Конверсия биомассы в жидкое топливо

     Получение топлива и химических спиртов из биологических  отходов и растительного  сырья

      Акционерное общество "Грамитекс" (ФРГ) разработало установку "Газотекс" и способ получения этанола из растительных, сельскохозяйственных и пищевых отходов, таких, как древесина, бумага, макулатура, трава, опилки, все типы соломы, бамбук, хлопок, пшеница, кукуруза, сахарная свекла, плоды, отходы переработки яблок, винограда, отходы производства вина, пива, домашние пищевые отходы, сточные воды пивоваренных и целлюлозно-бумажных заводов.

      Кроме этанола как основного продукта процесс "Газотекс" позволяет   получать   побочные   продукты:   бутанол,   пропанол,   ацетон, лигнин, белки, биологические удобрения (в жидкой и твердой форме), витамины, уксусную кислоту, С0₂ и др. Производительность установки 400 – 40000 л этанола в час. К преимуществам установки можно отнести небольшие капитальные затраты, которые зависят от используемого сырья, и возможность использования смеси вышеупомянутого сырья. В установках подобного типа перерабатывают от 3 до 350 т/ч сухого необработанного сырья, при этом в качестве побочного продукта получают удобрения, не содержащие ядовитых веществ. При использовании домашних отходов, с одной стороны, избегают применения дорогого и неэкономичного сырья, а с другой – вносят существенный вклад в охрану окружающей среды. Главное преимущество процесса – большая экономичность, чем у других известных способов, благодаря низким энергетическим затратам, невысоким капиталовложениям и использованию в качестве сырья отходов.

     Трансформация сырья в глюкозу и моносахариды осуществляется согласно процессу "Газстекс" с помощью катализатора за 20-25 с и требует < 1 % энергии по сравнению с проведением процессов общепринятым способом кислотного или ферментативного гидролиза под давлением. Питательную  среду,  содержащую глюкозу,  подвергают очистке для удаления ядовитых примесей, например тяжелых металлов. Очищенная среда сбраживается микроорганизмами с образованием этанола, бутанола и пропанола. Образующуюся в этом процессе теплоту отводят и используют. Переработка глюкозы микроорганизмами  осуществляется  полностью, побочные  продукты  (витамины, белки, биологические удобрения) после дистилляции культуральной жидкости разделяются на ионообменниках. При переработке домашних отходов получают лигнин и метан, используемые для получения энергии. В качестве вспомогательных веществ, кроме воды, используют небольшое количество катализатора, который по окончанию процесса регенерируют и повторно используют. 

 

 

 

 

Конверсия биомассы в газообразное топливо 

Метановое брожение

      В упрощенном виде процесс метанового брожения может быть представлен в виде трех фаз. На первой все комплексные, частично нерастворимые соединения, такие, как целлюлоза, протеины и жиры, являющиеся основными составными частями органического сырья, в результате  гидролиза  становятся  растворимыми,   т.   е.   образуются олигосахариды, пептиды и жирные кислоты. На второй фазе - кислотной эти соединения разрушаются до органических кислот (уксусной, муравьиной, молочной, масляной, пропионовой и др.), спиртов (этилового, пропилового и др.), газов (диоксида углерода, водорода, сероводорода, аммиака), аминокислот, глицерина и др. Процесс осуществляют обычные сапрофитные  анаэробные микроорганизмы, которые быстро размножаются при рН среды 4,5-7. К таким микроорганизмам относятся маслянокислые, молочнокислые, пропионовокислые бактерии и дрожжи. На третьей фазе, щелочной, осуществляется дальнейшее разложение веществ, образовавшихся на второй фазе с получением газа,  состоящего  из  метана,  углекислоты,  азота и водорода. Процесс осуществляется метанобразующими бактериями,  являющимися  строгими   анаэробами.   Метанобразующие   микроорганизмы  - высокоспециализированная группа  бактерий,  получающих энергию для своей жизнедеятельности в процессе образования метана. Другие пути получения энергии,  кроме метаногеназа, у метанобразуищих бактерий пока не обнаружены.

      В реакции образования метана участвуют  аденозинтрифосфорная кислота, которая играет важную роль в метаболизме клетки, и витамин В₁₂ необходимый для переноса водорода. Конечные продукты жизнедеятельности метанобразующих бактерий необходимы в качестве источника энергии для первых двух групп микроорганизмов. При эффективном  удалении  Н₂  продуценты  метана дают возможность другим группам бактерий производить большее количество Н₂, который замещает такие восстановленные вещества, как соли молочной и пропионовой   кислот  и этанол, что ведет к образованию больших количеств более окисленных конечных продуктов – ацетатов и СО₂. Удаление Н₂ дает возможность более эффективного роста ферментирующих бактерий и необходимо для других групп бактерий, разлагающих кислоты, спирты, и, следовательно, ускоряет и усиливает анаэробный расход органических веществ.

      В процессе метанового брожения 90 % сброженных органических веществ превращаются в метан и углекислый газ. Удельный расход газа при распаде жиров в 1,5 раза выше, чем при распаде углеводов и белков. Качественный состав газов брожения в значительной степени зависит от состава сбраживаемых сред. Так, при сбраживании жиров и белков больше образуется метана, а распад углеводов дает газ с высоким содержанием углекислоты (табл. 1).

     При анаэробной переработке из  1  кг субстрата образуется до 0,6 м³ биогаза ( 0,4 л жидкого топлива) 0,1 кг ила.

  

 

      

      Лучшим  источником азота для метановых бактерий являются углекислый и хлористый аммоний. Оптимальное соотношение в среде азота и углерода должно быть в пределах от 1:12 до 1:20. Брожение в метантенке наиболее активно проходит при рН 6,4-7,2. Однако существуют способы более эффективного брожения при рН 7,5-7,8.

      Метановое   брожение   требует   строгого   соблюдения   основных условий: оптимальная температура среды, равновесие между нагрузкой на метантенки и скоростью прироста метанобразующих бактерий, обеспечение необходимого массообмена.

      Мезофильное брожение осуществляется при 8-35 С, термофильное -            при 42-60 ºС. Однако оптимальная температура для мезофильных бактерий лежит в пределах 32-33 ºС, для термофильных - 52-53 ºС. Изменение температуры на 3-4 ºС может привести к торможению метанового брожения, вследствие чего происходит закисание среды. Для перехода от мезофильного к термофильному брожению и наоборот требуется 1,5—2,5 месяца.

          

      Продолжительность сбраживания органических веществ  в                            термофильных условиях меньше, чем в мезофильных, что позволяет сократить полезный объем метантенков. Кроме того, при термофильном процессе происходит более глубокое сбраживание органических веществ. Производительность метантенков, работающих в термофильном режиме, примерно вдвое выше работающих в мезофильном режиме.

      Максимальная  степень очистки сточных  вод  в  термофильном 
режиме получена при температуре 50-53 ºС. При уменьшении температуры сбраживания от 50 до 35 ºС степень очистки возрастает, достигая в отдельных случаях 90-98 %. Недостатком термофильного процесса сбраживания является большой расход теплоты на подогрев среды. Кроме того, термофильная микрофлора более чувствительна к колебаниям температуры и к величине нагрузки, чем мезофильная. Осадок, сброжениый в термофильных условиях,  с  трудом  поддается 
обезвоживанию. Однако, несмотря на отдельные недостатки, термофильное брожение имеет много преимуществ и применяется чаще мезофильного.  
 
 

      Опыты с комбинированными культурами анаэробных бактерии показывают, что при их совместном культивировании свойства смешанных культур существенно отличаются от свойств чистых культур. Благодаря влиянию метанобразующих бактерий оказываются возможными реакции, которые не осуществляются чистыми культурами.

      Перемешивание сбраживаемой среды обеспечивает хороший  контакт микрофлоры с питательной средой, равномерное распределение микроорганизмов в объеме, устранение токсических и ингибирующих продуктов метаболизма. Кроме того, перемешивание предотвращает образование осадка на дне метантенка и корки на поверхности, улучшает газообразование, интенсифицирует процесс сбраживания органических веществ. При тщательном перемешивании содержание сухих веществ и зольность в пробах, взятых из донной и подкупольной частей метановой бражки, должны быть одинаковыми.

      Тяжелые металлы в определенных концентрациях  ингибируют метановое брожение. Допустимы следующие предельные концентрации этих металлов (в мг/л): хром 690, медь 150-500, свинец 900, цинк 690, никель 73. Определен ряд усиления токсичности металлов по  выделению газов: Сг > Сu > Zn > Cd > Ni.

      В бытовых и промышленных сточных  водах в последнее время 
обнаруживают большое количество поверхностно-активных веществ  
(ПАВ). ПАВ отрицательно влияют на метановое брожение, что проявляется в уменьшении газовыделения, снижении и разложении органических веществ, ингибируют действие гидролитических ферментов,   а также нарушают энергетические соотношения на поверхности раздела среды и бактериальной клетки, что отрицательно влияет на активность обменных процессов бактерий. Существует прямая зависимость между нагрузкой метантенка и количеством микрофлоры различных групп (табл. 3). | 
 

ТабяицаС

 

      Положительно  влияет на количество микрофлоры наличие  в метаптенке твердой фазы.

      Растворенные  в воде и постоянно образующиеся газы брожения препятствуют осаждению взвешенных частиц, а сероводород отрицательно влмяет на процесс потребления органических веществ. Для устранения этого влияния используют метод дегазации бражки. При дегазации методом аэрации на 1 м³ среды требуется 7,43 м³ воздуха. Аэрацией можно удалить метан, сероводород и углекислый газ. Наиболее высокий эффект достигается при вакуумной дегазации. Удаление таким способом газа из метановой бражки создает благоприятные условия для осаждения активного ила, что позволяет увеличить нагрузку на сооружение в 3 раза.

      С целью интенсификации метанового брожения предложено использовать

порошкообразный активированный уголь на основе бурого угля. Применение последнего ускоряет реакцию сбраживания органических веществ, увеличивает количество образующегося метана. Оптимальная доза угля составляет 5-10 % количества осадка.

      Для увеличения выхода метана и интенсификации анаэробного сбраживания органических материалов рекомендуется устранять факторы, неблагоприятно сказывающиеся на активности образующих метан бактерий.