Получение биотоплива из растительного сырья

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ КУРСОВАЯ РАБОТА на тему:

ПОЛУЧЕНИЕ БИОТОПЛИВА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ВЫПОЛНИЛ: СТ. ГР. ТБ-09−01

Л.Ф.САХИБГАРАЕВА ПРОВЕРИЛ: СТ. ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Л.М. СУЛТАНОВА УФА 2012

Содержание

1. Биоэтанол

1.1 Сырьё для производства биоэтанола

2. Методы производства биоэтанола

2.1 Брожение

2.2 Промышленное производство спирта из биологического сырья

2.3 Гидролизное производство

3. Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

4. Биобутанол

4.1 Применение биобутанола

4.2 Сырье для производства биобутанола

5. Сравнительная характеристика биоэтанола и биобутанола

5.1 Преимущества использования биоэтанола и биобутанола для сельского хозяйства Заключение Список использованной литературы

Введение

Исследователями были произведены расчёты, что каким бы огромным не казался запас полезных ископаемых, он исчерпаем даже в России. Используя известные на сегодняшний день разработки нефти, мы сможем протянуть лишь до 2040 года. Расход топлива, как известно, не имеет тенденции к снижению, а лишь возрастает. К этому можно добавить, что экологическое положение в стране требует к себе уже не просто внимания, а самого пристального внимания. Финансовое положение аграрного сектора страны оставляет желать лучшего. А так как основой биотоплива является продукт растительного происхождения, то его производство (выращивание) послужит хорошим стимулом для развития сельского хозяйства.

Из вышесказанного следует, что производство биотоплива в наше время имеет большое значение. Рассмотрим ниже основные виды биотоплива и их особенности. Неверно считать биотопливо новейшим и малоисследованным продуктом. Оно использовалось тысячелетиями и для многих остается единственным источником тепла и средством приготовления пищи. Главным биотопливом были и остаются дрова. Но в наше время под словом «биотопливо» редко подразумевают дрова. Чаще разговор идет о биотопливе для автомобиля — биоэтаноле и биобутаноле.

Литературный обзор

Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои.

Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации.

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, бутанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).

1. Биоэтанол Биоэтанол — это жидкое спиртовое топливо, которое производится из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производятся алкогольные напитки, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти) поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для питья. Для производства биоэтанола оптимальными культурами для России являются пшеница, ячмень, рожь, а также кукуруза, сахарное сорго, сахарная свекла, топинамбур. Однако наиболее перспективным в России сырьем для производства этанола является целлюлозосодержащая продукция (древесина, солома, отходы обработки зерна и др.)

1.1 Сырьё для производства биоэтанола

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перуанская республика, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

2. Методы производства

2.1 Брожение

биоэтанол топливо сырье спирт Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H₁₂O₆ > 2C₂H₅OH + 2CO₂

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15% этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

2.2 Промышленное производство спирта из биологического сырья Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

1) подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего, ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.

2) ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем — глюкамилаза, амилосубтилин.

3) брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.

2.3 Гидролизное производство В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению.

В связи с сокращением запасов ископаемого органического сырья в последние годы во всём мире уделяется серьёзное внимание вопросам химической и биотехнологической переработки биомассы растительного сырья (фитомассы) — древесины и сельскохозяйственных растений. В отличие от ископаемых источников органического сырья запасы фитомассы возобновляются в результате деятельности высших растений.

В настоящем столетии основными видами органического сырья будут древесина, сельскохозяйственные растения и каменный уголь, в свою очередь имеющий растительное происхождение.

По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефтепродуктов примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы черного золота быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. В недалёком будущем нас ожидает переход от нефтехимического производства к биохимической и химической переработке древесины и других видов растительного сырья. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов.

Под биотехнологией обычно понимают промышленный биохимический синтез ценных веществ и переработку продуктов биологического происхождения. Производственной основой современной биотехнологии является микробиологическая промышленность, включающая гидролизные производства. Эти производства основаны на реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов биомассы одревесневшего растительного сырья с образованием в качестве основных продуктов реакции моносахаридов, которые подвергаются дальнейшей биохимической или химической переработке, либо входят в состав товарной продукции.

Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты, биологически активные препараты, мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей

3. Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями.

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10% содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50%, выбросы СО — на 30%.

4. Биобутанол Бутанол или бутиловый спирт с формулой C₄H₉OH представляет собой бесцветную ядовитую жидкость с ярко-выраженным запахом сивушного масла. В мире известны 4 вида бутанола: нормальный первичный бутиловый спирт СН₃(СН₂)₃ОН, нормальный вторичный бутиловый спирт СН₃СН₂СН₂(ОН)СН₃, изобутиловый спирт (СН₃)₂СНСН₂ОН и триметилкарбинол (СН₃)₃СОН.

4.1 Применение бутанола Бутанол применяют как растворитель в лакокрасочной промышленности, в производстве смол и пластификаторов, в синтезе многих органических соединений. Может применяться в качестве компонента к традиционным топливам или как самостоятельное топливо для транспортных средств.

4.2 Сырье для производства бутанола Бутиловый спирт (бутанол) как и этиловый спирт (этанол) может быть получен:

— путем переработки сахара или крахмала с/х растительных культур (биобутанол I поколения);

— путем переработки целлюлозы растений (биобутанол II поколения);

— путем синтеза химического сырья (бутанол).

Сегодня бутанол используется, прежде всего, в качестве промышленного растворителя. Мировой рынок этого продукта оценивается в 350 млн. галлонов в год, из которых 220 млн. галлонов в год приходится на долю США.

Биобутанол — это следующий значительный этап развития биотоплив, применение которого должно удовлетворить росту потребности в экологически безопасном, возобновляемом транспортном топливе.

Биобутанол может добавляться к обычному бензину или бензину, содержащему этанол, он может быть использован в современных автомобильных двигателях, и потенциально его поставка может быть налажена при использовании существующей инфраструктуры поставки топлива.

Биобутанол можно производить из кукурузы, пшеницы, сахарной свеклы, сахарного тростника, сорго и ячменя. В будущем для производства биобутанола можно будет использовать и целлюлозосодержащие компоненты сельскохозяйственных культур, такие как сухие стебли кукурузы или солому.

А так же, бутанол образовывается при сбраживании глюкозы клетками Clostridium acetobutylicum. При этом вначале выделяется масляная кислота; однако по мере подкисления среды начитают синтезироваться ферменты, действие которых приводит к накоплению ацетона и бутанола.

Процессы образования этих веществ тесно связаны между собой. В результате декарбоксилирования части ацетоацетата утрачивается потенциальный акцептор водорода, который при восстановлении в бутират мог бы дважды присоединить 2[H]. Этот водород так или иначе должен быть передан другим акцепторам, в том числе и только что образовавшемуся бутирату. Для восстановления до бутанола бутират должен быть сначала активирован путем превращения в бутирил-CoA. Реакции, происходящие при образовании бутирата, ацетона и бутанола представлены на Рис.1:

Рисунок 1 — Образование ацетата, этанола, бутанола, бутирата, ацетона и 2-пропанола при брожениях, осуществляемых клостридиями.

5. Сравнительная характеристика биоэтанола и биобутанола В связи с получением новых высокоэкономичных технологий производства биобутанола, в настоящее время получаемый из зерна бутанол привлекает все большее внимание специалистов для применения его в качестве топлива. И не исключено, что в ближайшие 10−15 лет этанол утратит пальму первенства.

Успех обусловливается рядом преимуществ биобутанола перед биоэтанолом, среди них:

1. Биобутанол содержит на 25% больше энергии, чем биоэтанол: 110 тыс. BTU на галлон бутанола против 84 тыс. BTU на галлон этанола. Бензин же содержит около 115 тыс. BTU на галлон;

2. Биобутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин. Упругость паров бутанола по Рейду составляет 0,33 фунта/кв. дюйм, у бензина это 4,5 фунта/кв. дюйм, у этанола — 2,0 фунта/ кв. дюйм. Это делает биобутанол более безопасным при использовании в качестве оксигената и не требует особых изменений пропорций смеси при использовании зимой и летом. Сейчас он используется в качестве оксигената в штатах Аризона, Калифорния и др.;

3. Биобутанол — гораздо менее агрессивное вещество, чем биоэтанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как биоэтанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;

4. Биобутанол можно смешивать с бензином. Если смесь бензина с биобутанолом смешать с водой, то она расслаивается меньше, чем смесь биоэтанола с бензином. Отсюда следует, что можно использовать уже существующие инфраструктуры дистрибуции, без каких-либо модификаций среди установок смешивания, хранилищ, а также заправок.

5. Биобутанол может полностью заменять бензин, тогда как биоэтанол может использоваться только как добавка к бензину с максимальным содержанием в смеси не более 85% и только после существенных переделок двигателя. В настоящее время в мире преобладают смеси с 10%-ным содержанием этанола;

6. Производство биобутанола помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом;

7. Измененный биобутанол имеет более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем биоэтанол (8 Вт-ч/г);

8. При горении биобутанол не производит окислов серы или азота, что дает существенную дополнительную выгоду с точки зрения экологии.

Биобутанол получается из того же самого сырья — кукурузы, сахарной свеклы, сорго, маниоки, сахарного тростника, кукурузных стеблей и другой биомассы, что и биоэтанол, но может заменять бензин в равном объеме.

Но, несмотря на такие значительные отличия у биобутанола есть много синергичных свойств с биоэтанолом:

1)Биобутанол выделяют из тех же продуктов сельского хозяйства, что и сам биоэтанол — кукуруза, пшеница, сахарная свекла, сорго, кассава и сахарный тростник;

2)Все существующие мощности, связанные с производством биоэтанола, можно легко переделать под производство биобутанола. Для этого требуются лишь незначительные изменения в течении процессов ферментации и дистилляции;

3)Пары биобутанола синергичны по давлению парам бензина с примесями биоэтанола, что значительно упрощает добавление биоэтанола.

5.1 Преимущества использования биоэтанола и биобутанола для сельского хозяйства:

Биобутанол выделяется абсолютно из тех же разновидностей сельскохозяйственного сырья, что и биоэтанол — кукуруза, пшеница и сахарная свекла и т. д.

Биобутанол становится отличным продуктом для всех фермеров мира, ведь именно он позволяет создавать новые решения на рынке среди привычных продуктов сельского хозяйства. Это в свою очередь приведет к увеличению прибыли самих фермеров.

Простота процессов добавления биотоплива к бензину, а именно самого биобутанола, может косвенно (пройдя через синергию этанола и биобутанола) создать расширение рынка биотоплива и прочих рынков, связанных с сельскохозяйственными продуктами. Все эти процессы положительно скажутся на мировом рынке и обеспечат его рост.

Заключение

Несмотря на динамичное развитие биотопливной отрасли в мире, при использующихся на сегодняшний день технологиях производства характерные особенности и недостатки биотоплива представляют его лишь в качестве инструмента переходного этапа в преодолении дефицита энергии в мире, весьма незначительно повышая энергетическую безопасность отдельных стран. Потребности в земельных ресурсах и сельскохозяйственных культурах для производства продовольственного сырья слишком велики, чтобы осуществить замену ископаемого топлива в более широких масштабах. В среднесрочной перспективе углеводородные виды топлива будут оставаться важнейшим источником энергообеспечения в мире, при этом биотопливо сможет обеспечить лишь незначительную долю в общемировом топливно-энергетическом балансе и еще меньшую в транспортной энергетике.

Совокупный спрос на биотопливо будет постоянно увеличиваться, главным образом, за счет экстенсивных факторов. К ним относятся: общий рост численности населения в мире и непрерывное увеличение энергетических потребностей в различных секторах экономики. Значительное воздействие на изменение спроса на биотопливо оказывает государство посредством создания механизмов поддержки производства и потребления биотоплива, а также поощрения развития рыночной инфраструктуры. Состояние спроса также определяется конъюнктурой рынков товаров-субститутов, в особенности нефти.

1. Булаткин Г. А. Перспективы и ограничения производства биотоплива II поколения из растительного сырья /Г.А.Булаткин // Экологический вестник России. — 2009. — № 10. -49−52 с.;

2. Карпов С. А. Биобутанол — биотопливо II поколения / С. А. Карпов // Нефтепереработка и нефтехимия. — 2008. — № 7. -14−16 с.;

3. Шлегель Г. Общая микробиология: Учеб. для вузов / Г. Шлегель. — М.: Мир, 1987. — 293−295 с.