Получение биотоплива из растительного сырья
 Скачать 352.75 Kb.
|
|
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 переработки целлюлозы растений (биобутанол II 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. |