Получение биоэтанола из органического сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.534

С. Б. ЧАЧИНА А. В. ДВОЯН

Омский государственный технический университет

ПОЛУЧЕНИЕ БИОЭТАНОЛА ИЗ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

В статье рассмотрены способы получения биоэтанола из различных видов органического сырья: картофель, свекла, банан, навоз конский, навоз коровий, птичий помет, солома, опилки, опавшие листья.

Получение спирта из растительного сырья (картофель, бананы, свекла) показало низкую эффективность и высокую стоимость биоэтанола. Из свеклы и бананов получили небольшой объем 340—380 мл спирта с низким процентным содержанием от 40 % до 60 %. Использование отходов животноводческого комплекса позволило получить выход 95 % спирта от 165 до 200 мл. Наиболее эффективным и экономически выгодным является производство спирта из целлюлозосодержащих отходов (опилки). Ключевые слова: биотопливо, биоэтанол, этиловый спирт.

В настоящее время производство биоэтанола является наиболее динамично развивающимся сектором биотопливной отрасли. На его долю приходится 85 % объема мирового производства биотоплив. Крупнейшие страны производители биоэтанола — США и Бразилия, на них приходится 89% объемов его производства [1]. Высокие темпы роста производства биоэтанола наблюдаются в странах Европейского союза. По состоянию на 1 февраля 2010 года, в странах ЕС работало около 50 заводов по выпуску этанола и около 20 заводов находилось в стадии строительства. Увеличение объемов производства и потребления биоэтанола в ЕС, в частности, является следствием решения задач европейской стратегии защиты окружающей среды и борьбы с глобальным потеплением планеты, направленной на постепенный отказ от нефти и газа и переход на новые возобновляемые виды топлива. Основное направление использования биоэтанола — получение смесевых топлив (этанол + бензин) с достаточно высоким энергосодержанием [2].

Биоэтанол в качестве топлива имеет как очевидные преимущества, так и ряд недостатков. К несомненным достоинствам биоэтанола относятся низкая токсичность и практически полное отсутствие выброса СО в продуктах сгорания, биоразлагаемость, возможность повышения эффективности использования ресурсов сельского хозяйства, снижение зависимости от нефти, снижение парникового эффекта. Основные недостатки этого направления — использование пищевого сырья, высокая стоимость (выше цен на нефть), нестабильные урожаи некоторых источников биомассы, низкая эффективность ферментирующих микробов, гигроскопичность и повышенный расход и низкая теплота сгорания этанольного топлива (по сравнению с нефтяным). Следует отметить, что во многих научных центрах ведутся активные исследовательские работы по устранению вышеперечисленных проблем использования этилового спирта в качестве топлива, и можно надеяться, что в ближайшее время многие из них будут устранены [3].

Биоэтанолом называется этиловый спирт низкой степени очистки, получаемый из возобновляемого источника — биомассы. Основным сырьем для его

производства являются крахмал и сахаросодер-жащие сельскохозяйственные культуры. В наших широтах — пшеница и кукуруза, а также меласса — отход свеклосахарного производства. Также биоэтанол может производится из целлюлозосодер-жащих отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Сейчас его себестоимость при использовании данного сырья выше, чем при использовании сельхозпродукции. Тем не менее в ближайшие годы планируется внедрение технологий, позволяющих значительно снизить затраты на производство биоэтанола из целлюлозы. В итоге его себестоимость может стать много ниже себестоимости бензина [4].

Потенциальным источником сырья для производства биоэтанола в нашей стране являются выведенные из сельхозоборота пахотные земли. Вследствие экономических реформ общая площадь пашни в России с 1992 года сократилась на 37 млн га и на 20 млн га в европейской части нашей страны. Производство биоэтанола может стимулировать возобновление использования этих земель. К примеру, один завод мощностью 100 тыс. тонн биоэтанола в год использует в среднем 300 — 400 тыс. тонн пшеницы, для выращивания которой требуется 100 — 200 тыс. га пахотных земель. Освоение пашни включает в себя не просто засевание пустующих земель, а создание комплексной инфраструктуры — закупку техники, строительство зданий, привлечение трудовых ресурсов. Помимо реализации стратегической задачи — введения в сельхозоборот земельных ресурсов, создание продукции на новых территориях сформирует дополнительный источник дохода для государственного бюджета. Возможно использование и других виды сырья для выработки биоэтанола, к примеру, мелассу. В нашей стране ежегодно ее производится около миллиона тонн. Также можно целенаправленно культивировать так называемые «энергокультуры». Перспективным является выращивание сладкого сорго, имеющего наибольший выход этанола с гектара посевной площади. Развитие производства биоэтанола может также способствовать решению социальных проблем на селе. Сейчас

Таблица 1

Основные результаты работы

Варианты опытов, № Сырье Количество сырья, г Серная кислота, кг Активный ил, г Вода, мл Дрожжи, мл Сахар, г Выход спирта, мл Содержание спирта, % об

1 Картофель 4000 0,150 800 4000 100 0 0 -

2 Орг.сырье 1000 0,0398 800 1000 100 0 0 -

3 Картофель 1000 0 0 2000 100 1000 450 70

4 КЭК 1400 0 0 2000 100 0 0 -

5 Картофель 1000 0,002 2000 2000 100 0 0 -

6 Опилки 150 0,004 0 600 100 600 725 90

7 Свёкла 3000 0 0 100 50 100 170 60

8 Банан 1000 0 0 1000 50 100 160 45

9 Картофель 1000 0 0 1000 50 180 235 70

10 Навоз конский 500 0,0025 0 1500 50 600 200 90

11 Навоз коровий 500 0,0025 0 1500 50 600 162 95

12 Птичий помет 500 0,0025 0 1500 50 600 195 95

13 Солома 500 0,0025 0 2500 50 600 370 75

14 Листья 500 0,0025 0 2500 50 600 400 55

15 Контроль 0 0 0 2000 50 600 425 70

№

уровень жизни в сельской местности — один из самых низких. Заработная плата у занятых в этой сфере в полтора —два раза ниже, чем у работников промышленности. Другой возможностью получения биоэтанола является использование целлюлозосо-держащего сырья. Перспективным сырьем является отходы деревообрабатывающей промышленности — стружки, опилки. До начала 90-х на территории России существовало около 40 гидролизных заводов, перерабатывающих древесную целлюлозу в спирт. Сейчас осталось лишь несколько. В случае нахождения путей реализации этанола можно будет восстановить и переоборудовать их в современные заводы, что позволит снизить капитальные затраты на развитие биоэтанольных мощностей. Основными импортерами могут стать страны Евросоюза. В ЕС принята официальная программа доведения доли биотоплива в топливном секторе до 5,75 %. Очевидно, что собственных ресурсов в этих странах будет недостаточно для достижения запланированных показателей [5].

Сырьевые источники животного происхождения столь же велики, сколь и ресурсы сырья растительного происхождения. В частности, ежегодный ресурс экскрементов животных и птиц в РФ оценивается в 600 млн тонн [6].

Сырьевые источники микробного происхождения не отличаются разнообразием; в основном это активный ил и илосодержащие осадки, образующиеся при биологической очистке сточных вод. Ежегодный ресурс их в РФ составляет около 88 млн м3 [7].

Из многих видов отходов в качестве сырья для биотоплива представляют интерес твёрдые бытовые отходы, конкретно-пищевые, а также — бумага, картон и древесные отходы. Общий ресурс твёрдых бытовых отходов в РФ оценивается в 35 млн т/год,

в том числе на долю перечисленных компонентов приходится от 55 % до 85 %, т.е. 20 — 30 млн т/год.

Другим вариантом может стать создание рынка топливных смесей с биоэтанолом в России. Проведенные испытания показали, что машины отечественного производства могут работать на 5 %-ной смести биоэтанола с бензином (Е5). С каждым годом увеличивается количество иномарок, которые могут использовать 10 %-ную смесь (Е10). Таким образом, потенциальный объем рынка топливного этанола в России может составлять от 1,5 до 3 млн т/год. Еще одним вариантом использования биоэтанола может стать производство этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ). Все больше стран в мире в силу экологических соображений переходят на данную топливную присадку. Бензин с ЭТБЭ по сравнению с Е10 имеет схожий экологический эффект, однако себестоимость его производства выше. С другой стороны, бензин с ЭТБЭ может распространяться в существующей автозапровочной системе, а для смесей с биоэтанолом требуются небольшие инфраструктурные изменения [8].

Материал и методы исследований. Материалом для настоящей работы послужили лабораторные исследования в течение пяти месяцев: с января 2013 по май 2014 г. включительно. Нами были изучены патенты и литература получения этанола в России. В соответствии с патентами было проведено 14 вариантов опытов, представленных в табл. 1.

Вариант 1. В соответствии с патентом России №1303034, С 12 Р 7/06) картофель 4000 г измельчали, добавляли 0,04 кг разбавленной 0,5 % серной кислоты и активного ила (800 г), полученного на очистной станции ОАО «Омскводоканал», воды (4 л). Прогрев сырья до температуры 200°С проводили в сушильном шкафу в течение 2 часов. Скорость гидролиза целлюлозы растительного сырья

Рис. 1. Выход спирта из органического сырья

и полисахаридов активного ила примерно одинакова, что способствует при таком режиме увеличению выхода моносахаридов, обогащает гидролизат неорганическими микро- и макроэлементами. Полученная после гидролиза реакционная смесь выводится из экструдера или другого аппарата непрерывного действия на отжим, отжатый остаток (лигнин) идет на производство органоминерального удобрения из шламовых отходов, лигнина, активного ила. Отделенный гидролизат нейтрализуется 25 % аммиачной водой. Нейтрализованный гидролизат с рН — 4,0 — 4,5 направляется в дрожжанку, где происходит взбра-живание — активация спиртообразующих дрожжей (100 мл).

Вариант 2. В соответствии с патентом России №1303034, С 12 Р 7/06) листовой опад и солому 1000 г измельчали, добавляли 0,152 кг разбавленной 0,5 % серной кислоты и активного ила (800 г), полученного на очистной станции ОАО «Омскво-доканал», воды (1 л). Прогрев сырья до температуры 200 °С проводили в сушильном шкафу в течение 2 часов. Полученная после гидролиза реакционная смесь выводится из экструдера или другого аппарата непрерывного действия на отжим. Отделенный гидролизат нейтрализуется 25 % аммиачной водой. Нейтрализованный гидролизат с рН — 4,0 — 4,5 направляется в дрожжанку, где происходит взбражи-вание — активация спиртообразующих дрожжей (100 мл).

Вариант 3. К 1 кг измельченного картофеля добавили 1 кг сахара, 2 л воды и 100 мл дрожжей.

Вариант 4. ОСВ 1400 г добавили 2 л воды, 100 мл дрожжей.

Вариант 5. К 1 кг измельнного картофеля добавили 0,002 кг серной кислоты, 2 л активного ила и 2 л воды и проводили гидролиз указанным выше способом при 200°С.

Вариант 6. К 150 г опилок, добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 600 мл воды, 100 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 7. К 3 кг измельченной свёклы добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара.

Вариант 8. К 1 кг измельченных бананов добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара.

Вариант 9. К 1 кг измельнного картофеля добавили 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 180 г сахара.

Вариант 10. К 0,5 л конского навоза добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 11. К 0,5 л коровьего навоза добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 12. К 0,5 л птичего помета добавили 0,0025 кг серной кислоты и гидролизовали при температуре 100 °С в течение 1 часа. Затем к полученной реакционной смеси добавили тертый мел для нейтрализации среды. К остывшей смеси добавили 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 13. К 0,5 л измельченной соломы добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 14. К 0,5 л опавшей листвы добавили 0,0025 кг серной кислоты, проводили гидролиз в сушильном шкафу при температуре 200 °С в течение 2 часов. Затем к гидролизату добавили 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Вариант 15. Контроль. К 2000 мл воды добавили 50 мл дрожжей, 600 г сахара.

Результаты исследования. В вариантах № 1, 2, 4, 5, содержащих осадок сточных вод ОАО «Омск-водоканал» процесс спиртового брожения не шел и выхода спирта не наблюдалось в связи с токсичностью ОСВ.

Получение спирта из растительного сырья. Вариант 3 (1 кг измельченного картофеля, 0,5 кг сахара, 1 л воды и 50 мл дрожжей) показал высокую эффективность по объему и % спирта. Выход спирта составил 225 мл, при %-содержании спирта

№

Рис. 2. Стоимость 1 л 70 % спирта

70 % (40 руб). Стоимость 1 литра спирта составляет 160 руб (рис. 1).

Вариант 7 (3 кг измельченной свёклы, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара) значительно уступал предыдущему варианту по выходу спирта. Из 1 кг свеклы и 100 г сахара получили 170 мл 60 % спирта, при стоимости 65 руб.). Стоимость 1 литра 60 % спирта составляет 382 руб, а стоимость 1 л 70 % спирта составляет 445 руб. (рис. 1).

Вариант 8 (1 кг измельченных бананов, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 100 г сахара) показал такую же эффективность, как вариант 7, но при более низкой стоимости (55 руб.). Из 1 кг бананов и 100 г сахара получили 160 мл 45 % спирта). Стоимость 1 литра 45 % спирта составляет 343 руб, а стоимость 1 л 70 % спирта составляет 531 руб. (рис. 1).

Вариант 9 (1 кг измельченного картофеля, 1000 мл воды, 50 мл дрожжей, 180 г сахара) незначительно уступал варианту 3 по выходу спирта, но был в 2 раза дешевле. Из 1 кг картофеля и 180 г сахара получили 235 мл 70 % спирта (25 руб.). Стоимость 1 литра спирта составляет 106 руб. (рис. 1).

Вариант 15. Контроль. К 2000 мл воды добавили 50 мл дрожжей, 600 г сахара (20 руб.). Вариант показал высокую эффективность, но потребовал высоких затрат сахаросодержащего сырья. Выход 70 % спирта составил 425 мл. Стоимость 1 литра 70 % спирта составляет 47 руб. (рис. 1).

Получение спирта из отходов животноводческих ферм. Вариант 10 (0,5 л конского навоза, 0,0025 кг серной кислоты, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал высокую эффективность и низкую стоимость (20 руб.). Выход спирта составил 200 мл 90 % спирта. Стоимость 1 литра 90 % спирта составляет 100 руб., а 70 % спирта - 78 руб. (рис. 1).

Вариант 11 (0,5 л коровьего навоза, 0,0025 кг серной кислоты, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара). Выход 95 % спирта составил 162 мл, при стоимости 20 руб. Стоимость 1 литра 95 % спирта составляет 123 руб., а 70 % спирта — 91 руб.

Вариант 12 (0,5 л птичьего помета, 1500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара). Выход 95 % спирта составил 200 мл при стоимости 20 руб. Стоимость 1 литра 95 % спирта составляет 100 руб., а 70 % спирта — 74 руб. (рис. 1).

Более эффективным и дешевым является производство спирта из птичьего помета, который явля-

ется токсичным отходом, не утилизируемым в сельском хозяйстве.

Получение спирта из целлюлозосодержащих отходов. Вариант 6 (150 г опилок, 0,0025 кг серной кислоты, 600 мл воды, 100 мл дрожжей, 600 г сахара) показал самую высокую эффективность выхода спирта при низкой стоимости (20 руб.). Опилки являются отходом дерево-обрабатывающей промышленности, не нашедшие практического применения в производстве в РФ. Выход спирта из опилок составил 725 мл при процентном содержании спирта — 90 %. Стоимость 1 литра 90 % спирта составляет 28 руб., а 70 % спирта — 22 руб. (рис. 1).

Вариант 13 (0,5 л измельченной соломы, 0,0025 кг серной кислоты, 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал среднюю эффективность при низкой стоимости (20 руб.). Выход спирта составил 375 мл 75 % спирта. Стоимость 1 литра 75 % спирта составляет 54 руб., а 70 % спирта — 50 руб. (рис. 1).

Вариант 14 (0,5 л опавшей листвы, 0,0025 кг серной кислоты, 2500 мл воды, 50 мл дрожжей, 600 г сахара) показал низкую эффективность и низкий % спирта. Выход 55 % спирта составил 400 мл. Стоимость 1 литра 55 % спирта составляет 50 руб., а 70 % спирта - 64 руб. (рис. 1).

Заключение. Получение спирта из растительного сырья (картофель, бананы, свекла) показало низкую эффективность и высокую стоимость биоэтанола. Получение 1 л 70 % спирта из картофеля составляет от 106 до 160 руб, в зависимости от используемого метода. Из свеклы и бананов получили небольшой объем 340-380 мл спирта с низким процентным содержанием от 40 % до 60 %. Стоимость 1 л. 70 % спирта из свеклы составила 445 руб, а из бананов — 531 руб, что является экономически невыгодным (рис. 2).

Использование отходов животноводческого комплекса показало высокую эффективность и низкую стоимость биоэтанола. Выход 95 % спирта составлял от 165 до 200 мл. Стоимость 1 л 70 % спирта из птичьего помета составила 74 руб, из конского навоза — 78 руб, из коровьего навоза — 90 (рис. 2).

Наиболее эффективным и экономически выгодным является производство спирта из целлю-лозосодержащих отходов (солома, листья, опилки). Из соломы нами получено 370 мл 75 % спирта и из опилок 400 мл 55 % спирта. Стоимость 1 л спирта из соломы составила 50 р. за 1 л 70% спирта,

а из листьев — 64 руб/л. Наиболее экономически выгодным является получение спирта из опилок, т.к. стоимость 1 л спирта составляет 22 руб/л (рис. 2).

Ряд компаний предлагают использовать зерно для производства спирта (биоэтанола). Стоимость 1 л 70 % спирта составляет 50 руб., что является экономически невыгодным при нынешних низких урожаях зерновых. Зерно может быть использовано в пищевой промышленности, а также на корм скоту. Для производства биоэтанола выгоднее использовать отходы животноводческих ферм, опилки, опавшую листву.

5. Колесников, Б. А. Биотехнологическая переработка отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности / Б. А. Колесников // Рос. хим. журн. — 2011. — Т. 1, № 1. — С. 17-25.

6. Роговин, З. А. Химия целлюлозы / З. А. Роговин. — М. : Химия, 2009. — 136 с.

7. Рустамов, Н. А. Биомасса — источник энергии / Н. А. Рустамов, С. И. Зайцев, Н. И. Чернова // Энергия. — 2005. — № 6. — С. 20 — 28.

8. Воронина, А. Живое топливо: в России в производство «зеленого бензина» могут вложить $ 1 млрд. / А. Воронина // Ведомости. — 2006. — № 247 (29 дек.). — С. 77.

Библиографический список

1. Булаткин, Г. А. Перспективы и ограничения производства биотоплива II поколения из растительного сырья / Г. А. Булаткин // Экологический вестник России. — 2009. — № 10. — С. 49 — 52 с.

2. Воробьев, И. Г. О проблемах производства биотоплива в мире / И. Г. Воробьев // БИКИ № 8118872, 21.07.2005. — С. 12—14.

3. Проблемы и решения / С. В. Калюжный [и др.] // Итоги науки и техники: ВИНИТИ АН СССР. — М., 1988. — Т. 21. — С. 22 — 24.

4. Кокорин, А. О. Климат — проблема экономическая / А. О. Кокорин // Академия энергетики. — 2007. — № 5. — С. 4—7.

ЧАЧИНА Светлана Борисовна, кандидат биологических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Химическая технология и биотехнология» Омского государственного технического университета (ОмГТУ); старший преподаватель кафедры биологии Омской государственной медицинской академии. Адрес для переписки: [email protected] ДВОЯН Артем Витальевич, студент группы ХТБ-420 ОмГТУ.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 24.06.2014 г. © С. Б. Чачина, А. В. Двоян

удк 574.3:591.6 С. Б. ЧАЧИНА

О. С. КАРАВАЕВА

Омский государственный технический университет Омская государственная медицинская академия

ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЕ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ: НАВОЗНЫЙ ЧЕРВЬ (E. FETIDA) И КАЛИФОРНИЙСКИЙ ЧЕРВЬ (E. ANDREI) ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГУМУСА_

В лабораторном эксперименте изучены показатели навозного червя (Е. fetida), калифорнийского червя (E. andrei) в условиях загрязнения субстрата угольной золой (при 50 г/кг), 100 г целлюлозосодержащих отходов, 200 г/кг пищевых отходов. В процессе рекультивации почв, загрязненных угольной золой, отмечено снижение содержания мышьяка и никеля на 0,47 мг/кг навозным червем и отмечено увеличение содержания гумуса калифорнийским червем на 10—12,6 %, а навозным червем — на 9 %.

Ключевые слова: дождевые черви, микроорганизмы, отходы.

О том, что дождевые черви улучшают качество почвы, было известно еще в древние времена. Разведение земляных червей (вермикультура) позволяет переработать различные виды органических отходов в качественное экологически чистое удобрение — биогумус. Для разведения червей под-

готавливают компост из различных органических отходов: навоза, куриного помета, соломы, опилок, опавших листьев, сорняков, веток деревьев и кустов, отходов перерабатывающей промышленности, овощехранилищ и т. д. После того как в компосте условия среды приводят к оптимальным,