Как получают биотопливо и зачем оно нам нужно?

0

 

 

Автор: профессор, доктор химических наук Михаил Иоелович, Израиль.

 

Как известно, в настоящее время свыше 80% энергии человечество получает путем сжигания ископаемых топлив – угля,  природного газа и различных видов жидких топлив, получаемых из нефти: бензина, керосина, дизельного топлива, мазута и др.  К сожалению ископаемые виды топлив не возобновляются в природе и их известные источники постепенно истощаются.

Вследствие этого в последние годы с целью уменьшения расхода ископаемых топлив и сохранения устойчивого развития цивилизации все большее внимание уделяется альтернативным источникам энергии – солнечным, ветровым, биологическим и др., которые в отличие от ископаемых источников являются возобновляемыми.

Биологическое источник –  биомасса растений, непрерывно возобновляется и накапливается  в природе.  Установлено, что благодаря фотосинтезу с поглощением углекислого газа и воды и выделением кислорода, масса растений увеличивается ежегодно приблизительно на 200 млрд тонн. В настоящее время используется лишь незначительная часть биомассы растений,  менее чем 1 млрд тонн.  Особенно важно, что биомасса растений является возобновляемым сырьем для производства жидких видов биотоплив – этанола и биодизельного топлива, использование которых позволяет экономить ископаемые виды жидких топлив, замедлить истощение нефтяных природных ресурсов, а также сократить выбросы парниковых газов в атмосферу.

Строение растительной биомассы

Основными полимерными компонентами биомассы являются целлюлоза, другие полисахариды (гемицеллюлозы, крахмал, пектин и др.) и ароматическое высокомолекулярное соединение — лигнин. Например, содержание целлюлозы в волокнах льна, рами, пеньки, ждута и других лубяных растений составляет 65-80%, в древесине 45-50%, в багассе сахарного тростника и стеблях кукурузы 35-40%, а в соломе злаков 30-35%.

Целлюлоза представляет собой линейный, стереорегулярный, полукристаллический природный полисахарид, макромолекулы которого состоят из звеньев D-глюкопиранозы, имеющих конформацию «кресла», соединенных друг с другом химическими 1,4-β-гликозидными связями по типу «голова-хвост». Число звеньев в цепи или степень полимеризации (СП) природной целлюлозы может достигать 20000-30000. Но при выделении и отбелке СП целлюлозы снижается. Типичное значение СП выделенной древесной целлюлозы 800-1200. В процессе биосинтеза сегменты макромолекулярных цепей целлюлозы кристаллизуются и образуют длинные и тонкие элементарные фибриллы диаметром 3-5 нанометров. В свою очередь, элементарные фибриллы связываются друг с другом локальными кристаллическими контактами с образованием фибриллярных пучков, называемых микрофибриллами, схематично изображенных на рис.1

Рис. 1. Модель микрофибриллы целлюлозы

Рис. 1. Модель микрофибриллы целлюлозы

Микрофибриллярная структура целлюллозы имеет следующие характерные особенности:

  • Элементарные фибриллы целлюлозы и их пучки (микрофибриллы) состоят из кристаллических областей (Cr) с трехмерным порядком и малоупорядоченных некристаллических (аморфных) областей (A), статистически редующихся вдоль фибрилл.
  • Размеры кристаллических и некристаллических областей непостоянны и распределены в некотором интервале значений.
  • Кристаллические области недоступны для ферментов и большинства реагентов, типичных органических растворителей, воды и других полярных жидкостей.
  • В отличие от кристаллических, аморфные области представляют собой слабые участки фибрилл и обладают повышенной доступностью и реакционной способностью для ферментов и реагентов.
  • Макромолекулы проходят через несколько кристаллических и некристаллических областей, связывая их проходными цепями и обеспечивая повышенные механические свойства фибрилл в продольном направлении.

Получение этанола из биомассы

Для получения этанола используется в основном лишь целлюлозный компонент биомассы.  Вследствие этого очищенную и измельченную биомассу подвергают предварительной обработке разными методами – разбавленными растворами кислот, щелочей, окислителей и других реагентов, в одну или две стадии при разных условиях. Целью предобработки является удаление нецеллюлозных компонентов, повышение содержание целлюлозы и увеличение ее доступность для ферментов. После этого целлюлоза предобработанной биомассы гидролизуется ферментным комплексом, называемым целлюлазой, который содержит три основных типа ферментов: (1) эндо-глюканазу (EndoGlu); (2) экзо-глюканазу (ExoGlu) и (3) бета-глюкозидазу (BetaG).

Рис. 2. Схема энзиматического гидролиза целлюлозы

Рис. 2. Схема энзиматического гидролиза целлюлозы

Процесс энзиматического гидролиза целлюлозы можно схематично представиль следующим образом. На первой стадии процесса (Рис. 2, 1) специальный домен эндо-глюканазы, CBD, прикрепляется к поверхности микрофибриллы вблизи доступного аморфного участка (AУ), после чего каталитический домен, CD, эндо-глюканазы сближается с цепями в АУ на поверхности микрофибриллы и вызывает их гидролитическое расщепление.

На второй стадии процесса гидролиза ( Рис. 2, 2) начинает действовать фермент экзо-глюканаза (ExoGlu), который катализирует гидролитическое отщепление олигомерных фрагментов от концов цепей, отделенных от поверхности микрофибриллы на первой стадии в результате воздействия эндо-глюканазы (EndoGlu). Образующиеся олигомерные фрагменты включают в основном дисахарид – целлюбиозу, а также олигомерные сахара содержащие до четырех звеньев глюкозы.

И, наконец, на третьей стадии процесса (Рис. 2, 3) целлобиоза и другие олигомеры гидролизуются в водном растворе под действием фермента бета-глюкозидазы (BetaG) с образованием мономерного сахара – глюкозы.

Установлено, что с увеличением кристалличности целлюлозы адсорбция фермента эндо-глюканазы уменьшается, а скорость энзиматического гидролиза снижается. При этом кристалличность еще негидролизованной целлюлозы практически не изменяется, что и следовало ожидать, поскольку структурные изменения под действием этого фермента происходят в поверхностых слоях микрофибрилл, отделяющихся и гидролизующихся ло глюкозы на последующих стадиях.

В общем, превращение целлюлозы в глюкозу происходит в результатате гидролиза водой, катализируемого ферментным комплексом (F) — целлюлазой, согласно уравнению:

(C6H10O5)n + nH2O + F →  nC6H12O6 — F

Типичные параметры энзиматического гидролиза следующие: доза фермента 10-15 FPU на 1 г предобработанной биомассы (ПОБ), температура 45-50oC, pH 4.5-5.0.  Продолжительность процесса гидролиза обычно составляет 3-4 суток. Для достижения повышенного количества глюкозы предпочтительно использовать концентрацию ПОБ свыше 100 г/л.

Полученный гидролизат, содержащий водный раствор глюкозы, сбраживают в присутствии дрожжей, в результате чего глюкоза превращается в этанол с выделением углекислого газа в соответствии со следущим уравнением реакции:

                                С6Н12О6  →  2 С2H5OH + 2 CO2

Разбавленный раствор дистиллируют для увеличения  концентрации этанола до 95-96%. При необходимости концентрированный этанол дополнительно дегидратируют до 100% путем селективной адсорбии молекул воды цеолитом.

Рис. 3. Общая схема получения биоэтанола из биомассы

Рис. 3. Общая схема получения биоэтанола из биомассы

Таким образом, общая схема процесса получения этанола из биомассы включает следующие основные операции (Рис. 3): предобработку биомассы, энзиматический гидролиз с образованием глюкозы, ферментацию (сбраживание) глюкозы, образование и концентрирование этанола, отделение и утилизацию негидролизованного остатка биомассы, а также очистку и  повторное использование сточных вод, утилизацию растворимых веществ и  регенерацию химикатов.

Преимуществом этанола в качестве топлива является повышенное октановое число (на 15-20 выше, чем для бензина), невысокая температура вспышки (13оС) и низкое выделение тепличных газов при сгорании.

Получение биодизельного топлива из биомассы

Изучение характеристик различных растительных масел показало, что эти масла являются малолетучими и слишком вязкими; температура их  вспышки была слишком высокой, а цетановое число слишком низким. Вследствие этого растительные масла оказались непригодными в качестве дизельного топлива. С целью улучшения характеристик растительных масел были разработаны методы их химической модификации путем переэтерификации спиртами – метанолом или этанолом, в присутствии щелочных или кислотных катализаторов в соответствии со следующей схемой:

Рис. 4. Схема получения биодизельного топлива переэтерефикацией триглицеридов (TGL) растительного масла спиртами

Рис. 4. Схема получения биодизельного топлива переэтерефикацией триглицеридов (TGL) растительного масла спиртами

Согласно этой схеме, триглицериды растительного масла после переэтерификации превращаются в сложные эфиры, которые и используются в качестве биодизельного топлива. Кроме того, в результате этого процесса образуется побочный продукт — технический глицерин, который может найти широкое применение в различных областях.

Исследования показали, что сложные эфиры полученные переэтерификацией растительных масел спиртами имеют характеристики, соответствующие стандартам для дизельного топлива – повышенную теплотворую способность (ок. 37 МДж/кг), пониженную вязкость (6-7 мм2/с), умеренную температуру вспышки (150-170оС) и высокое цетановое число (51).  Кроме того биодизельное топливо не содержит вредной примеси серы и имеет хорошие смазочные свойства, что продлевает срок жизни двигателя.

Однако расширенное производство биодизельного топлива из растительных масел создает проблему вследствие конкуренции с пищевой промышленностью и может привести к дефициту и увеличению стоимости этих масел. Чтобы решить эту проблему и производить биодизельное топливо без конкуренции с пищевой промышленностью, было предложено использовать для извлечения масел технические масляничные растения такие как конопля, клещевина, лен, хемп, рыжик, сафлор, ятрофа, тунг и другие. Перспективным сырьем для производства биодизеля могут являться отходы масляничных культур – жмых оливок и других плодов, содержащих остаточное масло, а также отход целлюлозного производства – талловое масло. Разрабатываются перспективные технологии извлечения липидов из водоростей для их использования в производстве биодизельного топлива.

В настоящее время объемы производства такого биотоплива в США составляет около 8000 млн. л, а в странах Европы превышает 10000 млн. л.

 Использование биотоплив

В США и Европейских странах биоэтанол добавляют в бензин в количестве от 10 до 25% и используют это смешанное топливо в качестве горючего для двигателей транспортных средств. Исключение составляет Бразилия, где разрешено заправлять легковые автомобили, мотоциклы и мотороллеры с модифицированными двигателями 100% этанолом.

Биодизельное топливо добавляют в обычное дизельное топливо  в количестве от 5 до 20% и используют смешанное топливо в дизельных двигателях без их модификации.

Добавки биотоплив к обычным моторным топливам позволяет экономить невозобновляемые ископаемые энергетические ресурсы и улучшить экологическое состояние атмосферы.

Справка редакции:

Биотопливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо
Иллюстрация: StroyDay.ru

 

Поделиться.

Об авторе

Михаил Иоелович

Профессор, доктор химических наук, член редколлегии журнала

Прокомментировать

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.