Диссертация (1155420), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Достаточно высокие выходы масла могут давать также сафлоркрасильный и рыжик посевной. При этом применение для производства БТподсолнечника,обеспечивающегосопоставимыйвыходмасла,врядлицелесообразно, так как подсолнечное масло в первую очередь представляетпромышленный интерес как традиционный пищевой продукт.Поскольку,поимеющимсяданным,урожайностьятрофысильноварьируется [167], и пока работы, направленные на преодоление этого недостатка,нельзя считать завершенными [168,176,200,209], то при производстве БТ в Россиицелесообразно рассмотреть другие масличные растения.
При этом очевидно, чтодля переработки соответствующих БМ в БТ необходимо применять технологиивторого поколения, которые обладают достаточно высокой экономическойэффективностью.Промышленные отходы органического происхождения, как сырье дляпроизводст ваБТ.Накопление промышленных отходов, включая отходырастительного происхождения, и необходимость их утилизации привлекаютвнимание к данной проблеме многих исследователей. В начале XXI векаперспективы использования таких отходов для производства БТ стали одним из107активно обсуждаемых аспектов общей проблемы, что нашло отражение в рядеобзоров [142,179,185,204].По некоторым данным, в мире накопление сырья, содержащего ЛГ, можетдостигать около 200 млрд.
тонн в год, и этот ресурс доступен для преобразованияв биоэтанол, а также в другие продукты, которые не используются длякоммерческого производства БТ, но обладают существенной добавленнойстоимостью [142]. При этом особо отмечается, что биоэтанол является полностьювозобновляемым видом БТ, поскольку при его горении образуется углекислыйгаз, который снова ассимилируется растениями и с помощью фотосинтетическихпроцессов превращается в углеводы [142].Основные подходы к производст ву БТ. Для преодоления выявленныхнедостатков в XXI веке был разработан ряд инновационных подходов итехнологий.
Они привели к созданию новых видов производства и продуктов,которые получили название «БТ второго и третьего поколения» [112].К числу таких подходов и технологий относят применение пиролиза процесса, в ходе которого при повышенных температурах и в отсутствиекислорода быстро происходит термохимическое разложение ЛГ-материалов[112,162,180]. Основным продуктом этого процесса становится левоглюкозан ангидрид гексозы (шестиуглеродный моносахарид), который считают наиболееудобным субстратом для дальнейшего превращения в БТ второго поколения[112.162] . С этой целью продукты пиролиза подвергают, например, специальноймикробной конверсии для получения готового БТ, в частности, биоэтанола[112.162] .Другой инновационный подход для получения БТ второго поколения связанс использованием в биотехнологических процессах особых комбинированныхмикробных культур (также широко описанных в литературе) [112,205].Кроме того, при производстве БТ второго поколения важное вниманиеуделяется так называемому нетрадиционному сырью [112,202].
С той же цельюпредлагается использование БМ из микроводорослей. Очевидно, что в РФ, гдеактивно растущие микроводоросли являются проблемой для ряда крупных и108мелких водохранилищ (например, на Волге), указанный вид сырья можетпредставлять особый интерес. В странах с тропическим климатом (например, вМалайзии) активно обсуждаются перспективы использования для производстваБТ второй генерации таких видов сырья как пальмовое масло, БМ из сырого риса,ананасов, бананов и других тропических растений [112,131].Ряд авторов выход на уровень БТ третьего поколения связывает сиспользованием в качестве сырья БМ из зеленых макроводорослей [112,133].Параллельно ведутся разработки инновационных подходов для включения впромышленное производство БТ третьего поколения в качестве «гибкого сырья»(«FlexibleFeedstockConceptinIndustrialBiotechnology»)разнообразныхальтернативных углеродсодержащих источников [112,208]. Естественно, что этойпромышленности требуются и специальные микробные культуры.Условия производст ва БТ.
В самом общем виде задачи, решаемые припроизводстве биогаза и биоэтанола, сводятся к тому, чтобы обеспечитьпреобразование высокомолекулярных органических веществ (прежде всегополисахаридов) в метан и другие газообразные вещества или этиловый спирт. Изэтого следует, что разработанные для этого биотехнологии и промышленноеоборудование имеют ряд общих черт. Фактически иные задачи возникают припроизводстве биодизеля - продукции, которая представляет собой смесьмоноалкильных эфиров жирных кислот с одноатомными спиртами (метанол,этанол и др.). Как следствие, непосредственными материалами для производствабиодизеля становятся жиры и масла как растительного, так и микробногопроисхождения-соединения,представляющиесобойвосновномтриацилглицеролы (далее - ТАГ) [112].Тем не менее можно выделить некоторые общие принципиальные стадии впроизводстве традиционных видов БТ, которые представляют интерес каквозможные участки для внедрения инноваций и соответственно повышенияконкурентоспособности конечной продукции.
Схематически пять этих стадийпоказаны на Рис. 16 [92,112,157].109ВЫБОР ЭКОНОМИЧЕСКИ ОБОСНОВАННОГО СЫРЬЯAПОДГОТОВКА СЫРЬЯ К ПЕРЕРАБОТКЕBИСПОЛНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯПРОДУКТАCПОДГОТОВКА ПРОДУКТА К РЕАЛИЗАЦИИDПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОДУКТА КОНЕЧНОМУ ПОТРЕБИТЕЛЮEР и а 16. Основные производственные стадии процесса создания БТИсточник: составлено автором по материалам [92,112,157]Очевидно, что рациональные решения на каждой из стадий будутопределятьсебестоимостьпродукциии,соответственно,ееконкурентоспособность, хотя только на стадиях B, C и D представленынепосредственнопроизводственныепроцессы.Естественно,чтовыборэкономически обоснованного сырья во многом определяется региональнымиособенностями размещения производства БТ.
Так, например, в странах стропическим климатом (Индия, Бразилия, Малайзия и др.) для производствабиоэтанола активно применяется патока сахарного тростника, зерно кукурузы иБМ других теплолюбивых растений, а для производства биодизеля - пальмовоемасло [92,112,131,157].Для каждоговида БТстадияC характеризуетсяспецифическимиособенностями. Однако практически все биотехнологии, применяемые дляполучения конечных продуктов, реализуются с помощью разнообразныхбиореакторов, в которых осуществляются соответствующие биохимическиепроцессы обычно с участием определенных штаммов микроорганизмов (бактерийили дрожжей). Списки таких промышленных микроорганизмов, приводимые всовременных обзорах, насчитывают десятки штаммов, включая целый рядпродуктов генной инженерии [92,112,157,183].При производстве биогаза комплекс биотехнологических процессов,используемых на стадии C, обычно включает в себя четыре фазы: гидролиз,110кислотообразование, ацетогенез/дегидрирование и метанообразование (hydrolysis,acidogenesis, acetogenesis/dehydrogenation, methanation) [112,183,207].
Обычнообразующийся продукт состоит из метана (40-70%), диоксида углерода (22-55%)и некоторых других сопутствующих соединений [112,157].Стадия C при производстве биоэтанола из сырья, содержащего ЛГ,традиционно предусматривает решение двух основных технологических задач:гидролиз присутствующих в сырье углеводородов до простых сахаров ивосстановление этих сахаров (ферментация) до этанола [112,132,157].По некоторым данным, выход биоэтанола при использовании современныхбиотехнологических решений может приближаться к 95% от теоретическихвеличин [112,183].Для получения биодизельного топлива на стадии C ТАГ, имеющиеся виспользуемомсырье,подвергают химическойреакциипереэтерификации[92,112,141,147].В ходе этой реакции ТАГ в присутствии катализатора гидролизуют иобразовавшиеся жирные кислоты этерифицируют одноатомными спиртами (какправило, с метиловым и/или этиловым спиртом).
Таким образом, продуктамиреакции становятся моноалкильные эфиры жирных кислот (биодизель) иосвободившийся из ТАГ глицерин. При соблюдении оптимальных условий,количественный выход биодизеля может достигать 98% [112,147]. Естественно,что при производстве биодизеля биотехнологические решения и оборудование,включающее специальные биореакторы, обладают рядом особенностей, которыезначительно отличают это производство от производства других видов БТ [112].На стадии D при производстве биогаза полученный продукт рассматриваюткак аналог природного газа и с учетом этого готовят к отправке потребителям.
Всвоюочередь,биоэтанолибиодизель,представляющиесобойаналогисоответствующих видов жидкого топлива, производимого при нефтепереработке,готовят к реализации как огнеопасные жидкости [112].Наконец, на стадии E осуществляются поставки биогаза потребителям,которыми часто становятся теплоэлектростанции или другие генерирующие111теплоустановки.Приэтомпобочныйпродуктпроизводствабиогаза(переброженная БМ) может найти применение в качестве биоудобрений[112,183,207].Технологическиерешенияпроизводст ваК настоящему времениБТ.предложен целый ряд технологических решений для экономически выгоднойутилизации в промышленных масштабах органических отходов, содержащих ЛГ,с получением в качестве конечных продуктов различных видов БТ и некоторыхорганических соединений [142,179,185,204]. Так, в Индии, США и Бразилии ужесуществуют заводские комплексы, предназначенные для переработки различныхпромышленных отходов как в биоэтанол, так и в биодизель.
Обобщив материалыряда недавних публикации зарубежных и отечественных исследователей[112,150,185,204], современную организацию производства различных видов БТ(второе поколение) можно детализировать в виде схемы, включающей в себя пятьотмеченных выше основных стадий (Рис. 17).Термохимический м етодБиохимическийм етодВ ы бор и приобретениеМ етоданаэробногоброженияРастительное иЛнгоноцеллюлозаэкономическиорганическоеобоснованного сырьясырьеП одготовка сырья кП ереработкаП редв арительнаяТермическийпереработкебиомассыобработкагидролизГ азификацияОчистка отПиролизИсполнение биотехнологических решений дляГ азоподготовкаполучения продуктовк реализацииОбогащениеП одготовка иулучшениеП редставлениепродуктов конечномуПреобразованиеА наэробное(ферменты,брожениекислоты, тепловаяэнергия)СинтезП одготовка продуктовГидролизпримесейФерментацияДистилляцияОчисткаБиоэтанол,БиоводородпотребителюсмешанныеспиртыРис.
17. Схема современной организации производства БТ112БиометанИсточник: составлено автором по материалам [112,150,185,204]Естественно, что на каждой из указанных стадий этапов присутствуетмножество различных факторов, которые вносят свой вклад в себестоимостьконечнойпродукциииспособныоказатьсущественноевлияниенарентабельность производства.
В следствие этого, предварительное определениеэтих и других экономических показателей представляется весьма важнымизадачами при планировании производства БТ (в частности, в конкретныхроссийских регионах). При этом, по сообщениям некоторых зарубежных авторов,производство, организованное подобным образом, способно из растительного идругого сырья ежегодно выпускать, например, около 100 000 тонн биодизельноготоплива [185]. Очевидно, что в России, при организации производства БТ, средисырья,содержащегодеревообрабатывающейЛГ,видноепромышленности,местоамогуттакжезанятьдругиеотходыматериалырастительного происхождения.Недостатки производст ва БТ. Накопленный за несколько десятилетийопыт производства различных видов БТ выявил ряд проблем и недостатков.Например, были получены данные о том, что при производстве биоэтанола из ЛГБМ образуются промежуточные продукты, которые оказывают цитотоксическоедействие на микроорганизмы, используемые на стадии C.
Как следствие, началисьразработки технологий для предварительного достижения детоксикации ЛГ материалов [112,132]. Далее: оказалось, что один из наиболее распространенныхпроцессов получения биодизельного топлива «трудно назвать экологическичистым и безопасным» [92,112], поскольку применяемые технологии включают всебя использование в качестве обязательных реагентов (катализаторов) сернойкислоты и щелочи. Более того, для этого производства требуется обеспечениеповышенной температуры в реакторе, которая близка к температуре испарениявысокотоксичного метанола - одного из принципиально важных участниковреакции образования конечного продукта (моноалкильные эфиры жирных кислот,см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
