Конверсия биомассы в жидкое топливо

          
КОНВЕРСИЯ БИОМАССЫ В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

1. РОЛЬ БИОМАССЫ КАК ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

     Энергетический  кризис, связанный с исчерпанием  запасов природной энергии в виде нефти и газа, ощущается на всем земном шаре, в том числе и в экономически развитых странах. В связи с этим внимание исследователей направлено на поиски и развитие альтернативных форм энергии: ядерной, волновой, приливно-отливной, энергии ветра и солнца, а также тепловой энергии Земли. Однако уже в настоящее время все расчеты и исследования показали, что ни один из этих сегодня уже доступных в технологическом отношении энергетических потенциалов не является достаточным, чтобы решить проблему потребности человечества в энергии в глобальном масштабе. Поэтому наряду с использованием энергии имеющихся источников целесообразно развивать все возможные и экономически оправданные альтернативные способы.

     Значительным  возобновляемым  источникам  энергии  является растительная биомасса, содержащая  целлюлозу,  гемицеллюлозу и лигнин. В настоящее время ~ 15% мировой потребности в топливе удовлетворяется   за   счет   использования   растительной   биомассы: древесины, отходов ее переработки, сельскохозяйственных отходов, причем  биомасса   в основном   подвергается  сжиганию.  Сжигание биомассы - пиролиз самый старый и самый неэффективный способ получения  энергии.   Для   рационального  использования   биомассу превращают в более полезные и удобные формы: жидкую (этанол, метанол, уксусная и молочная кислоты) или газообразную (метан, водород и др.). Этанол, метан и водород, образуемые из растительной биомассы, представляют огромны интерес как энергетические источники уже сегодня, и особенно в будущем. 
 
 

     Для получения горючего в больших  масштабах наиболее рациональным способом является термическое образование синтетического газа с последующей конверсией его в метанол. Метанол же может при необходимости быть гидрирован с образованием синтетического бензина при низких затратах энергии. Наиболее разработанными в технологическом отношении являются ферментация углеводов, крахмала и сахаров до этанола и анаэробная трансформация биологических отходов в биогаз.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА  СЫРЬЯ 

    Все растительное сырье (биомассу) для получения горючего можно разделить на три группы: 1) растения- носители энергии; 2) природное растительное сырье - леса; 3) плотные и жидкие отходы сельского хозяйства, пищевой промышленности, коммунального хозяйства. Все эти виды сырья могут быть трансформированы в жидкое топливо (этанол) или газообразное топливо (метан) однотипными способами. В настоящее время во многих странах темой многочисленных исследований является использование селекционированных сельскохозяйственных растительных  культур для   высокоэффективного  быстрого фиксирования солнечной энергии в биомассе этих растений с последующей трансформацией ее в горючее. В Бразилии, Австралии и Африке к таким растениям – носителям энергии относятся прежде всего сахарный тростник и кассава. В Скандинавии и Северной Америке с этой целью широко используется древесина. Благоприятными регионами для получения дешевого растительного сырья являются прежде всего тропические области с большой  влажностью,   где  в течение всего года можно использовать урожай получаемой зеленой биомассы. Производство биологического топлива становится целенаправленным, тогда как ранее оно было побочным при производстве кормовых и пищевых продуктов.

      Наряду  с растительными и животными  целлюлозосодержащими отходами ценным сырьем для получения биотоплива могут служить коммунальные и промышленные стоки, содержащие целлюлозу  и другие углеводы. В США, например, количество таких стоков составляет около 130 млн. т, Великобритании-18, Индии - 100 млн.-т. 

2. ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

     Традиционное  спиртовое брожение дрожжей 

     Этанол  получают двумя путями: синтетическим  из нефтехимического сырья и биологическим с помощью дрожжей Saccharomyces cerevivaу. В  промышленном  производстве  бродильные   емкости   с сахарным  раствором при рН 4-5 засевают суспензией дрожжей. Во время фазы роста дрожжей глюкоза сбраживается с образованием этанола и С0₂. Через 2-3 суток брожение заканчивается и выход этанола составляет 90 % теоретически достижимого количества

     C

     Путем дистилляции и ректификации этанол выделяют из культуральной жидкости, а ее остаток может быть использован на корм скоту.

   При выращивании в анаэробных условиях дрожжи превращают глюкозу в пируват посредством метаболического пути Эмбдена-Мейергофа—Парнаса (ЭМИ). Однако накапливающийся пируват не может принять участие в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), и образующийся при гликолизе НАДН₂ не окисляется питохромной системой. В этих условиях пируват декарбоксилируется другим ферментом до ацетальдегида, который восстанавливается в этанол с помощью НАДН₂, накопившегося в ходе гликолиза. Таким образом, НАД регенерируется и может быть повторно использован, что способствует дальнейшему протеканию гликолиза. В ходе превращения глюкозы в этанол путем брожения образуются и молекулы АТФ.

   Спиртовое брожение происходит не только в анаэробных условиях. Дрожжевые клетки, растущие в аэробных условиях при высоком уровне глюкозы в среде, также сбраживают глюкозу в этанол. Подавление аэробного дыхания при высоком содержании глюкозы или, точнее, при высокой скорости ее усвоения называется катаболической репрессией. Катаболическая репрессия аэробного дыхания влияет не только на образование энергии, но и на уровень интермедиантов из ЦТК. В клетках, растущих в условиях брожения, подавлены и ЦТК, и глиоксилатный цикл. При этом необходимые для биосинтеза кислоты цикла ТКК образуются в результате карбоксилирования пирувата. Образование митохондрий оказывается подавленным, снижается уровень ряда митохондриальных ферментов, в том числе цитохромов и некоторых ферментов ЦТК.

Новые тенденции в производстве этанола

     Синтетический этанол производят каталитической гидратацией этилена, которая составляет основную часть крекинговых и попутных газов, получаемых при переработке нефти. Мировое производство синтетического этанола составляет ~ 35 % его общего выпуска. Но в настоящее время в связи с ростом стоимости нефти синтез этанола из этилена для многих стран становится неэкономичным. Поэтому интерес к получению спирта из растительных материалов для использования его в качестве жидкого топлива и химического сырья постоянно возрастает, особенно в странах, ощущающих недостаток нефти, не обладающих сельскохозяйственными ресурсами. Микробиологическим способом этанол получают из растительного углеводсодержвщего сырья, главным образом из сахарного тростника, маниоки, сахарной свеклы, мелассы, картофеля, зерна пшеницы и кукурузы. Производство этанола базируется прежде всего на традициях производства алкогольных напитков и спирта в пищевой промышленности, однако при биотехнологическом получении спирта не требуются аромат и вкус, а необходим дешевый спирт для синтеза других

 соединений горючего. Требования к качеству, стоимости и объемам в умышленном производстве спирта иные, чем в секторе напитков пицевой промышленности.

    Перед   проведением   ферментации   сырье   (сахарный   тростник, сахарная свекла,   кукуруза,   пшеница,   картофель)  должно  пройти подготовку, в результате  которой  получают  чистый,   прозрачный стерильный сахаросодержащий раствор. Далее процесс ферментации осуществляется непрерывно в ферментаторах большого объема (до 1000 м³), что требует введения новых способов и приемов по сравнению с  классическим   получением пива и вина. К ним относятся: использование новых штаммов микроорганизмов, например флокулирущих, крахмало- и пентозопотребляющих дрожжей  и бактерии Zymomonas; новая технология на стадии сбраживания, такая, как применение фиксированных клеток микроорганизмов и реакторов с фиксированными микроорганизмами, а также реакторов петлевого типа в непрерывнодействующем производстве, проведение процесса в аэробных условиях и введение колонн энергетически оптимизированной дистилляции и абсолютизирования через теплообмен и ступенчатое давление в колоннах.

Получение этанола с помощью  микроорганизмов

     Основным  барьером на пути удешевления этанола, производимого с помощью микроорганизмов, является высокий процент капиталовложения в себестоимости продукта. Это связано с низкой производительностью и сложностью процесса, в частности с образованием на ряду с этанолом твердых веществ, удаление которых требует введения в производственную схему, стадий перегонки и сушки, а следовательно, дополнительных энергетических затрат.  Производительность процесса прямо пропорциональна интенсивности роста микроорганизмов и количеству этанола, производимого 1 г микроорганизмов за 1 ч. Таким образом, скрининг, или создание новых видов микроорганизмов   методами   генетической   инженерии,   позволит  увеличить производительность. Снижение энергозатрат возможно при условии увеличения температуры процесса ферментации, т. е. при решении задачи создания термофильных этанолпроизводящих микроорганизмов. В настоящее время известны следующие основные виды этанолпроизводящих микроорганизмов: Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis и Clostridium thermocellum (thermosaccharolyticum, thermohydrosulfuricum). Достоинством последних является широкий спектр субстратов (пентозы, гексозы, целлюлозы), в отличие от других этанолпроизводящих   микроорганизмов   субстратами   которых   являются гексозы.

      Дрожжи  Saccharomyces cerevisiae находят применение при получении этанола, используемого как горючее, из зерна, смесей зерна с молочной сывороткой, маниоки, мелассы, картофеля.

      В США на небольших заводах при  фермах для ожижения зерновых заторов используют бактериальные амилолитические препараты, а для последующего осахаривания – препараты грибных экзо-1,4-α -D-глюкозидаз (КФ 3.2.1.3). Растворенные компоненты периодически сливают и в емкость добавляют новую порцию воды и ферментов. Если вместо воды в затор добавляют молочную  сыворотку,  то для гидролиза лактозы добавляют       β-галактозидазу (КФ 3.2.1.2.3) в количестве 0,02 г/л активностью 14 тыс. Е/г. Осахаривание проводят в течение 24 ч при 55 °С и рН 4,5-5. Полученное сусло сбраживают дрожжами Saccharomyces cerevisiae NRRLJ-2034 или Kluyveromyces fragilis NRRL-1109, для которых не требуется обработка сыворотки β-галактозидазой. Процесс проводят непрерывно при 28-32°С, причем в среду добавляют концентрированный сульфат аммония (0,5 л на 1240 л сусла). Содержание крахмала в сусле должно быть < 26—28 %. После сбраживания зерна в течение 48 ч образуется 7 % спирта, а при сбраживании зерна и сыворотки, обработанной β-галактозидазой, через 114 ч образуется 9,84 % -спирта. Замещение воды молочной сывороткой уменьшает расход зерна на 30-50 % и снижает себестоимость спирта на 15-20 %.

     При получении этанола непрерывным  способом путем сбраживания глюкозы дрожжами Saccharomyces cerevisiae американские исследователи применили установку, позволяющую с помощью диализа через мембраны (диаметр пор 0,2 мкм) удалять из культуральной жидкости этанол и иyгибирующие брожение побочные продукты и одновременно обогащать ее субстратом и другими необходимыми компонентами. Установка состоит из ферментатора, смесителя и диализатора, через который циркулируют культуральная жидкость и среда, подаваемая из смесителя.

      Для успешного осуществления непрерывной  спиртовой ферментации в настоящее время во всем мире ведут исследования по 
иммобилизации живых дрожжевых клеток. Для иммобилизации 

ВСТАВИТЬ 
 
 

ления 0,15 ч конверсия субстрата 87% теоретического. При уменьшении скорости разбавления от 1,05 до 0,15 ч-¹ продуктивность по этанолу повышается с 11 до 44,4 г/(л·ч) для дрожжей К.marxianus. При непрерывном сбраживании лактозы молочной сыворотки дрожжами К. fragilis оптимальны следующие значения: рН 4,5, температура 30-32 С. В этих условиях при концентрации лактозы в среде 10 % при скорости разбавления 0,15 ч концентрация этанола в среде 4.7 %, продуктивность 7,1 г/(л·ч). В оптимальных условиях сбраживание лактозы проводят в биореакторе непрерывно в течение 10-23 суток.