Етапи отримання біоетанолу з лігніно-целюлозної сировини

І .Зібраня біомаси.

II. Подрібнення та руйнування лігнінової оболонки, щоб зробити целюлозу доступними для ферментів.

ІІІ. Під дією ферментів мікроорганізмів цукри перетворюються у етанол.

4. Етанол зневоднюють .

Головною рисою сучасних тенденцій розвитку біопалив є використання біобутанолу в якості одного із перспективних видів моторного палива другого покоління.

Біобутанол являє собою спирт вироблений з біомаси (безбарвна рідина з характерним запахом сивушного масла) з чотирма атомами вуглецю ( C4H9OH ). Бутиловий спирт (бутанол ) як і етиловий спирт ( етанол ) може бути отриманий:

• Шляхом переробки цукру чи крохмалю с/г рослинних культур ( біобутанол I покоління) ;

• Шляхом переробки целюлози рослин (біобутанол II покоління) ;

• Шляхом синтезу хімічної сировини (бутанол ) .

Основною причиною , по якій до недавнього часу ніхто не знав про бутанол як про альтернативне паливо, є те, що виробництво цього продукту ніколи не вважалося економічно доцільним. Бутанол використовується в основному як промисловий розчинник, ціна його перевищує приблизно в три рази ціну газу. Традиційний процес ферментації дає з 1 т. зерна тільки 236 л бутанолу, 128 л ацетону. Таке виробництво бутанолу не може конкурувати з технологією виробництва етанолу.

Проте бутанол має більше позитивних властивостей, порівняно з етанолом:

• бутанол може бути змішаний в більш високих пропорціях з бензином і використовуватися в існуючих автомобілях без модифікації.

• бутанол виділяє чистої енергії на робочий цикл більше , ніж етанол або метанол , і приблизно на 10% більше , ніж бензин .

• містить на 25% більше енергії , ніж етанол;

• безпечніший у використанні, оскільки в шість разів менше випаровується, ніж етанол і в 13,5 разів менш летючий, ніж бензин;

• бутанол - набагато менш агресивна речовина, ніж етанол, тому може транспортуватися по існуючих паливним трубопроводах , тоді як етанол повинен транспортуватися лише залізничним або водним транспортом;

• бутанол можна змішувати з бензином в будь-якій пропорції;

• не змішується з водою.

• бутанол може повністю замінювати бензин, тоді як етанол може використовуватися тільки як добавка до бензину з максимальним вмістом в суміші не більше 10% - 15% етанолу ;

• має більш високий вихід енергії ( 10 Вт - ч / г) , ніж етанол ( 8 Вт - ч / г) ;

• при горінні бутанол не виробляє оксидів сірки або азоту , що дає істотну додаткову вигоду з точки зору екології .

Виробництво бутанолу з сільськогосподарських відходів, включає чотири етапи :

1. Первинна обробка, яка розкриває оболонку клітинної структури і видаляє лінгін ;

2. Гідроліз геміцелюлози та целюлози на прості цукри;

3. Ферментація простих цукрів у бутанол , використовуючи анаеробні бактерії;

4. Отримання біобутанолу .

Відмінність технологій біобутанолу, полягає в застосуванні мікроорганізмів та ферментів здатних здійснювати каталітичні перетворення цукрів в біобутанол та супутні продукти.

Основним ферментаційним процесом виробництва бутанолу є АЦЕТОН-БУТИЛОВЕ БРОДІННЯ (АВЕ) на основі використання спеціальних мікроорганізмів з одночасним синтезом ацетону, бутанолу та етанолу з наступним їх розділянням ректифікацією.

Недоліком цього процесу є його велика тривалість (до 50 год.), незначна концентрація бутанолу (до 1,9 % мас), великі капіталовкладення, низька рентабельність виробництва. Основним лімітуючим фактором ферментативної трансформації крохмалю в бутанол є інгібування (сповільнення) мікроорганізмів навіть незначними концентраціями бутанолу. Тому максимальна концентрація бутанолу у ферментаційному середовищі не перевищує 2 % мас.

Виходячи з таких засад, сучасні дослідження й розробки технологій біобутанолу спрямовуються на створення нових мікроорганізмів для ефективної біоконверсії рослинної сировини, розробку багатоступеневих комбінованих технологій, де кожна стадія здійснюється в своїх оптимальних умовах й забезпечує зменшення ефекту гальмування реакцій кінцевими продуктами, використанням біореакторів з насадками для іммобілізації мікроорганізмів з високою щільністю популяції.

До третього покоління біопалив можна віднести біодизельне паливо з біомаси водоростей. Зокрема водорості вважають висок олійною біомасою, отже основним представником біопалива 3-го покоління слід вважати біодизель з біомаси водоростей.

Культивування водоростей може бути організоване на будь яких площах, в т.ч. непридатних для іншого використання. При цьому водорості в результаті фотосинтезу виробляють кисень за рахунок споживання вуглекислого газу, що особливо привабливо для зменшення викидів в атмосферу та запобігання глобальному потеплінню.

Перевага технологій, фотосинтезу є практично нульова вартість сировини і енергетичних ресурсів - це вода, вуглеводний газ (димові гази), живильні речовини (азот, фосфор, калій, мікроелементи), а також сонячне світло. Крім того, за інших рівних умов об'єм води, що використовується для вирощування водоростей у замкнутих біореакторах, зменшується у 20 разів, в порівнянні з вирощуванням зернових культур. Електроенергія витрачається, переважно, для насосів, операцій підігріву, охолодження, збору водоростей та екстракції олії (тригліцеридів) із них.

Оскільки основною сировиною для цієї технології є вуглекислий газ, а виробництво біоетанолу супроводжується утворенням значної кількості вуглекислоти (4-5 кг на 1 дал спирту), то надзвичайно перспективною є інтеграція культивування водоростей і біоустановок в умовах спиртового заводу. Крім того, спиртовий завод споживає значну кількість технічної води для охолодження технологічних процесів, з яких має достатню температуру для культивування водоростей. Таким чином, за допомогою водоростей можливо організувати екологічно чисте виробництво біопалив (біоетанол, біодизель), яке буде привабливим для залучення інвестицій.

Найбільш поширеним видом мікроводоростей, що використовують для промислового вирощування, є штами однокліточних природних водоростей типу Хлорелла, які ростуть, практично, у всіх кліматичних районах, але з різними показниками швидкості росту. Біомаса цих водоростей, в середньому на 50 %, складається з тригліцеридів, на 25 % - з вуглеводів і на 25 % - з білка.

Десять основних переваг водоростей:

1. вони є непродовольчою біомасою, тому їх переробка на біопаливо не являє собою продовольчої загрози для країни;

2. ростуть в 20-30 разів швидше, ніж наземні рослини ( деякі види можуть подвоювати свою масу декілька разів на добу );

3. виробляють в 15-100 разів більше олії з гектара, ніж ріпак, пальмова олія, соя чи ятрофа;

4. відсутність твердої оболонки і практично лігніна, робить їх переробку на рідкі види палива більш технологічно простішою та ефективнішою, ніж переробка будь-якої наземної біомаси;

5. виробництво і використання біопалива не потребує зміни українського законодавства, на відміну від виробництва біоетанолу;

6. можуть вирощуватись в прісних, солоних водоймах, промислових стічних водах, де використовуються для їх очищення;

7. можна вирощувати в промислових масштабах в біореакторах та фотобіореакторах, що будуть освітлюватись штучними джерелами світла, або у відкритих ставках на непридатних для вирощування с/г культур землях, включаючи пустелі;

8. фотобіореактори вмонтовуються в технологічні лінії уже існуючих промислових підприємств ( ТЕЦ, нафтохімічні виробництва, цементні заводи );

9. зменшують емісію С02 ( поглинають до 90 % С02 з виділенням кисню )

10. являються джерелами олій, протеїнів, вуглеводів.

Технологічний процес виробництва моторних палив з водоростей практично безвідходний. Після отримання дизельного палива сухі відходи біомаси водоростей зберігають усі необхідні вітаміни і цінні речовини, тому можуть бути використані, як кормові добавки в рибних господарствах та тваринницьких фермах. Крім того є можливим перетворення відходів в ще один з видів енергоносіїв - паливні брикети.

В результаті при раціональному підході до цього питання виникає практично безвідходне та економічно ефективне виробництво.