lecture16 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004), страница 2

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)16.4. Спиртовая ферментация (брожение)16.4.1. Методы получения спиртаЭтиловый спирт (этанол) C2 H 5OH в естественных условиях образу-ется из cахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде, pH –от 4 до 5.

Подобный процесс спиртовой ферментации во всем мире используют для получения питьевого спирта. Наиболее часто используемые микроорганизмы – дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae – погибают при концентрации спирта выше 10%, поэтому для повышения концентрации используютперегонку или фракционирование (рис. 16.4.1.1). После перегонки (дистилляции) получается кипящая при постоянной температуре смесь: 95% этанолаи 5% воды. Обезвоженный этанол в промышленных условиях производитсяпутем совместной перегонки с растворителем типа бензола. При брожениитеряется лишь 0,5% энергетического потенциала cахаров, остальные затратыэнергии связаны с перегонкой. Необходимую тепловую энергию можно получить, сжигая остающиеся отходы биомассы.Рис.

16.4.1.1. Производство этанолаНиже перечислены процессы производства этанола из различных культур в порядке возрастания трудностей переработки.1. Непосредственно из сахарного тростника. Обычно промышленнуюhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем7Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)сахарозу получают из сока сахарного тростника, а остающуюся патоку используют для получения спирта (рис. 16.4.1.1).

Основная реакция превращения сахарозы в этанол имеет видC12 H 22O11 + H 2O ⎯дрожжи⎯ ⎯⎯→ 4C2 H 5OH + 4CO2 . (16.4.1.1)На практике выход ограничивается конкурирующими реакциями и потреблением сахарозы на увеличение массы дрожжей. Промышленный выходсоставляет около 80% выхода, определяемого (16.4.1.1).2. Из сахарной свеклы вначале получают сахар для сбраживания, носвекла не дает достаточного количества отходов для получения тепла. Из-заэтого этанол дорожает.3. Из растительного крахмала, например, из злаковых или маниока;крахмал можно также подвергнуть гидролизу на сахар. Это основной энергоаккумулирующий углевод растений.

Состоит из двух компонентов с большоймолекулярной массой, амилозы и амилопектина. Эти крупные молекулы четко линейны и состоят из глюкозных остатков, соединенных углероднымисвязями, которые могут быть разрушены ферментами солода, содержащегосяв некоторых культурах, например в ячмене, или ферментами подходящихплесеней (грибков). Разрушить углеродные связи в крахмале можно и приобработке их сильными кислотами ( pH ≈ 1,5 ) при давлении 0,2 МПа, но выход сахаров при этом снижается, а сам процесс по сравнению со сбраживанием удорожается.4. Из целлюлозы, которая содержит до 40% всей сухой биомассы и потенциально является обширным возобновляемым источником энергии. Имеетполимерную структуру связей молекул глюкозы. Соответствующие связимолекул глюкозы в целлюлозе значительно труднее поддаются гидролизу,чем у крахмала.

В растениях целлюлоза тесно связана с лигнином, препятствующим ее гидролизу до сахаров. Подобно крахмалу возможен гидролизцеллюлозы в кислой среде, однако этот процесс дорог и требует подводаэнергии. Гидролиз удешевляется и становится менее энергоемким при исhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем8Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)пользовании грибков, но в этом случае процесс идет слишком медленно. Воснове промышленного процесса лежит использование измельченной древесной массы или старых газет. Механическое разрушение древесины – наиболее энергоемкая и дорогая стадия процесса.Промышленное производство этанола зависит и от многих факторов,включая энергетические и экономические. Необходимо обратить вниманиена то обстоятельство, что использование различных видов отходов биомассыдля выработки электроэнергии и обеспечения производства теплом – основарентабельности получения этанола. В табл. 16.4.1.1 приведены данные попроизводству этанола из некоторых технических культур.Таблица 11.7.Выход этанола из некоторых технических культурКультураВыход этанола из 1 ткультуры, л/тСахарный тростник70Маниок180Сладкое сорго86Сладкий картофель125Зерновые (кукуруза)370Плодовые16016.4.2.

Использование этанола в качестве топливаЖидкие топлива чрезвычайно важны из-за удобства использования ихорошего управления сгоранием в двигателях. Можно вводить в несколькопеределанные бензиновые двигатели прямо 95%-ный этанол, а можно подавать в обычный двигатель смесь из 100%-ного этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10.Обезвоженный этанол – жидкость в интервале температур от –117 до+78 °С с температурой воспламенения 423 °С.

Применение его в двигателевнутреннего сгорания требует специального карбюратора. Поэтому и смешиhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем9Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)вают бензин с обезвоженным этанолом (20 % по объему) и используют этусмесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях. Газохол в настоящеевремя – обычное топливо в Бразилии (этанол там получают из сахарного тростника и маниока), используют его и в США (этанол из кукурузы). Важнаяособенность этанола – способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, из-за этого он гораздо предпочтительнее добавок из тетраэтилсвинца, вызывающего серьезные загрязнения атмосферы.

Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-ное увеличение мощностипо сравнению с чистым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно теплота сгорания (24МДж/м3) на 40% ниже чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горениеэтанола компенсирует это уменьшение теплотворной способности. Опытподтверждает, что двигатели потребляют примерно одинаковое количествогазохола и бензина.Литература1. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки.

– М. Агропромиздат, 1987.2. Дубровский В.С., Виестур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. – Рига: Зинатие, 1988.3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. –М. Энергоатомиздат, 1990. – 392 с.Содержание16.

Использование биотоплива для энергетических целей ................................ 116.1. Производство биомассы для энергетических целей................................... 116.2. Пиролиз (сухая перегонка)............................................................................ 2http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем10Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)16.3. Термохимические процессы ......................................................................... 516.4.

Спиртовая ферментация (брожение)............................................................ 716.4.1. Методы получения спирта ......................................................................... 716.4.2. Использование этанола в качестве топлива .............................................

9Литература ............................................................................................................. 10http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем11.