Производство топливного этанола. Комплексная переработка

Казанский государственный технологический университет
ООО «Биотехконсалтинг»
ПРОИЗВОДСТВО
ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
С.Г.Мухачев,
Б.В.Кузнецов, М.Ф.Шавалиев, Валеева Р.Т., Емельянов В.М.
Основой развития материальной базы
современной земной цивилизации
является спектр используемых
энергоносителей, их доступность и
обеспеченность запасами.
Детерминирование сферы материального
производства качественными и
количественными показателями
используемых энергоносителей является
важнейшим фактором, который должен быть
положен в основу разработки стратегий
регионального устойчивого развития.
Что дает биоэтанол как топливо:
•
•
•
•
•
•
дополнительный рост ВВП;
создание рабочих мест, особенно
в депрессивных сельских регионах;
рост доходов фермеров, оживление
местной экономики;
дополнительные федеральные и местные
налоги;
контроль цен на бензин;
чистый воздух в мегаполисах.
Производство биоэтанола
ОБЪЕМ ПРОИЗВОДСТВА БИОЭТАНОЛА
ПО ПРОГНОЗУ МЕЖДУНАРОДНОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АССОЦИАЦИИ (IEA)
ПРОИЗВОДСТВО БИОЭТАНОЛА В
НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ СОСТАВЛЯЕТ 31,4
млн.т
Остальные страны 10%
Бразилия
43%
США
47%
В России биоэтанол не производится,
Потенциальный рынок – более 3,6 млн.т
ПО ДАННЫМ ВСЕМИРНОГО БАНКА РОССИЯ В
РЕЙТИНГЕ СТРАН ПО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ХОЗЯЙСТВА ЗАНИМАЕТ 111 место ИЗ 120!
Создание современного производства биоэтанола должно
отвечать требованию максимальной
энергоэффективности!
Чистый энергетический баланс
биоэтанола при использовании:
зерна
– 1,34
целлюлозосодержащего сырья – 2,62
СЕБЕСТОИМОСТЬ ЭТАНОЛА, $USA/л
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
1
2
1 – Бразилия (тростник)
2 – США (кукуруза)
3 – Россия (пшеница)
3
4
5
4 – Европа (пшеница)
5 – Европа (сахарная свекла)
Возможные варианты конверсии сырья
Лигноцеллюлозное и крахмалосодержащее сырье
Кислотный
гидролиз
Термическая и
механическая
обработка
Ферментативный
гидролиз
АЭРОБНЫЙ ПРОЦЕСС
Белковые препараты
Аминокислоты
Органические кислоты
Ферменты
Бактериальные удобрения
Биологические средства защиты растений
Ветеринарные препараты
Микробиологическая
утилизация лигнина
Микробиологическая
конверсия
АНАЭРОБНЫЙ ПРОЦЕСС
Органические кислоты
Спирты
Кетоны
Биогаз
Водород
Витамины
Удобрения
СХЕМА КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА
Водяной
F
Белковая
Z
Размол
V
фракция
Ф РАКЦИОНИРОВАНИЕ ЗЕРНА
Зерно
пар
P
Ф ЕРМЕНТОЛИЗ
II
A
Крахмальное
молоко
Вода
технологическая
Mo
G
C
L
Клетчатка
Ферментолизат
Ф ЕРМЕНТОЛИЗ
I
Ферменты
Ферментолизат
M
Y
ЭКСТРАКЦИЯ
Спирт
Обеднен-
СПИРТОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ный
Побочные
ферментолизат
продукты
U
Барда
Экстрагент
G+Y
Экстракт
Осадок
СУШКА
СУШКА
W
Сухая
барда
Фильтрат барды
F
Пищевой
концентрат
D
E
ОБОЗНАЧЕНИЕ ПОТОКА
Z
C
P
M
U
F
W
G+L
D
E
186
52
4,27
ВЕЛИЧИНА РАСХОДА, т/сутки
70
20
50
59,5
226
200
26
Схема переработки
соломы и отрубей
Сырье
ГИДРОЛИЗ
УПАРИВАНИЕ И ФИЛЬТРАЦИЯ
ГИДРОЛИЗАТА
СТЕРИЛИЗАЦИЯ СРЕД
Компост
КОМПОСТИРОВАНИЕ
ПЕРЕРАБОТКА
БАРДЫ
ДРОЖЖЕГЕНЕРАЦИЯ
РАЗДЕЛЕНИЕ КЖ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ОЧИСТКА
БРОЖЕНИЕ
ТЕРМОПЛАЗМОЛИЗ
СУШКА
РЕКТИФИКАЦИЯ
СКД
Этанол
Массовые доли и соотношения стоимостей
продуктов, получаемых при комплексной переработке
1 тонны зерна пшеницы
Компонент
Клейковина
Крахмал
Сироп
Биоэтанол
Отруби
Сухая
барда
Углекислый
газ
Электроэнергия
Масса
68
161
354
65,5
47
248
63
-
Массовая
доля
6,7
16,0
35,2
6,5
4,7
24,6
6,3
Стоимость
2139 1563 3742 1454
173
918
331
322
Доля в
стоимости
20,3
0,02
8,7
3,2
3,1
14,9
35,8
13,9
ПАДЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ГАЛЛОНА
ЭТАНОЛА ПРИ ВНЕДРЕНИИ
ЦЕЛЛОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ ФИРМЫ
Genencor International
0,2 $USA 2006 г
5 $USA 2001 г
Лесистость Земли
27
Лесистость России
45,3
73
54,7
ЗАПАС ДРЕВЕСИНЫ В РФ В 10 РАЗ БОЛЬШЕ,
ЧЕМ В МИРЕ, В РАСЧЕТЕ НА ОДНОГО
ЧЕЛОВЕКА
В Республике Татарстан, где
лесистость территории составляет
лишь 17%,
в настоящее время
не используется
500000 куб.м. древесины
березы и осины, что составляет
почти 80% расчетной лесосеки
ТОПИНАМБУР
– перспективное сырье
Выход этанола на субстрате из топинамбура на
23% выше, чем на субстратах древесного
происхождения.
В Сибирском государственном технологическом
университе, г. Красноярск (repyakh@sibstu.kts.ru)
проведена обработка массы стеблей топинамбура:
экстракция горячей водой – до 32% от СВ, остальные
СВ - гидролиз разбавленной серной кислотой.
Оптимальная продолжительность гидролиза – 105
минут при температуре 160 °С, выход РВ – 54% от СВ.
Состав экстракта и гидролизата
стеблей топинамбура,
% масс. от РВ
Фруктоза
Глюкоза
Галактоза
Арабиноза
Ксилоза
Состав
экстракта
49,9
34,1
16,0
0
0
Состав
гидролизата
37,7
48,6
0,9
8,6
4,2
Компонент
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра Химической кибернетики
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА СВЕКЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОБОГАЩЕННОГО
БЕНЗИНА С ПРИСАДКОЙ БИОЭТАНОЛА И СОПУТСТВУЮЩИХ ПРОДУКТОВ
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОИЗВОДСТВА
(предварительный расчет)
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра Химической кибернетики
Массовые доли и соотношения стоимостей
продуктов, получаемых при комплексной переработке
1 тонны сахарной свеклы
Продукт
Этано
л
Пектин Кормовы
е
дрожи
Биогум
ус
Лимонная
кислота
Масса продукта,
кг
60
10
74
110
4,93
Массовая доля
продукта, %
23,2
3,9
28,6
42,4
1,9
Общая
стоимость
продукта,
руб.
1080
2800
296,0
291,5
172,6
Доля в
стоимости
продукции, %
23,3
60,3
6,4
6,3
3,7
ВЫХОД ЭТАНОЛА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СЫРЬЯ
Выход этанола
в л/т
Выход спирта из биомасс
10% влажности
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Виды сырья
8
9
1 – солома ржаная
2 – сухая зеленая масса
топинамбура
3 – клубни топинамбура
(пересчет на 10% влажности)
4 – овес (зерно)
5 – сахарная свекла
(пересчет на 10% влажности)
6 – ячмень (зерно)
7 – пшеница (зерно)
8 – рожь (зерно)
9 – кукуруза (зерно)
Высокую
рентабельность
производства
биоэтанола можно обеспечить, если выбрать
сырье, позволяющее производить достаточно
ценные продукты кроме этанола и если доля
последнего в суммарной стоимости продукции
комбината не превысит ориентировочно 35 - 40%.
Этим требованиям в полной мере удовлетворяет
топинамбур, надземная масса которого дает в
пересчете на 1 га 3-4 т спирта.
Выход спирта из зеленой массы топинамбура в 1,5-2
раза выше выхода спирта при переработке зерна
кукурузы, пшеницы, ячменя в расчете на гектар
угодий.
Себестоимость спирта, получаемого из зеленой
массы топинамбура по оценкам канадских
экономистов составит
0,14 – 0,15 $USA за 1 литр.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ
ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Паровзрывной гидролиз клетчатки
Рециркуляция кислоты с применением мембранных технологий
Двустадийный химический и энзиматический гидролиз сырья
Низкотемпературный гидролиз сырья разбавленными кислотами
Ферментативный гидролиз без разваривания
Применение осмо- и термотолерантных штаммов дрожжей
Применение сапрофитов, бактериальных культур вместо дрожжей
Применение мутантных штаммов с отгонкой и переработкой
ацетальдегида
Вакуумная, экстрактивная и мембранная ферментации
Рециркуляция фильтрованной бражки через бражную колонну
Глубокая переработка сырья с использованием непищевых материалов
Деконтаминация сырья
Применение реакторов интенсивного действия для аэробного
выращивания чистой культуры и дрожжегенерации
Применение эффективного аппаратурного оснащения энергоемких
процессов, например пленочных и роторных выпарных аппаратов,
тепловых насосов и др.
Газификация сырья, химический и микробиологический способ
получения этанола и др. продуктов из синтез-газа
Получение сырья за счет жизнедеятельности генетически измененных
цианобактерий
Продуктивности установок по
производству этанола при использовании
отечественных рас дрожжей, кг/м3·час
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
1 – традиционная схема
2 – рецикл по биомассе
3 – брожение под вакуумом
концентрация
клеток, млн/мл
РОСТ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В АЭРОБНЫХ И
АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
время роста, час
аэробный процесс
анаэробный процесс
15
СТЕНД БИОРЕАКТОРА КОЛОННОГО ТИПА С МЕМБРАННЫМ
УЗЛОМ СТЕРИЛИЗАЦИИ КИСЛОРОДА
СИСТЕМА ОТБОРА ГАЗОВОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ
РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС
ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЦИКЛОНЕ
ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЕ НАСОСЫ ПОДАЧИ
ЖИДКИХ СРЕД
КОРПУС БИОРЕАКТОРА
Результаты выращивания посевного материала в
биореакторе интенсивного действия объемом 10 м3
№
п/п
Показатель
1. Длительность выращивания, ч
2. Прирост концентрации биомассы продуцента, кг АСБ/м3
3. Съем биомассы, кг АСБ
4. Величина конечного объема
культуральной жидкости, м3
5 Скорость роста,
кг АСБ/м3*час
6. Средний удельный расход
энергии, квт·ч/кг АСБ
Регламентный
процесс
18,0
Экспериментальные
процессы
№1
№2
№3
22,5
23,0
22,5
11,55
45,50
57,75
181,09 169,40 154,35
38,50
36,75
5,00
3,98
4,40
4,20
3,21
8,05
7,37
6,86
4,83
2,10
2,04
2,39
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ
• 55% энергетических затрат в традиционном
производстве приходится на дистилляцию.
• Токийский университет предложил
полимерную мембрану поли-низопропилакриламид-ко-низопропилметакриламид, посаженную с
применением плазменной технологии на
пористую полиэтиленовую мембрану.
Пропускает этанол при концентрации выше
8%, не пропускает при меньших
концентрациях. Цеолитная полупроницаемая
мембрана концентрирует поток до 80%
этанола. Обезвоживающая мембрана
поднимет концентрацию до 99,5%.
• Энергозатраты при этом составят 1/3 от
затрат при дистилляции.
СИНЕЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ
• Доктор Devid Nobls (университет штата Техас
в Остине) ввел в ДНК синезеленых
водорослей гены от укскснокислых бактерий,
отвечающие за производство глюкозы.
Водоросли стали выделять гель, содержащий
целлюлозу. Они не требуют плодородных
почв, поливать можно сточными водами и
даже морской водой. «Урожай» снимать
можно непрерывно!
• Для выработки равного количества этанола
потребуется только 3,5% земли от площади
под кукурузу или сахарный тростник.
Комплексирование производств
(некоторые перспективные технологии)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Окисление лигнина с получением сиреневого альдегида, ванилина и
пара-гидроксибензальдегида
Производство топливных брикетов, лигноугля, сорбентов,
Производство электроэнергии из отходов
Получение жидкого топлива (сырья) путем мягкого пиролиза отходов
Применение смешанных культур для переработки барды
Обогащение барды гидролизатами с увеличением производства СКД
Использование барды в качестве удобрения
Получение продуктов микробиологического синтеза на основе эфироальдегидной фракции и других отходов (например кислот цикла Кребса)
Ректификация с получением органических растворителей
Переработка органических отходов с помощью вермикультуры
Утилизация низкопотенциального тепла в тепличном хозяйстве
Глубокая система многоступенчатой очистки стоков с использованием
водных растительных ценозов в системе замкнутого водопользования
Эффективное производство
биоэтанола
Доля биоэтанола в
суммарной
стоимости
продукции не
превышает 35%
Обогащение барды и
ее переработка с
помощью микробных
ассоциаций
Сопряжение
технологических
процессов и
сокращение числа
стадий
Плотные
культуры и
обеспечение
асептики
Аппаратура
интенсивного
действия
Низкий
удельный
расход энергии
НЕОБХОДИМЫ РАБОЧИЕ
ГРУППЫ ПО РАЗВИТИЮ
ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ:
1. зернового хозяйства
2. лесного хозяйства
3. сельскохозяйственного
производства пектинсодержащих культур
(топинамбур, сахарная свекла)
БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ