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
Введение
. Биоэтанол
.1 Сырьё для производства биоэтанола
. Методы
производства биоэтанола
.1 Брожение
.2 Промышленное производство спирта
из биологического сырья
.3 Гидролизное производство
.
Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива
. Биобутанол
.1 Применение биобутанола
.2 Сырье для производства
биобутанола
.
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 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
.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:
6H12O6
→ 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 Промышленное производство спирта из
биологического сырья
Современная промышленная технология получения
спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:
) подготовка и измельчение крахмалистого сырья -
зерна (прежде всего, ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.
) 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.
) брагоректификация. Осуществляется на разгонных
колоннах (например, «Комсомолец»).
Отходами бродильного производства являются барда
и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.
.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.
.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.
.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 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:
. 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;
. 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.;
. Биобутанол - гораздо менее
агрессивное вещество, чем биоэтанол, поэтому может транспортироваться по
существующим топливным трубопроводам, тогда как биоэтанол должен
транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;
. 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.
. 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;
. Производство биобутанола
помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом;
. Измененный биобутанол имеет
более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем биоэтанол (8 Вт-ч/г);
. 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:
)Биобутанол выделяют из тех же
продуктов сельского хозяйства, что и сам биоэтанол - кукуруза, пшеница,
сахарная свекла, сорго, кассава и сахарный тростник;
)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;
)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.
Список использованной литературы
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.;
.
Карпов С.А. Биобутанол - биотопливо II
поколения / С.А.Карпов // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2008. - №7. -14-16
с.;
.
Шлегель Г. Общая микробиология: Учеб. для вузов / Г.Шлегель.. - М.: Мир, 1987.
- 293-295 с.