Види біопалива та їх характеристика

Остапенко Олесі Вікторівни

^{(прізвище, ім'я, по батькові студента в родовому відмінку)}

1. 1. Тема роботи Біотехнологія палива.

2. Строк здачі студентом закінченої роботи: „_14____”___лютого__2014р.

3. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, які підлягають розробці:

1) Біотехнології перетворення сонячної енергії.

2) Виробництво біогазу.

 

Календарний план

№ пор.	Назва етапу	Термін виконання	Відмітка про виконання
1.	Видача теми курсової роботи	08.01.2014
2.	Опрацювання і пошук літератури	10.01.2014 – 12.01.2014
3.	Написання основної частини	12.01.2014 – 14.01.2014
4.	Пошук схем	14.01.2014 – 15.01.2014
5.	Редагування та доповнення пояснювальної записки	15.01.2014 – 16.01.2014
6.	Захист курсової роботи	17.01.2014

 

Дата видачі завдання: “_8_“ січня 2014 р.

 

Керівник курсової роботи (проекту) _____________

^{(підпис керівника) (П.І.Б.)}

 

Завдання прийняв до виконання ________________ ^{(підпис студента) (П.І.Б.)}

 

Зміст

 

Вступ…………………………………………………………………………………5

1.Види біопалива та їх характеристика……………………………………………6

2.Біотехнологія біопалива:…………………………………………………………10

2.1.Біотехнології перетворення сонячної енергії…………………………..10

2.2.Виробництво біогазу……………………………………………………..12

3. Роль біотехнології у добуванні нафти………………………………....………..15

4. Біодобрива……………………………………………………………….……......15

5.Виробництво біоетанолу………………………………………………………….16

5.1.Виробництво спирту етилового технічного з нехарчової сировини………………………………..……………………………………..16

5.2. Виробництво спирту етилового технічного з вуглуводовмісної сировини............................................................................................................20

5.3.Техніко-технологічні особливості виробництва біоетанолу з вуглеводовмісної сировини та енергетична оцінка його виробництва…...22

Висновок……………………………………………………………………………..29

Список використаної літератури…………………………………………………...30

Додатки………………………………………………………………………………31

 

Вступ

Біопа́ливо або біологічне паливо — (англ. biofuels) — органічні матеріали, такі як деревина, відходи та спирти, що використовуються для виробництва енергії. Це — поновлюване джерело енергії, на відміну від інших природних ресурсів, таких як нафта, вугілля і ядерне паливо. Офіційне визначення біопалива — будь-яке паливо мінімум з 80 % вмістом (за об'ємом) матеріалів, отриманих від живих організмів, зібраних в межах десяти років перед виробництвом.

Подібно до вугілля і нафти, біомаса — форма збереженої сонячної енергії. Енергія сонця «захоплюється» через процес фотосинтезу при рості рослин. Одна перевага біологічного палива в порівнянні з іншими типами палива — те, що воно повністю розкладається мікроорганізмами, і тому відносно безневинне для навколишнього середовища.

Сільськогосподарська продукція, яку вирощують для використання як біопаливо, включає кукурудзу і сою (перш за все в США), льон та ріпак (перш за все в Європі), цукровий очерет в Бразилії і пальмова олія в Південно-східній Азії. Розкладена мікроорганізмами продукція промисловості, сільського господарства, лісоводства та побутові відходи також можуть використовуватися для отримання біоенергії, наприклад солому, лісоматеріал, добриво, рисове лушпиння, стічні води і залишки продуктів харчування. Ці продукти перетворюються на біогаз через анаеробне травлення. Біомаса, що використовується як паливо також часто складається з недовикористовуваної продукції, такої як солом'яного і відходи тваринництва.

 

Види біопалива та їх характеристика

 

Біопаливо ‒ це паливо, яке отримують, як правило, з біологічної сировини, в якості якої використовують стебла цукрової тростини або насіння ріпаку, кукурудзи, сої. Можуть також використовуватися целюлоза і різні типи органічних відходів.

Розрізняють тверде біопаливо (дрова, солома), рідке біопаливо (етанол, метанол, біодизель), і газоподібне біопаливо (біогаз, водень).

Тверде біопаливо

Дрова ‒ найдавніше паливо. Нині для виробництва дров або біомаси вирощують енергетичні ліси, які складаються з швидкозростаючих рослин. Через значне зростання цін на нафту останнім часом населення багатьох країн скорочує споживання нафтового палива і збільшує використання дров. Це призводить до винищення лісів.

Тверді енергоносії біологічного походження (головним чином гній, відходи деревина, торф) брикетують, сушать і спалюють в камінах житлових будинків і топках теплових електростанцій, виробляючи дешеву електрику для побутових і виробничих потреб. Відходи деревини з мінімальним ступенем підготовки до спалювання (тирса, кора, лушпиння, солома тощо) пресують в паливні брикети або в пелети, які мають форму циліндричних або сферичних гранул діаметром 8-23 мм і довжину 10-30 мм.

Рідке біопаливо

Біоетанол ‒ це звичайний етанол, який отримують шляхом переробки рослинної сировини і використовують як біопаливо. Етанол (етиловий спирт) ‒ C₂H₅OH або CH₃-CH₂-OH, другий представник гомологічного ряду одноатомних спиртів, у просторіччі ‒ спирт або алкоголь.
Існує 2 основних способи отримання етанолу ‒ мікробіологічний (спиртове бродіння) і синтетичний (гідратація етилену). Наслідком бродіння є розчин, що містить не більше 15% етанолу, оскільки в більш концентрованих розчинах дріжджі зазвичай гинуть. Отриманий таким чином етанол потребує очищення і концентрування, звичайно шляхом дистиляції. У промислових масштабах етиловий спирт отримують із сировини, що містить целюлозу (деревина, солома), яку попередньо гідролізують. Суміш, що утворилася при цьому, піддають спиртовому бродінню.

Етанол у порівнянні з бензином є менш «енергонасиченим» джерелом енергії. Пробіг машин, що працюють на Е85 (суміш 85% етанолу і 15% бензину; буква «Е» від англійського Ethanol), на одиницю об'єму палива складає близько 75% від пробігу стандартних машин. Звичайні машини не можуть працювати на Е85, хоча двигуни внутрішнього згоряння працюють на Е10. На «справжньому» етанолі можуть працювати лише т. з. «Flex-Fuel» машини. Ці автомобілі можуть працювати на звичайному бензині або на довільній суміші того й іншого.

Серйозним недоліком біоетанолу є те, що при згорянні етанолу у вихлопних газах двигунів з'являються альдегіди (формальдегід і ацетальдегід), які завдають живим організмам не менший збиток, ніж ароматичні вуглеводні.

Біометанол ‒ вид рідкого біопалива на основі метилового (деревного) спирту, одержуваного шляхом сухої перегонки відходів деревини і конверсією метану з біогазу. Виробництво біомаси може здійснюватися шляхом культивування фітопланктону в штучних водоймах, створюваних на морському узбережжі. Вторинні процеси являють собою метанове бродіння біомаси і подальше гідроксилювання метану з отриманням метанолу.

Незважаючи на високе октанове число ‒ більше ніж 100, теплотворна здатність метанолу вдвічі менша, ніж у бензину. Це, а також недостатня летючість чистого спирту, пояснює необхідність змішування метанолу з бензином. Стандартом є біометанол М85 (літера «М» від англ. Methanol), що містить 85% метилового спирту і 15% бензину.

Біометанол М85 не отримав поширення як внаслідок низького енерговмісту, так і через виключну корозійну активність метанолу, яка вимагає застосування спеціальних матеріалів.

З точки зору отримання енергії дана біосистеми має істотні економічні переваги в порівнянні з іншими способами перетворення сонячної енергії.

Біобутанол -C₄H₁₀O ‒ бутиловий спирт. Безбарвна рідина з характерним запахом. Широко використовується у промисловості. Виробництво бутанолу почалося на початку XX століття. У 50-х роках через падіння цін на нафту бутанол почали воробляти з нафтопродуктів.

Бутанол не володіє корозійними властивостями, може передаватися існуючою інфраструктурою. Може, але не обов'язково повинен, змішуватися з традиційним паливом. Енергоємність бутанолу близька до енергоємності бензину. Бутанол може використовуватися в паливних елементах, а також як сировина для виробництва водню.

Сировиною для виробництва біобутанолу можуть бути цукрова тростина, буряк, кукурудза, пшениця, а в майбутньому і целюлоза.

Диметиловий ефір (ДМЕ) ‒ C₂H₆O може вироблятися як з вугілля, природного газу, так і з біомаси. Велика кількість диметилового ефіру виробляється з відходів целюлозно-паперового виробництва. Скраплюється при невеликому тиску.

Диметиловий ефір ‒ екологічно чисте пальне без вмісту сірки, вміст оксидів азоту у вихлопних газах на 90% менший, ніж у бензині. Застосування диметилового ефіру не вимагає спеціальних фільтрів, але необхідна переробка систем живлення (установка газобалонного обладнання, коректування сумішоутворення) та запалювання двигуна. Без переробки можливе застосування на автомобілях з LPG-двигунами при 30% вмісті в паливі.

Біодизель ‒ паливо на основі жирів тваринного, рослинного і мікробного походження, а також продуктів їх етерифікації.

Для отримання біодизельного палива використовуються рослинні або тваринні жири. Сировиною можуть бути рапсове, соєве, пальмове, кокосове масло, або будь-яке інше масло-сирець, а також відходи харчової промисловості. Розробляються технології виробництва біодизеля з водоростей.

Біопаливо другого покоління ‒ паливо, яке отримане різними методами піролізу біомаси, або інші палива, відмінні від метанолу, етанолу, біодизеля.

Швидкий піроліз дозволяє перетворити біомасу на рідину, яку легше і дешевше транспортувати, зберігати і використовувати. З рідини можна зробити автомобільне паливо або паливо для електростанцій.

Газоподібне біопаливо

Біогаз ‒ продукт зброджування органічних відходів (біомаси), що представляє суміш метану і вуглекислого газу. Розкладання біомаси відбувається під впливом бактерій класу метаногенів.

Біотехнологія біопалива

 

Виробництво біогазу

 

Важливим аргументом на користь виробництва і використання біогазу як джерела енергії є необхідність вирішення екологічних проблем, зумовлених утилізацією відходів. Однією з основних тенденцій у розгортанні екологічно безпечного перероблення органічних відходів є розвиток комплексних технологій утилізації біомаси за рахунок метанового зброджування у результаті якого утворюється біогаз. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в енергі. біометану досягає 80 %.

Біогаз (біометан містить 50-80 % метану та 20-50 % діоксину вуглецю. З однієї тонни сухої речовин біомаси шляхом біоконверсії отримують 350-500 м³ біогазу, теплотвірна здатність якого становить 5-8 тис.ккал/ м³.

Найбільш рентабельним є виробництво електроенергії з біогазу (коефіцієнт корисної дії з урахуванням тепла, що утворюється під час виробництва електроенергії, досягає 80-85 %). Зріджений біогаз до 200-250 атм. є придатним паливом для двигунів внутрішнього згоряння (октанове число цього палива – 100-115).

У зв’язку з тим, щ близько 90 % вуглецю біомаси трансформується у вуглець біогазу, метанове бродіння є найбільш ефективним способом очищення стічних вод, а близькість відновлюваних джерел сировини до установок вироблення біогазу підвищують конкурентоспроможність біотехнологій його виробництва і збільшують автономність цього джерела енергії. Усього в світі використовується або розробляється близько 60 різних технологій виробництва біогазу. Найбільш поширений метод – анаеробне зброджування в метантенках або анаеробних колоннах.

Схема метантенка

 

Принципова схема виробництва біогазу передбачає:

1) нагромадження і підготовку біомаси;

2) трансформацію біомаси у біогаз (безпосередньо метанове бродіння);

3) раціональне використання продуктів метанового бродіння (біогазу та органо-мінеральних добрив.

 

Основою біотехнології утилізації біомаси з виробленням біогазу є анаеробне метанове бродіння біомаси з участю метаногенерувальних археїв (метаногенів). Метаногени (метаноутворювальні археї) – найдавніші бактерії. Серед відомих видів метаногенерувальних бактерій знайдено види, які розвиваються за низьких значень окисно-відновного потенціалу середовища; метаногени, життєдіяльність яких перебігає за високих концентрацій солей (галобактерії). Необхідну для забезпечення життєдіяльності енергію метаногени черпають у реакціях, що супроводжуються біосинтезом метану. Субстратами для утворення метану є діоксин вуглецю та водень, ацетат, метанол, метиламіни. Приблизно 70 5 метаногенних перетворень проходять через «ацетатний шлях», 25-30 % - через «водневий шлях». Метаногени входяь до складу домену Archaea, філи - Euryarchaeota. Археї здійснюють ряд біохімічних процесів, що не властиві іншим живим організмам і існують в екстремальних умовах. На підставі цього був зроблений висновок, що археї являють собою самостійний таксон. Нині відкрито понад 25 родів метаногенів, які належать до 10 родин, 5 порядків, 3 класів. Здатність до метаногенезу виявлено тільки в археїв.

Метанове бродіння – багатостадійний процес, у ході якого біополімери біомаси перетворюються багатовидовою мікробною асоціацією у газоподібні продукти. Обов’язковими компонентами асоціації є первинні анаероби гідролітичної мікрофлори (здійснюють гідроліз біополімерів), бродильної мікрофлори (зброджують молекули мономерів), ацетогенної мікрофлори (перетворюють різноманітні продукти бродіння в субстрати метаногенезу) та вторинні анаероби – метаноутворювальні бактерії (метаноутворювальні археї). Варто згадати ще й такі компоненти асоціації, як гомо ацетатні бактерії. Вони використовують для одержання енергії і росту метаногенні субстрати (водень вуглекислотну суміш, форміат, оксид вуглецю, метанол) для утворення кінцевих продуктів – ацетату та бутирату (додаток 1).

 

Біодобрива

 

Крім біогазу при зброджуванні органічних речовин одержують біодобрива. Це екологічно чисті рідкі й тверді добрива (біогумус), позбавлені нітрату, насіння бур’янів, патогенної мікрофлори, яєць гельмінтів, специфічних запахів. Містять у великій кількості біологічно активні речовини, мікро- і мікроелементи. Біогумус є поживним середовищем для грунтотвірних мікроорганізмів, що стимулюють живлення рослин, їх ростові процеси;

у 15-20 разів ефективніший за будь-яке органічне добриво (гній, послід, торф). У разі використання таких добрив урожаї зростають на 40-50%.

 

 

Виробництво біоетанолу

Сировини

Етанол технічний у країнах СНД виробляються різними галузями:

гідролізною, нафтохімічною, харчовою.

Спирт гідролізний (ГОСТ 17299-78) для виробництва каучуку отримують двох категорій. Спирт категорії А – з гідролізних субстратів, категорії Б – з лугів сульфітногідролізного виробництва. Ці спирти практично не очищуються від супутніх домішок. Шляхом азеотропної ректифікації з них отримують біоетанол технічний (СЕТ) абсолютований, який використовують у хімічній промисловості. Нафтохімічна промисловість випускає СЕТ синтетичний категорій А і Б (ТУ 7506008-31-91), ці спирти практично не очищені від основної маси легких домішок.

СЕТ синтетичний (ТУ 38.402-62-117-90) виробляють двох сортів

шляхом гідрування етилену. Ці спирти є частково очищеними від домішок і використовуються як розчинники в біосинтезі, в хімічній промисловості.

Етанол технічний (ТУ 64-11-14-89) виробляють шляхом ацетонобутилового бродіння і використовують як розчинник у лакофарбовій промисловості.

На заводах харчової промисловості СЕТ виробляють з молочної

сировини (ТУ 49757-83).

Поряд із зазначеними вище спиртами як сировина для хімічної промисловості та як екстра-розчинник виробляється спирт технічний гідролізний (ГОСТ 18300-87) високого ступеня очищення.

Сировиною для виробництва гідролізного спирту можуть бути відходи переробки деревини, некондиційна деревина, а також відходи переробки сільськогосподарської сировини – кукурудзяний качан, соняшникове лушпиння, бавовникове лушпиння тощо. Тобто, ті матеріали, які містять в значній кількості поліцукри, перш за все целюлозу та геміцелюлозу.

Унаслідок гідролізу деревини або іншої целюлозовмісної сировини

в присутності органічних кислот отримують так звані гідролізати, склад

яких коливається в широких межах залежно від первинної сировини.

Основними показниками гідролізатів є вміст редукуючих речовин та

масове співвідношення гексоз і пентоз.

На спирт зброджуються тільки гексози, тому найбільш придатними

видами сировини для виробництва спирту є такі, під час гідролізу яких

утворюється максимальна кількість гексоз. Це, передусім, деревина хвойних порід. Менш придатною є деревина листяних порід, кора, кукурудзяний качан і соняшникове лушпиння.принципову технологічну схему комплексної ереробки рослинної сировини, яка передбачає отримання поряд з етиловим метилового спирту, лігніну, будівельного гіпсу, фурфуролу, рідкої вуглекислоти та кормових дріжджів.

Така комплексна переробка пов’язана не тільки з необхідністю підвищення рентабельності виробництва, але й з потребою зниження вмісту органічної частини барди і зменшення тим самим потужності очисних споруд.

Для очищення загальних стічних вод гідролізний завод повинен

мати потужні очисні споруди повної біологічної очистки, які займають

великі площі. За відсутності виробничих кормових дріжджів потужності очисних споруд мають бути збільшені у 3-4 рази. З економічної точки зору, суто гідролізно-спиртові заводи існувати не можуть. Вони повинні мати цехи кормових дріжджів. До складу гідролізного спиртоводріжджового заводу входить цех з виробництва фурфуролу, який утворюється з пентазанів на стадії гідролізу сировини. Конденсати, які містять до 0,2-0,4% фурфуролу, не можуть бути скинуті на очисні споруди й тому повинні звільнюватися від нього

(додаток 2).

Метод комплексної переробки рослинної сировини, який було розглянуто вище, грунтується на практично повному гідролізі поліцукрів. Лігнін при цьому залишається у вигляді нерозчинного осаду. На відміну від наведеного методу, переробка рослинної сировини ялинових порід деревини на сульфітну целюлозу, етиловий спирт, кормові дріжджі передбачає гідроліз тільки поліцукридів геміцелюлоз. Лігнін при цьому переходить у розчинний стан (додаток 3).

 

Целюлоза набула широкого використання у виробництві паперу,

віскозного шовку, кіноплівки тощо. Як реагент для вилучення целюлози використовують сульфітну варочну кислоту при температурі 130-140°С. Ця кислота – водний розчин сірчистого газу, до якого введено СаО. Після закінчення варки розчин, до якого перейшли розчинені речовини, відокремлюють від целюлози й у вигляді сульфітного лугу спрямовують на бродіння. Спирт, який отримано таким способом, має назву сульфітний.

Виробництво гідролізного й сульфітного технічного спиртів та обов’язкової супутньої продукції характеризується великими ресурсо-

та енергетичними витратами.

Енергоємність усього комплексу продукції при виробництві 1 млн.

дал гідролізного спирту в 7,9 раза більша, ніж при виробництві спирту з

меляси, у тому числі власне спирту – в 8,3 раза.

Матеріалоємність за іншими ресурсами вища в 3,5 раза, а cпоживання технологічної води відповідно у 4 рази. Складність технологічного обладнання сульфітно-гідролізного виробництва унеможливлює використання безперервно діючих процесів на більшості виробничих дільниць. Тому за обмеженої потужності завод з виробництва гідролізного спирту є досить

масштабним підприємством, яке насичене великогабаритним хімічним обладнанням.

Етанол технічний можна отримати шляхом органічного синтезу з

ненасиченого вуглеводню нафти – етилену.

Безпосереднє гідрування етилену в етиловий спирт відбувається в

присутності каталізатора, за надлишкового тиску та підвищеної температури.

Для гідрування може бути використана водяна пара або вода.

Найбільш поширеним є парофазний процес, під час якого суміш етилену і водяної пари пропускається крізь твердий каталізатор, а спирт, що утворюється при цьому, вилучається з контактних газів шляхом конденсації:

СН₂ = СН₂ (газ) + Н₂ О (пара) → СН₃ СН₂ ОН (пара).

У разі парофазного процесу значна кількість теплоти витрачається

на випаровування води та перегрів водяних парів.

Для зменшення енергоємності процесу запропоновано другий

варіант гідрування етилену водою в рідинному стані:

СН₂ = СН₂ (газ) + Н₂ О (рідина) → СН₃ СН₂ ОН (рідина).

Як каталізатор цього процесу використовують відновлені окиси

вольфраму, що нанесені на силікагель. Масова частка вольфраму в

каталізаторі становить близько 20%. Процес відбувається за

температури 250-300°С та тиску 30 МПа (1 Мега Паскаль – (одиниця

тиску) дорівнює 10 атмосфер). Етилен і вода надходить у верхню

частину реактора, з нижньої частини якого відбирається розчин спирту

об’ємною часткою 20 відсотків.

Третій варіант процесу прямого гідрування етилену базується на

пропусканні його суміші з водяною парою крізь розбавлену сірчану

кислоту при 300°С та тиску понад 10 МПа. Завдяки високому тиску

етиловий спирт отримують у рідинному стані. З реактора безперервно

відводять частину кислого розчину, з якого відганяють спирт, а кислоту

повертають у виробничий цикл.

При парофазному процесі ступінь конверсії етилену під час гідратації за один прохід крізь каталізатор, а також швидкість цього процесу залежить від активності каталізатора, температури й тиску в реакторі, об’ємної швидкості газів, молярного співвідношення водяної пар та етилену в суміші. Ступінь конверсії етилену за один прохід крізь реактор не перевищує 4-5 відсотків. Підвищення ступеня використання етилену до 95% досягається шляхом багаторазової рециркуляції етилену, що не прореагував.

Другий спосіб отримання етилового спирту гідруванням етилену,

на відміну від прямого гідрування, передбачає проміжне утворення етил сульфатів. При цьому способі можливо використовувати гази з невеликою масовою часткою етилену – 30-40 відсотків. Це дозволяє значно спростити схему попереднього розділення вуглеводнів природного газу. Так, під час розділення продуктів гідролізу етанпропанової фракції етилен можна не відокремлювати від етану, а спрямовувати на гідроліз суміші цих газів.

За цим способом може бути використана база попереднього концентрування, етиленова фракція коксового газу і таке інше. Незважаючи на видиму простоту, виробництво синтетичного етилового спирту є дуже складним хімічним процесом, він передбачає велику кількість складного технологічного обладнання, яке працює при високих тисках і температурах. Для цього виробництва необхідна органічна сировина. Тому в індустріально розвинених країнах значна кількість етилового спирту на технічні потреби виробляється з вуглеводовмісної сільськогосподарської сировини: зерна, меляси, дифузійного соку цукрових заводів. Використання низькоякісної,

дефектної, а в деяких випадках спеціально культивованої сільськогосподарської сировини для виробництва етанолу сприяє більш

стабільному розвитку сільського господарства. Це стосується, насамперед, країн, які мають надлишки сільськогосподарської сировини або потребують стимуляції її виробництва.

 

Вуглеводовмісної сировини

Найбільш розповсюдженою сировиною для виробництва етанолу є

крохмаль і цукровмісна сировина. Крохмалевмісна зернова сировина

використовується для виробництва технічного спирту, головним чином,

у країнах з розвиненим сільським господарством, перш за все – Канаді,

США, Бразилії та інших.

Сировиною для виробництва технічного етанолу є зерно кукурудзи,

пшениці, ячменю. Наведемо принципову технологічну схему виробництва технічного спирту із зернової сировини (додаток 4).

Особливістю цієї технології є низькотемпературне розварювання,

постадійне оцукрення поліцукридами до моноцукрів, використання

концентрованих ферментних сиропів, безперервне бродіння з рециркуляцією відсепарованих дріжджів і повна утилізація післяспиртової барди.

У країнах Європейського Союзу одним із найбільших виробників

етилового спирту є Франція. На спиртових заводах Франції у 1994-1995 рр. було вироблено 713 млн. дал етанолу на різній основі, у тому числі (в млн. дал): синтетичного – 157,4; на базі винограду, плодів та ягід – 145,0 із зерна – 13,2; з цукровмісної сировини – 398,9. На технічні потреби, не враховуючи синтетичний спирт, було використано майже 400,0 млн. дал.

Цукрові буряки у нашій країні є сировиною для виробництва цукру – продукту, вкрай необхідного для підтримки життєдіяльності людського організму. Значення цукрових буряків не обмежується лише виробництвом з них цукру. З продуктів їхньої переробки одержують багато інших продуктів: із меляси – спирт, гліцерин, лимонну кислоту для хімічної, парфумерної і харчової промисловості, дріжджі для хлібопекарської промисловості, із жому –пектиновий клей, що використовується у текстильному виробництві.

Досить цінними є польові відходи цукрових буряків, передусім

гичка.

Як цукровмісну сировину використовують дифузійний сік, клерк-

цукрового виробництва, мелясу. Середня потужність спиртових заводів

15000 дал спирту за добу.

В додатку 5 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%) спиртректифікат або сирець. Для дегідрування використовується азеотропна ректиікація з циклогексаном, а також сучасна технологія зневоднення на молекулярних ситах. Спиртова барда з масовою часткою К ₂ О 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.

Виробництва

 

Етанол виробляється методом зброджування цукрів у безкисневому

середовищі спиртовими дріжджами.

Раніше майже весь етилови й спирт, виготовлений таким шляхом,

використовувався для виробництва алкогольних напоїв, і лише невеликі

обсяги, отримані хімічними методами, застосовувалися у промисловості. За останні 25 років ситуація докорінно змінилася. Нині більше половини виробленого у світі етанолу використовується як добавка до пального для двигунів внутрішнього згоряння і лише 15% – для виготовлення алкогольних напоїв. Етанол із біомаси, що застосовується як паливо, називають паливним етанолом, або біоетанолом (європейський термін). По суті, він є абсолютизованим етиловим спиртом. Світове виробництво етанолу у 1998 р. Становило близько 32 млрд. л, з них 4 млрд. л – харчового етанолу, 8 млрд. л – для хімічної промисловості, 20 млрд. л – паливного. Лише 7% загальної

кількості етанолу було отримано методом хімічного синтезу, а 93% –

дріжджовою ферментацією цукру і зерна. Обсяги виробництва харчового спирту залишаються незмінними від 1975 р., тоді як паливного етанолу – зросли від 2 до 20 млрд. л у 1998 р. і до 51 млн. м 3 у 2006 р.

Україна має обнадійливий прогноз щодо формування ринку біоета-

нолу. Сировиною для паливного етанолу може бути меляса (цукрові буряки), зернові культури, картопля, фрукти, спеціальні технічні культури.

Для збереження природних ресурсів та поліпшення екології наукою пропонується замкнутий цикл споживання і відтворення енергії. Зазначеній вимозі відповідає використання палива на основі біоетанолу, який захопив значну частину світового ринку енергоносіїв і щороку набуває дедалі більшої значущості. Шляхом спалювання біопалива відбувається природний обмін речовин – вуглекислий газ (СО₂) знову поглинається рослинами.

Органічні сполуки кисню – спирти та ефіри – одні з визнаних компонентів так званого чистого палива. Спирти додають до бензину

безпосередньо або у переробленому в етил-трет-бутиловий ефір (ЕТБЕ) вигляді, чим підвищують ефективність згоряння, знижуючи концентрацію СО ₂ у вихлопних газах. Спиртам властиве більш високе октанове число, ніж вуглеводневим компонентам, що дає змогу зменшити або зовсім відмовитись від таких токсичних складників палива, як оксиди свинцю та ароматичні вуглеводні. Цей напрям виробництва рідкого біопалива інтенсивно розвивається в багатьох країнах.

Біоетанол є етиловим спиртом (хімічна формула С ₂ Н ₅ ОН), що

утворюється під впливом ферментів у біополімерах. Біополімери – цезагальна назва макромолекулярних сполук, що існують у живій природі (білки та полісахариди). Ферменти є природними речовинами, що виконують роль каталізаторів (біокаталізаторів) і виробляються дріжджами. Синтетичний етиловий спирт можна отримувати також за допомогою каталітичної гідратації етилену.

Під час виробництва біоетанолу, як зазначалося вище, використовуються такі компоненти 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 – крохмаль, целюлоза і геміцелюлоза. 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.

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 дм 3)

етанолу, але в дійсності одержують до 75% цієї кількості.

Найбільш розповсюдженим методом виробництва біоетанолу є метод гідролізу полісахаридів до простих цукрів (мальтози – з крохмалю зернових і картоплі, сахарози – з меляси і буряків, а також целюлози з деревини). У меншому масштабі застосовують процеси гідролізу целюлози з геміцелюлози, а також ензиматичний гідроліз целюлози з використанням лігніну як твердого палива для виробництва тепла під час процесу.

Процес спиртової ферментації полягає у перетворенні простих

цукрів (глюкоза, фруктоза) під впливом ферментів в етанол і СО ₂.

Теоретично процес цієї ферментації відбувається таким чином:

С ₂ H ₁₂ O ₆ → 2C ₂ H ₅ OH + 2CO ₂

(180 кг глюкози → 92 кг біоетанолу + 88 кг СО ₂).

У загальному вигляді технологія одержання біоетанолу складається

з двох основних етапів, а саме: виробництва спирту-сирцю та зневод-

нення етанолу.

Технологія виробництва спирту-сирцю передбачає відокремлення

етанолу від домішок методом дистиляції. Отриманий таким чином спирт містить у собі близько 4% об’єму води. Склад цієї суміші змінюється залежно від тиску. Проте методом простої ректифікації неможливо отримати зневоднений етиловий спирт, а саме такий потрібен як домішка до палива. Теоретично зневоднений спирт можна одержувати з використанням БРУ, що працюють під вакуумом, але їх конструювання, а також виробництво дорого коштують. Для зневоднення спирту можна застосовувати вапно, гіпс та інші сполуки, що приєднують воду, проте великі втрати етанолу під час регенерації зневоднюючих засобів унеможливлюють застосування цих методів на практиці. Розроблено способи отримання зневодненого спирту за допомогою молекулярних сит, напівпроникних плівок та інші методи. Спирт етиловий технічний як основа біоетанолу може виготовлятися з нехарчової сировини або

вуглеводовмісної різними галузями: гідролізною, нафтохімічною, харчовою.

Складність технологічного обладнання сульфітно-гідролізного ви-робництва не дозволяє на більшості виробничих дільниць використовувати безперервно діючі процеси. Тому за обмеженої потужності завод з виробництва гідролізного спирту є досить масштабним підприємством, яке насичене еликогабаритним хімічним обладнанням.

Біоетанол технічний можна отримати шляхом органічного синтезу

з ненасиченого вуглеводню нафти – етилену.

Найбільш розповсюдженою сировиною для виробництва етанолу є

крохмаль і цукровмісна сировина.

Технологічний процес виробництва біопалива з кукурудзи умовно можна розділити на два етапи. На першому етапі технологічного процесу зерно кукурудзи очищають від домішок, подрібнюють та помел змішують із водою для приготування замісу. Використовується також фільтрат барди у кількості 30% від об’єму води, що витрачається на цій стадії. Це скорочує об’єм стоків, знижує витрати води і сприяє інтенсифікації процесів приготування дріжджів

та зброджування сусла.

Заміс піддають гідроферментативній обробці з використанням ферментних препаратів. Вони містять термостабільну амілазу, що дає змогу здійснювати процес розварювання крохмалю при t не вищій за 90°С. Така технологія забезпечує зниження тепловитрат на цій стадії на 30-35%. Розроблено також оригінальну технологію ферментації негідролізованого крохмалю змішаною культурою мікроорганізмів. Тут процес оцукрювання та зброджування крохмалю у спирт відбувається одночасно, що дає можливість зменшити витрату комерційних ферментних препаратів на 90% і, відповідно, знизити собівартість біоетанолу.

Для зброджування сусла застосовується новий штам дріжджів, що

має підвищену спиртоутворюючу здатність та осмофільні властивості.

Штам дає змогу накопичувати до 15% об. етилового спирту за нормативного виходу цільового продукту на одиницю сировини.

Процес зброджування сусла безперервний або періодичний з частковим вакуумуванням, що забезпечує підвищення умовної міцності бражки до 18-20% об., зниження об’єму післяспиртової барди на 40% та сприяє збільшенню концентрації сухих речовин у післяспиртовій барді.

Застосування нових ефективних біоцидів запобігає інфікуванню сусла та бражки сторонньою мікрофлорою і поліпшує економічність використання вуглеводнів.

Гарантований показник дозрілої бражки – вміст у ній спирту до 12-13% об.

На другому етапі технологічного процесу здійснюється перегонка

бражки, концентрування і зневоднення біоетанолу.