Евгений Панцхава - Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

В 2009 году мировое производство составило 59.3 млн. т (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США (31.2 млн. т -54 %), Бразилия (19.4 млн. т – 34 %) и ЕС-2.9 млн. т (5 % мирового производства).

19 декабря 2007 года президент США подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA от 2007 предусматривает производство 132.5 млн. тонн этанола в год к 2022 году. При этом 73 млн. куб. м или 60 млн. т этанола будет производиться из целлюлозы – не пищевого сырья.

Топливные смеси этанола Е5, Е7, Е10 – смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые на рынке.

Рис. 7–7. План типичного американского завода биоэтанола. [7–9].

Топливный баланс этанола равен 1.24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Топливный баланс бензина хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

Рис. 7–8. Схема производство этанола из пшеничной муки.[7-10].

Рис. 7–9. Завод по производству этанола в Зап. Бёрлингтоне, шт. Айова, США. [7-11] / Рис. 7-10. Заправочная станция в Бразилии, продающаяэтанол. [7-11].

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2. Это открывает широкие возможности для России.

Рис. 7-11. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе [7-56].

Рис. 7-12. GM создал Hummer H3 на биотопливе [7-57]

Рис. 7-13. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе [7-58].

Крупнейшие автопроизводители США Форд и Дженерал Моторс уже создали модели автомобилей, работающих на этаноле. Остается только сделать альтернативное топливо более дешевым и доступным. Автомобиль был припаркован у здания Конгресса США в то самое время, когда там обсуждались проблемы развития производства топлива из биомассы в мае этого года. [7-62].

Рис. 7-14. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо [7-59].

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).[7-12].

Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа: а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который может быть непосредственно преобразован в этанол; б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара; в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т. д., которая должна быть превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза. [13].

Рис. 7-15. Отходы переработки сахарного тростника (багасса) [7-13].

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.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде – около $35 за баррель нефтяного эквивалента.(22 цента/ литр).

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

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.

Известный с давних времён способ получения этанола – спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действиемферментов дрожжей и бактерий

Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C 6H 12O 6→ 2C 2H 5OH + 2CO 2

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.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

• подготовка и измельчение крахмалистого сырья – зерна (прежде всего – ржи, пшеници. Картофеля и др.);

• 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, амило-субтилин.

• брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла.

Барда используется для производства кормов.

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.