму (95,6% этанола и 4,4% воды по массе).

Для получения абсолютного этанола, наиболее пригодного для смешивания с бензином, спирт-ректификат обезвоживают. На современных заводах для обезвоживания спирта-ректификата используют молекулярные сита, абсорбирующие воду.

Производство транспортных биотоплив второго поколения не лишено своих проблем и недостатков. Оно подразумевает использование новых технологий, капиталоёмкое производство и комплексное использование побочных продуктов. Однако при правильной организации всего жизненного цикла производства биотоплив, они способны занять достойное место в современном мире.

Список литературы

1. Кирюшин П. Биоэтанол в России: возможности решения национальных стратегических задач // Международная биоэнергетика. – 2008. – С. 20-22.

2. Madson P.W., Monceaux D.A. Fuel ethanol production. KATZEN International, Inc., Cincinnati, Ohio, USA. – URL: http://www.bioethanol.ru/images/bioethanol/ Fuel%20ethanol%20production%20-%20Katzen.pdf (дата обращения – 22.01.2017).

Код для цитирования: Скопировать