10. Біологічні способи виробництва палив з біомаси

Ферментация

Ферментация сахарного раствора является процессом, при котором производится этанол (этиловый спирт). Этанол является высокоэнергетическим жидким топливом, которое может использоваться вместо бензина в автомобилях. Этот вид топлива успешно используется в Бразилии. Пригодным сырьем для производства этанола является сахарная свекла или фрукты. Сахароза может быть получена из овощного крахмала и целлюлозы в процессе пульпирования и варки, а также из целлюлозы после измельчения и обработки горячими кислотами. После ферментации в течение 30 часов раствор содержит 6-10% спирта, который может быть выделен в процессе дистилляции.

Ферментация представляет собой анаэробный биологический процесс, в котором сахар превращается в спирт под воздействием микроорганизмов ( обычно дрожжей). Обычным продуктом является этанол (C2H5OH), а не метанол (CH3OH). Он может использоваться в двигателях внутреннего сгорания: либо непосредственно в специально модифицированных двигателях, либо в качестве добавки к бензину. При этом получается так называемый газохол - бензин, содержащий до 20% этанола.

Ценность конкретного вида биомассы в качестве сырья для ферментации зависит от его способности образовывать сахар. Наилучший из известных источников этанола - сахарный тростник или меласса, остающаяся после выделения тростникового сока. Другие культуры, содержащие углеводороды в виде крахмала (картофель, кукуруза и другие зерновые) требуют дополнительной обработки для получения сахара из крахмала. Этот процесс реализуется при производстве некоторых алкогольных напитков с помощью ферментов, содержащихся в солоде. Даже древесина может быть сырьем. Однако содержащиеся в ней углеводороды (целлюлоза) с трудом разлагаются до сахаров под воздействием кислоты и ферментов, вызывая сложности при практической реализации процесса.

Жидкость, получающаяся в процессе ферментации, содержит около 10% этанола, который нужно выделить с помощью дистилляции для дальнейшего использования. Энергетическое содержание конечного продукта около 30 ГДж/т или 24 ГДж/м3. Процесс требует большого количества тепла, которое обычно получается из растительных отходов (например, жома сахарного тростника или стеблей и початков кукурузы). Потери энергии в процессе ферментации значительны, однако этот недостаток компенсируется удобством использования и транспортировки жидкого топлива, относительно низкой ценой и доступностью технологии.

Анаэробное сбраживание

Природа обладает средством разрушения и удаления отходов, а также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду, то в последствии на поверхности воды можно заметить пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около 200 лет тому назад. Процесс представляет собой разложение органики в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH4) и двуокиси углерода (CO2). Впервые биогаз был исследован и описан Александро Вольта (Alessandro Volta) в 1776 году. Хемфри Деви (Humphery Davy) впервые в начале 1800 года показал, что горючий газ метан содержится в навозе. В дальнейшем были развиты биогазовые технологии, позволяющие получить биогаз из любых биодеградирующих материалов в искусственно созданных условиях.

Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при отсутствии воздуха. Однако в этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Это процесс, происходящий практически во всех биологических материалах и ускоряющийся в теплых и влажных условиях (естественно, при отсутствии воздуха). Часто он имеет место при разложении растений на дне водоемов.

Анаэробное сбраживание также происходит в условиях, создаваемых в процессе человеческой деятельности. Например, биогаз образуется в местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых отходов на свалках и полигонах. В обоих случаях биогаз представляет собой смесь, преимущественно состоящую из метана и двуокиси углерода. Основные отличия заключаются в природе исходного материала, масштабах и темпе образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям для этих источников.

Химия процесса образования биогаза достаточно сложна. Сложная популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем в различные кислоты, из которых в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья.