4.2. Виробництва біоетанолу на мелясі

Меляса – побічний продукт цукрового виробництва (містить близько 80% сухих речовин і 20 % води). Сухі речовини представлені цукрами, безазотистими органічними та азотовмісними мінеральними речовинами. Основний цукор меляси – сахароза. У сухих речовинах її 45-50%. Міститься також 0,1 – 0,5% інвертного цукру (суміші глюкози і фруктози) та 0,5-2% рафінози. Всі інші сухі речовини меляси – нецукри, вони визначають якість мелями як сировини спиртового виробництва..

Рис. 4.1. Схема одержання біоетанолу з крохмалевмісної сировини «вологим» способом.

Рис. 4.2. Схема одержання біоетанолу з крохмалевмісної сировини «сухим» способом

Технологія одержання етилового спирту з меляси заснована на ферментативному зброджуванні цукрів дріжджовими мікроорганізмами і включає наступні основні процеси (рис. 4.3):

- підготовка поживного середовища (мелясного сусла);

- процес ферментації (зброджування сусла);

- перегонка та ректифікація спирту.

На рис 4.4 наведено принципову технологічну схему виробництва етанолу з меляси і клерсу на цукроспиртовому підприємстві Bazancourt de Bethenville (Франція). Це підприємство поряд із звичайним ректифікованим спиртом виробляє дегідратований (99,8%) спирт-ректифікат або сирець. Для дегідрування використовується азеотропна ректифікація з циклогексаном, а також сучасна технологія зневоднення на молекулярних ситах. Спиртова барда з масовою часткою К₂О близько 6% використовується для поливу ланів під цукрові буряки або у вигляді сиропу для відгодівлі великої рогатої худоби.

Барда концентрується в декілька стадій. Спочатку у відділенні попереднього концентрування з 4 до 10%, потім у відділенні остаточного концентрування у три етапи: 10...27%; 27...37%; 37...70% сухих речовин.

Під час концентрування у присутності сірчаної кислоти з барди вилучається сульфат калію. Кристали сульфату калію вилучають на центрифугах. Поряд з дегідратованим технічним спиртом виробляється спирт технічний денатурований.

Етиловий спирт, на відміну від метилового, утворює з водою азетроп. В азеотропному стані концентрація спирту в парі та рідині, з якої утворюється ця пара, збігаються. Для етилового спирту й води це відповідає масовій частці спирту 95,57%. Окремі галузі господарства використовують дегідратований або абсолютований етиловий спирт.

4.3. Алкогольна ферментація гідролізатів деревини

Деревина хвойних і листяних порід містить від 40 до 75% полісахаридів. Розрізняють легко- (геміцелюлози та пектинові речовини) та важкогідролізовані (целюлози з невеликою домішкою геміцелюлоз) полісахариди.

Під час виробництва біоетанолу використовуються такі компоненти рослинної біомаси, як вуглеводи та лігнін. Вуглеводи є формою простих цукрів і полімерів цукрів. Прості цукри, що містяться у біомасі, – це звичайно сахароза і глюкоза, а полімери цукрів – целюлоза, геміцелюлоза і крохмаль. Процесам спиртової ферментації піддаються тільки прості цукри шляхом гідролізу. Гідроліз полягає в розкладанні полімерів цукрів у воді або водних розчинах, як правило, з додаванням кислот.

Рис. 4.3. Схема одержання біоетанолу з меляси

Рис. 4.4. Принципова технологічна схема виробництва етанолу з меляси і клерсу

Невелика ефективність перетворення целюлози та геміцелюлози на цукри пояснюється будовою стінок клітин, в яких лігнін “покриває” ці компоненти й ускладнює доступ ферментів до кристалічної структури целюлози. Ліціни – це макромолекулярні речовини складної структури, що становлять 20...25% маси клітинних стінок рослин, особливо таких матеріалів, як дерево, солома чи міскант. Теоретично на основі гідролізу лігніно-целюлозної біомаси зі 100 кг деревини можна одержати 50 кг глюкози і 25 кг (35 дм³ ) етанолу, але в дійсності одержують до 75% цієї кількості.

Технологія ферментації лігноцелюлози передбачає такі етапи (рис. 4.5):

• попередня обробка (часткове руйнування мікрофібрил целюлози, зменшення ступеня її кристалізації та полімеризації, вилучення геміцелюлози, руйнування комплексу целюлози з лігніном та модифікація структури лігніну, збільшення поверхні, доступної для дії гідролізуючих ферментів);

• делігніфікація (відокремлення лігніну) та частковий гідроліз геміцелюлоз і целюлози (механічне подрібнення рослинної біомаси, обробка перегрітою парою або ж дія кислот чи лугів для делігніфікації);

• ферментативний гідроліз;

• спиртове бродіння (алкогольна ферментація);

• стандартизація паливного біоетанолу.

1. Одержання гідролізатів:

• просочення сировини H₂SO₄;

• нагрівання парою з метою пентозного гідролізу (видалення з реактора повітря й летких речовин) - t = 120...150 °С (пентозний гідроліз) і t=150...190 °С (гексозний гідроліз);

• перколяція - промивання водою (вода екстрагує лігнін, моносахариди і кислоту, які є в порах і капілярах сировини);

• віджим й вивантаження гідролізного лігніну;

• охолодження пентозного гідролізату;

• відділення фурфуролу з конденсату ректифікацією;

• відділення домішок, що не утилізуються мікроорганізмами – продуцентами етилового спирту й кормових дріжджів, або пригнічують їхню життєдіяльність

• продувка повітрям.

2. Збродження гідролізатів:

• спиртове сусло - гідролізат, що надходить на переробку, містить моносахариди (гексози), які зброджуються різними расами дріжджів з отриманням продукту (КР);

• КР, що містить 1-2 % етилового спирту, концентрують ректифікацією з виходом 94-96 % спирту 150-180 л;

• гідролізат, до складу якого входять неутилізовані при спиртовому бродінні пентози і органічні кислоти (барда), скеровують на вирощування кормових дріжджів з виходом до 220 кг/т.

Рис 4.5. Виробництво спирту етилового технічного способом гідролізу рослинної сировини

Схема одержання біоетанолу на рослинних гідролізатах, реалізована на гідролізному заводі ТАВДА (м. Свердловськ, Росія) наведена на рис. 4.6.

Показники технічного етилового спирту, одержаного на основі гідролізатів рослинної сировини наведені у табл. 4.1.

Сучасні підходи до одержання біоетанолу на основі рослинної біомаси:

Одностадійне зброджування лігноцелюлозних субстратів

• найефективнішим способом отримання етанолу з рослинної сировини (лігноцелюлози) вважається одночасний ферментоліз целюлози і геміцелюлози з подальшою ферментацією отримуваних вільних цукрів до етанолу

• пряме зброджування лігноцелюлозних субстратів Zymomonas mobilis -зброджує цукри удвічі швидше, ніж дріжджі. Цей вид бактерій також піддається модифікації генома, що дасть змогу розкладати целюлозу з одночасним зброджуванням цукрів деградації целюлози.

попередня обробка субстратів зводиться до мінімуму.