Технология производства биоэтанол
реклама
1 Содержание Введение .........................................................................................................................................3 Технология производства биоэтанол ...........................................................................................5 Брожение.....................................................................................................................................5 Гидролизное производство .......................................................................................................8 Топливные смеси биоэтанола .......................................................................................................9 Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива .........................................11 Заключение...................................................................................................................................12 Литература ...................................................................................................................................13 2 Введение Понятие «биотопливо» включает в себя три вида топлива, получаемого из биологического сырья: твердое топливо (древесина, отходы деревопереработки, щепа, лузга и т.п.); жидкое топливо, используемое в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания (этанол, биодизель, метанол); газообразное топливо (синтезированные в ходе переработки биомассы газы). Однако, как правило, при обсуждении этого вопроса, особенно на Западе, под биотопливом традиционно понимают именно жидкое топливо. В данном реферате также рассматривается именно этот вид топлива. 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. Каковы перспективы использования биотоплива? Если еще не так давно они были довольно радужными, то с началом массового производства биодизеля и биоэтанола возникли социальные, экономические и даже экологические проблемы. Основные из них — рост цен на продовольствие; истощение почв энергетическими культурами; вырубка лесов с целью создания новых посевных площадей для «топливных» культур, и, как следствие, изменение климата; продвижение генномодифицированных культур как сырья для биотоплива. Все сказанное относится, главным образом, к биотопливам первого поколения. Производство топлива второго поколения еще не набрало достаточных промышленных масштабов и поэтому судить о возможных рисках еще рано. В любом случае ясно, что человечество не перейдет в мировом масштабе на биотопливо, а его доля в общей структуре потребления вряд ли превысит 5%. Главное отличие биотоплива второго поколения от первого поколения в том, что сырьемдля их производства служит биомасса, то есть разного рода отходы: остаточные непищевые части растений (стебли, листья, шелуха), древесная стружка, солома, кожура и мякоть от прессовки фруктов, навоз и т.п. Одним из представителей биотоплива второго поколения является биогаз, который еще называют «канализационный» газ. Состоит биогаз из метана и углекислого газа. Для применения в автомобилях его предварительно очищают от углекислого газа и получают биометан. По 3 своим свойствам это аналог природного метана, разница лишь в происхождении. Также из биомассы можно получать и этанол, и дизель. Разработки технологий производства дешевого биотопливавторого поколения активно ведутся в Китае, Бразилии, Швеции, Финляндии и Канаде. Основные мировые потребители энергии готовятся к жизни без нефти. Для лесопромышленных компаний биоэнергетика может стать перспективным направлением бизнеса: древесные отходы – лучшее сырье для топлива второго поколения. Концерн UPM уже финансирует создание технологий его производства. Прогнозы аналитиков о скором исчезновении на Земле нефти и газа вызвали интерес у инвесторов к проектам создания альтернативных источников энергии, которые обещали высокий уровень возврата на инвестированный капитал. В середине первого десятилетия ХХI века во всем мире наблюдался резкий рост мировых цен на сельскохозяйственные продукты в середине. Стремясь первыми выйти на новый рынок, фермеры стали один за другим активно переключаться с выращивания пищевых сортов продуктов на биоэнергетические. Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. 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. 4 Технология производства биоэтанол Брожение Методы производства Брожение 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. Получение биоэтанола Биоэтанол получают сбраживанием сахара по технологии, которая используется в производстве пива и пищевого спирта. Крахмал из зерен и клубней растений с помощью ферментов превращается в простые сахара. Затем эти или природные сахара из сахарной свеклы, сахарного тростника или сорго сбраживаются дрожжами в бражку, т.е. смесь спирта, воды и несброженные остатки. Этанол отделяют от бражки в дистилляционных колоннах и дополнительно очищают в ректификационных колоннах, на выходе которых получают смесь этанола с водой. На этапе обезвоживания из этой смеси удаляют остатки воды, и получают безводный биоэтанол, который можно смешивать с бензином в качестве окислителя и высокооктанового компонента. В неэтилированном бензине в качестве высокооктанового компонента широко применяется МТБЭ (метил-третбутиловый эфир). Его канцерогенные свойства вызывают серьезную озабоченность и заставляют искать ему замену. Биоэтанол, как возобновляемое и безопасное для окружающей среды вещество, является подходящим решением. Помол и подготовка сырья. Сырье составляет существенную часть себестоимости биоэтанола. Равномерный помол зерна ускоряет переработку, снижает себестоимость и повышает выход продукта. На этапе подготовки из сырья также извлекаются компоненты, не используемые при получении биоэтанола, но являющиеся сырьем для производства других продуктов. Например, с помощью мокрого помола из сырья получают крахмал А и В. Крахмал А перерабатывается в глюкозу и другие сахаристые вещества, а крахмал В служит сырьем 5 для производства биоэтанола. Из зародышей пшеницы и кукурузы можно извлечь ценные масла. Сжижение, осахаривание и сбраживание. Ожижение и осахаривание - это превращение полисахарида крахмала в сбраживаемые моносахариды. Ожижение начинается с затирания, т.е. добавления в муку теплой воды с получением суспензии. Затем ее нагревают паром в разварнике, где крахмал под действии тепла и альфа-амилазных ферментов превращается в гель и ожижается. Альфа-амилаза расщепляет длинные молекулы крахмала (этот процесс называется гидролизом), превращая крахмал в мальтодекстрин, т.е. раствор олигосахаров. Этот гидролизованный крахмал подвергается дальнейшей переработке - осахариванию, в ходе которой глюкоамилазные ферменты в условиях регулируемой температуры и рН превращают декстрин в пригодную для сбраживания глюкозу. Часть осахаренного сусла отбирается из осахаривателя и подается в дрожжегенератор. Осахаренное сусло из осахаривателя смешивается с закваской в бродильном аппарате. Перемешивание обеспечивает оптимальный контакт дрожжей с сахарами, а регулирование температуры и содержания питательных веществ поддерживает требуемую скорость сбраживания. Дрожжи превращают молекулу глюкозы в 2 молекулы этанола и 2 молекулы углекислого газа. Дистилляция и ректификация. Дистилляция начинается с бражной колонны. Здесь из продукта брожения, бражки, отгоняется смесь этанола и воды. Дальнейшая очистка происходит в ректификационной колонне, где спирт максимально освобождается от воды и состав паров приближается к азеотропной точке. Обезвоживание и очистка этанола. Чтобы получить топливный этанол, из спирта-сырца требуется удалить воду. Воду можно удалять с помощью молекулярных сит, диффузионного испарения через мембрану или азеотропной перегонкой с разделяющими агентами. 6 Технология молекулярных сит. Использование молекулярных сит (адсорбентов) – это самая современная низкоэнергетическая технология обезвоживания. Перегретая смесь паров этанола и воды проходит через слой цеолита, т.е. пористого материала с очень точно выдержанным размером пор. Молекулы воды чуть меньше размера пор и в силу своей высокой полярности удерживаются в порах электростатическими силами. В то же время более крупные молекулы этанола проходят сквозь молекулярные сита, не задерживаясь. В результате образуется безводный этанол. Диффузионное испарение Диффузионное испарение - это альтернативный метод осушения, в котором применяются гидрофильные мембраны. С одной стороны мембраны создается вакуум. В силу различия диффузионного сопротивления и парциального давления этанола и воды происходит разделение этих веществ на мембране. Вода проходит сквозь нее, а обезвоженный этанол остается. Азеотропная перегонка. В этих системах в смесь спирта и воды добавляется разделяющий агент, который образует азеотроп с этанолом или водой. Затем в регенерационной колонне этот азеотроп разделяется на разделяющий агент и компонент исходной смеси. 7 Схема получения биоэтанола сухим способом[3] Гидролизное производство 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 странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в Российской Федерации) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.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. Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд. т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы - самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и будущем. В настоящем столетии основными видами органического сырья будут древесина, сельскохозяйственные растения и каменный уголь, в свою очередь имеющий растительное происхождение. 8 Блок схема гидролизного производства биоэтанола [1] Это производство основано на реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридовбиомассы одревесневшего растительного сырья с образованием в качестве о сновных продуктов реакциимоносахаридов, которые подвергаются дальнейшей биохимиче ской или химической переработке, либовходят в состав товарной продукции. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, т.к. в сочетании с би отехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты,биоло гически активные препараты, мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей в нутреннегосгорания и разнообразные продукты для технических целей. Топливные смеси биоэтанола Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя прекрасно бегают на Е10 (некоторые утверждают что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. машины «Flex-Fuel» (к сожалению, русского перевода пока нет). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Е5, Е7, Е10 — смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ. Е85 — смесь 85 % этанола и 15 % бензина. Стандартное топливо для т. н. «Flex-Fuel» машин, распространённых, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени — в других странах. Из-за более низкой энергоплотности продаётся дешевле, чем бензин. Е95 — смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Организация 9 Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95 % этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95 % этаноле — BEST (BioEthanol for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania. Е100 — формально 100 % этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 96,5 % и 3,5 % в объёмных процентах). Путём обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола. Экологические и экономические аспекты биоэтанола: все «за» и «против»… 1. С 2005 года и по настоящее время начали появляться исследования, в которых утверждалось, что при производстве этанола энергии тратится больше, чем потом можно получить из этого же этанола. В ответ на эти заявления в 2006 году Департамент сельского хозяйства США сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этого же этанола. В некоторых оценках этанол имеет отрицательный энергетический баланс, но топливный баланс бензина, всё равно хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д. 2. 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. биоэтанол не вызывает выбросы парниковых газов в атмосферу 3. 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 %. Биэтанол сокращает количество выхлопных газов в автомобиле Преимущества применения биоэтанола 4. Критики производства биоэтанола заявляют, что для производства биоэтанола под плантации тростника часто нелегально вырубаются тропические леса. Но природные условия вокруг Амазонки не позволяют выращивать сахарный тростник. Тропические леса вырубаются нелегально. Нелегальные производители древесины вырубают участок леса. После ухода нелегальных дровосеков участок занимают фермеры для выпаса скота. Через 3 — 4 года выпас скота на этом участке прекращается, а участок занимают фермеры для производства сои и других культур. 10 Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Сокращение выбросов диоксида углерода при использовании биоэтанола зависит от используемого растительного сырья, климатической зоны и накладных расходов на его выращивание, транспорт и переработку, поскольку в этих процессах используется ископаемое топливо (агротехнические работы, сушка зерна при закладке на хранение, производство удобрений для восстановления плодородия почв, ректификация спирта и переработка отходов). Снижение выбросов CO2 при производстве этанола из зерна по состоянию на 2007 г. в США составляло в среднем 19%, предполагается, что при модернизации спиртового производства и переводе его исключительно на природный газ возможно снижение выбросов углекислого газа на 2832%. Максимальное снижение выбросов CO2 может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52%) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве; теоретический максимум снижения выбросов — 82%. 11 Заключение 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 %. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в CO2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей. В начале 2007 г. 15 % автомобилей в Бразилии имели flex-fuel двигатели. К 2015 году доля таких автомобилей может вырасти до 70 %. [источник не указан 1538 дней] В 2007 году в Бразилии было продано 2 миллиона новых биотопливных автомобилей, что составляет 85,6 % от рынка новых автомобилей Бразилии. За 2003 год в Бразилии было продано 48 тыс. биотопливных автомобилей, что составляло 4 % автомобильного рынка. Последнее время широкое распространение получили двигатели «Flexifuel» от компании «Ford». В 2007 году в Европе было продано около 17500 автомобилей Flexifuel. 12 Главной проблемой производства биоэтанола из товарной сельскохозяйственной продукции, в первую очередь из зерна, является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Так, по оценкам бюджетного комитета Конгресса США, вклад роста использования зерна для производства этанола в повышении цен на продовольствие в 2008 г. составил 35 %[4]. Литература 1. Биотопливо (Biofuel)[www] 08.12.15 http://forexaw.com/TERMs/Raw_materials/Energy/l861_Биотопливо_Biofuel_это#h3-10 2. Химическая технология производства биоэтанола[www] 08.12.15 Учебное пособие по курсу «Химическая технология» 3. Как делают биоэтанол[www] 08.12.15 http://autoeco.info/makebe.php 4. Топливный этанол: гидролизное производство[www] 08.12.15 http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1252 5. Гидролизное производство[www] 08.12.15 http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/324564 13
