Борщевик как источник биотоплива: перспективы
Культивация растения борщевик началась после ВОВ, когда стране требовалась неприхотливая кормовая культура. В тот период сельское хозяйство находилось на спаде из-за прошедшей войны. Поэтому новая кормовая культура, выдерживающая резкие температурные колебания и произрастающая на разных по составу почвах, должна была спасти сельское хозяйство от окончательного упадка. Борщевик Сосновского стал идеальным кандидатом: растение легко адаптировалась под условия окружающей среды, быстро росло и так же стремительно размножалось. Однако силос из него получался жидким и непитательным. Скот, вскормленный борщевиком, давал кислое молоко. Животные, долго питающиеся этим растением, становились бесплодными. Помимо этого, растение оказалось ядовитым для людей.
По этим причинам от культивации растения отказались и возвели в категорию сорняков. Размножается борщевик быстрыми темпами. Он вытесняет собой другие виды растений и вредит окружающей среде. Избавиться от растения сложно: оно выдерживает морозы -40-50°C, способно долго обходиться без влаги и невосприимчиво к высоким температурам. И раз избавиться от опасной культуры не получалось, ей попробовали найти полезное применение: так было начато производство биотоплива из борщевика.
Почему переработка борщевика в биотопливо — это выгодно
В РФ для производства биотоплива используются разные растения: от сухого сорго до культивируемого тростника. С экономической точки зрения выращивание тростника для производства альтернативного топлива невыгодно. Для его культивации необходимо создание специального микроклимата, теплиц, полей. Тратить культуру, полученную таким трудоемким и финансово затратным методом, невыгодно. То же самое касается свеклы и топинамбура. Их выгоднее реализовать как продовольственные продукты. В роли топлива тростник, свекла и топинамбур будут дорогой альтернативной. А успешность внедрения разработок по использованию альтернативного топлива напрямую зависит от дешевизны сырья. Иными словами, если альтернативное топливо будет дороже или равняться стоимости традиционного, то популярности оно не получит.
Культивация борщевика Сосновского не требует высоких затрат: растение успешно размножается само по себе, не нуждается в создании специальных условий и неприхотливо. Урожайность дикого борщевика — 50 т/Га, а культивируемого — 250 т/Га. Это почти в четыре раза больше, чем урожайность культивируемого сахарного тростника. Содержание сахара в «сорняке» от 17% до 31% — в этом он не уступает свекле (21-24%). Переработка борщевика позволяет заменить нынешние методы получения биоэтанола и получить недорогое биотопливо.
Борщевик как новый источник биотоплива
Переработка борщевика Сосновского запатентована ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемией. Переработка происходит в пять этапов:
- зеленую массу собирают и тщательно измельчают;
- из полученного сырья выжимают сок;
- после выжимки в полученную жидкость засыпают специальные микроорганизмы;
- процесс брожения на выходе дает глюкозу и фруктозу,
- фруктоза и глюкоза вырабатывают этиловый спирт и диоксид углерода.
Полученный биоэтанол используют для производства биотоплива. Оно представляет собой смеси из бензина и этилового спирта: Е5, Е7, E85, Е10. Например, в смеси E85 содержится 85% этанола и 15% бензина. Ее активно применяют в США и других развитых странах, нуждающихся в замене обычного топлива на альтернативное. Шведский производитель грузовых авто Scania занимается разработкой дизельного двигателя, который будет работать на топливе, на 95% состоящем из биоэтанола. Наличие такого двигателя позволит модернизировать любой тип автомобиля для работы на биотопливе.
В России топливо из борщевика планируется использоваться для заправки сельскохозяйственной техники. Для этой цели в 2018 году в Ленинградской области стартовало строительство завода по переработке сорняка в биологическое топливо. Завод является частью экопроекта «Жельцы», который победил тендер по государственному кредитованию на срок в 15 лет. После окончания строительства завод будет функционировать в опытном режиме. Если тестирование полученного биотоплива пройдет успешно, его будут использовать для сельхозтехники и котельных. Это откроет новые перспективы для исследования биологического топлива в России: возможно, при популяризации производства биотоплива из борщевика заводов по переработке станет больше, а сельхозтехника постепенно будет переходить на экологически безвредное топливо.
Технологические особенности производства биотоплива
Использование травы в качестве биотоплива
Великая миссия. Биотопливо из мусора
Производство биотоплива в России
Российские ученые превратили борщевик в материал для батарей в зеленой энергетике
Исследователи из МГУ и Сколтеха сделали из назойливого ядовитого сорняка высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей. Об этом CNews сообщили представители Сколтеха. По мере совершенствования материалов этот инновационный вид аккумуляторов может заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии на солнечных и ветрогенераторах и в других применениях, где компактность не играет определяющую роль. Работа опубликована в журнале Batteries.
«Мы подумали: а здорово было бы одновременно избавиться от этого гадостного сорняка и получить что-то полезное взамен, — рассказывает соавтор статьи Зоя Бобылева из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. — Твердый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и проч., но вот борщевик никто еще не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит».
Борщевик Сосновского — агрессивно распространяющийся сорняк, который вдобавок вызывает ожоги. Его завезли в центральную Россию с Кавказа в ходе сельскохозяйственного эксперимента, чтобы кормить скот, но идея не прижилась. А сам борщевик прижился, причем так, что, согласно опубликованному весной прогнозу ученых из Сколтеха, к середине столетия им может зарасти вся европейская часть России.
Натрий-ионные батареи — альтернативная безлитиевая технология накопления энергии. Цены на литий неуклонно растут, добывается этот металл в ограниченном числе стран, и его производство достаточно вредно для экологии. У натрия этих проблем нет, но чтобы перейти на него, придется заменить материалы катода и анода батареи. Недавно в Сколтехе предложили катодный материал с рекордными характеристиками. В этот раз другая группа исследователей из Сколтеха и МГУ получила высококачественный анодный материал — из весьма неожиданного сырья.
«На сегодня твердый углерод обеспечивает лучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора, — поясняет руководитель исследования профессор Евгений Антипов из Сколтеха и МГУ. — Этот материал представляет собой аморфную форму углерода, которая даже при сильном нагреве не переходит в графит. В отличие от графита у этого вещества такая структура, что оно может цикл за циклом внедрять в себя ионы натрия и высвобождать их обратно, что необходимо для работы аккумулятора, при этом объем материала не сильно изменяется. Другие достоинства — сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации и невысокая пожароопасность».
Две ключевые характеристики для сравнения анодных материалов — кулоновская эффективность и удельная емкость. Чем выше первый показатель, тем меньше энергии при эксплуатации катода будет тратиться впустую на необратимые побочные процессы, которые к тому же изнашивают батарею. Изготовленный учёными из МГУ и Сколтеха твердый углерод из борщевика продемонстрировал кулоновскую эффективность 87%, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса, полученными из другого сырья. По второму ключевому показателю, удельной емкости, он уступает материалам-лидерам — 260 против 300 мАч/г — но в целом конкурентоспособен.
«Если быть точнее, то мы рассмотрели отдельно зимний борщевик, который проще собрать, и более зловредный летний борщевик, который цветет и пахнет. Но надо сказать, что именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью, а этот показатель — слабое место анодов из твердого углерода, поэтому мы именно на нём сконцентрировались в своем исследовании. Что касается удельной емкости, вероятно, мы сможем ее повысить в будущем», — добавила Бобылева.
Коллектив протестировал три популярных подхода к синтезу твердого углерода. Сначала борщевиковую биомассу подвергли прямой карбонизации, то есть нагреву до 1300 градусов Цельсия в бескислородной атмосфере. Потом синтез повторили, но с предварительной промывкой сырья кислотами для удаления металлических и иных примесей — в результате кулоновская эффективность материала повысилась. Наконец, борщевик сварили в закрытом реакторе с водой, что позволило получить углеродосодержащие сферы очень малого размера. Удельная емкость материала во всех трех случаях получалась сходной, а наивысшая кулоновская эффективность достигается во втором случае.
«Спрос на перезаряжаемые аккумуляторы будет расти. Если говорить о стационарных батареях, применяемых в промышленности или для выравнивания колебаний при генерации энергии солнечными батареями и ветряками, то натрий-ионная технология выглядит очень перспективно. Такие батареи будут значительно дешевле литий-ионных, и хотя по массе и габаритам они будут проигрывать, это не всегда важно — зависит от применения», — подытожил соавтор исследования профессор Артем Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха.
Сколтех — негосударственный международный университет. Создан в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом. Сколтех развивает шесть приоритетов: искусственный интеллект и коммуникации, науки о жизни и здоровье, прорывная инженерия и передовые материалы, энергоэффективность и ESG, фотоника, перспективные исследования.
Почему не выгодно перерабатывать борщевик?
Иногда мы встречаем в соцсетях и на форумах вопросы о переработке биомассы борщевика. В этой статье постараемся объективно ответить на них. Попутно вы познакомитесь с общими принципами функционирования агроиндустрии. Представленная информация будет очевидна для агрономов и экологов, в тоже время, ряд идей покажутся неожиданными для большинства людей. Также рассмотрим некоторые интересные факты из истории внедрения борщевика Сосновского.
Итак, на фото мы видим частое явление — густые заросли борщевика. На первый взгляд, идея переработки этой биомассы действительно выглядит довольно заманчиво. Похоже на даровый возобновляемый ресурс. Но, так ли ли все просто?! Давайте разбираться!
Во-первых, многие забывают, что эта биомасса откуда-то берется!
— А именно, для этого необходимы минералы из почвы! Это отсылает нас к первым опытам, проведенным еще в 17 веке, в самом начале становления агрохимической науки: масса корней растения, растущего в сосуде, постепенно увеличивается, масса почвы же при этом снижается. Таким образом, если мы будем регулярно из года в год скашивать и увозить на переработку биомассу борщевика, то плодородие почвы серьезно снизится. Продолжая текущую логику, это вынуждает вносить удобрения, что незаметно приводит нас к идее выращивания борщевика (!) — пока просто отметим для себя эту идею и продолжим исследовать дальше.
Во-вторых, возникают проблемы с транспортировкой и логистикой.
В современной агроиндустрии большое внимание уделяется транспортным и логистическим издержкам. К технике предъявляются высокие требования по экономичности. Даже планирование полей ведется с учетом сокращения расстояний для доставки. Кроме того, просчитывается экономическая целесообразность мероприятий с точки зрению затрат на ГСМ (горюче-смазочные материалы).
В случае с борщевиком, собранную в различных местах биомассу надо как-то доставить в единые пункты сбора. Зачастую это удаленные и рассредоточенные места. Если это выполнять силами обычных людей и владельцев небольших участков, то им для этого потребуется транспорт и прицеп. И даже если такой пункт сбора будет находится всего в нескольких десятках километров, расходы на ГСМ перекроют любую возможную прибыль.
В-третьих, не забывайте про «эффект масштаба»!
Опять же, современная агротехнология рассчитана на минимизацию издержек, и это возможно, в том числе, за счет больших масштабов! Как известно, чем больше объем произведенной продукции, тем ниже издержки из расчета на каждую единицу. Соответственно, ниже себестоимость. В хозяйствах общая площадь полей исчисляется сотнями и тысячами гектар (агрохолдинги имеют тенденцию к укрупнению).
Также и фабрики по переработки продукции: оборудование должно быть постоянно загруженным, оно не должно простаивать, только тогда идет речь о получение прибыли! При таких раскладах мы, например, не можем собрать биомассу с ¼ площади поля, при этом не трогая область с единичными экземплярами где-то посередине и заявлять при этом о прибыли �� В данном примере, нам нужна вся площадь поля с заранее установленной формой и площадью как на фото ниже:
Таким образом, мы плавно переходим к обсуждению темы выращивания борщевика. Здесь вспоминается принцип «если нельзя победить, то можно возглавить» ��
— Но, ведь все это уже было, не так ли?!
Давайте рассмотрим с какими проблемами столкнулись при введении в культуру борщевика, начиная с конца 40-х годов.
Первая проблема: борщевик не вписывается в севооборот!
Севооборот — это научно обоснованное чередование сельскохозяйственных культур и паров во времени и на территории (чередование полей). Иными словами, культуры выращивают каждый год на разных полях в определенной последовательности и каждое поле проходит через весь цикл.
Пример схемы севооборота:
- Многолетние травы (люцерна) 1 года;
2. Многолетние травы (люцерна) 2 года;
4. Кукуруза на силос;
Одна из главных причин севооборота — аллелопатическое почвоутомление, при котором идет накопление в почве химических веществ, в дальнейшем замедляющих рост растений. Аллелопатия — свойство одних организмов выделять химические соединения, которые тормозят или подавляют развитие других.
Борщевик обладает сильной аллелопатией, многие растения растут после него плохо. В приведенном примере, теоретически мы могли бы включить борщевик вместо пропашных культур, например, на место кукурузы. Однако, это может плохо отразится на росте зерновых культур.
К тому же, как мы очень хорошо знаем, борщевик очень трудно вывести, т.е. он все равно останется на поле даже после осенней и весенней вспашки.
Таким образом, борщевик совершенно не вписывается в эту схему! Действительно, с самого начала его выращивали только на отдельных опытных полях.
Вторая важная проблема: питательная ценность борщевика!
На первый взгляд, борщевик дает высокую урожайность. Биомасса легко силосуется. При этом, по многим показателям питательной ценности, например, по обменной энергии и кормовым единицам, борщевик проигрывает большинству других культур. Например, борщевик уступает кукурузе.
Это хорошо видно из таблицы:
В этом кроется основная причина отказа от выращивания борщевика! Издержки при выращивании превышали прибыль!
Третья проблема: опасность для здоровья людей и влияние на животных.
Эту проблему обсуждают чаще всего и небезосновательно. Борщевик содержит фуранокумарины с сильным фотоактивным эффектом, т.е. сок борщевика способен повреждать живые ткани при воздействии света. Первоначально этот эффект был недооценен. Кроме того, выяснилось, что борщевик плохо влияет как на здоровье животных, так и на качество продукции. И разумеется, на тот момент еще никто не думал об инвазивности борщевика.
Более того, силосуемая масса борщевика содержит в себе большое количество воды. По этой причине комбайны плохо справлялись с ее уборкой, встречаются сообщения о жалобах на «вязнущую» в борщевике технику.
Ниже вы можете посмотреть замечательное видео, созданное в тот период на базе кафедры растениеводства Тимирязевской академии. Здесь хорошо паказаны особенности агротехники при выращивании борщевика на тех самых печально известных опытных полях:
Как же так получилось, что совершенно провальная идея дошла до этапа реализации?
А теперь давайте рассмотрим историю внедрения борщевика с неожиданной стороны: как противостояние двух концепций!
На фото выше: Николай Иванович Вавилов — великий генетик-селекционер. Его идея заключалась в поиске дикорастущих предков культур с целью использовать их генотипы для создания новых сортов. Задумка была блестяще реализована в его экспедициях. В результате, мы имеем всё то современное многообразие сортов различных культур! Таким образом, именно его усилиями мировая селекция получила колоссальный толчок в развитии.
На следующем фото: Трофим Денисович Лысенко — «конкурент» Николая Вавилова. «Недоучка», которому удалось с помощью хитрости и интриг взобраться на самый верх карьерной лестницы! Он не понимал что такое генетика и пытался вывести новые культуры путем «перевоспитания» уже известных культур. Его усилиями Николай Вавилов (вместе с другими генетиками) был репрессирован и умер в 1943 году.
По иронии судьбы, уже в 1945 году в Тимирязевской академии однофамилец Николая Вавилова — Петр Петрович Вавилов — приступает к написанию диссертации по теме внедрения борщевика Сосновского в культуру. Впоследствии эта идея была поддержана руководством ВАСХНИЛ (президентом этой огромной структуры, включавшей порядка 150 институтов, был Т. Лысенко). Тема внедрения борщевика станет одной из главных в карьере Петра Вавилова, впоследствии он получит звание академика, а также займет пост ректора Тимирязевской академии и президента ВАСХНИЛ. В течение многих лет различные институты были вынуждены писать отчеты по внедрению «новой перспективной культуры». Никто не хотел брать на себя ответственность и признать очевидный провал, ведь это наверняка стоило бы карьеры!
Зависть, интриги, страх перед некомпетентным руководством — вот настоящие причины того, что так долго продолжали внедрять нерентабельную и опасную культуру!
Более подробное описание этой истории не входит в формат данной статьи, позже мы уделим этой теме отдельный исторический очерк.
И наконец, наверняка найдутся те, кто скажут: «Сейчас технологии изменились, появился большой спрос на экологичную упаковку и т.п.»
— Действительно! В тоже время, в плане производства волокон, упаковки и биопластика есть куда более интересные и рентабельные культуры и решения. Например, в последнее время, все больше обсуждают выращивание технической конопли. Из этого сырья не делают наркотик, за этим следят ��
К настоящему времени в России создано 22 селекционных безнаркотических сорта и гибрида конопли, которые внесены в Государственный реестр селекционных достижений и допущены к использованию на территории РФ. При этом, техническая конопля обладает рядом преимуществ, эта культура может быть использована для произодства высококачественной бумаги, строительных материалов, биоразлагаемой упаковки, тканей, биопластика и т.д.
Как мы видим, и здесь идея с борщевиком проигрывает! Даже выращивание кукурузы на зеленую массу гораздо более привлекательно, чем использование биомассы борщевика.
Может ли кто-то снова попытаться выращивать борщевик?
— Нет, причина проста: в 2012 году борщевик исключен из Государственного реестра селекционных достижений, допущенных к использованию, как утративший хозяйственную полезность. Проверить это можно по ссылке:http://docs.cntd.ru/document/456096562
По инициативе Минсельхоза России Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии приказом от 22 октября 2014 г. N 1388-ст исключило коды борщевика Сосновского из раздела «Продукция растениеводства сельского и лесного хозяйства» Общероссийского классификатора продукции ОК 005-93.
На основании изложенного борщевик Сосновского утратил статус сельскохозяйственной культуры.
Согласно пункту 2 статьи 13 Земельного кодекса Российской Федерации от 25 октября 2001 г. N 136-ФЗ в целях охраны земель собственники земельных участков, землепользователи, землевладельцы и арендаторы земельных участков обязаны проводить мероприятия по защите сельскохозяйственных угодий от зарастания деревьями и кустарниками, сорными растениями.
Таким образом, эти постановления наконец-то открыли возможности по полномасштабной борьбе с борщевиком! Очевидно, что до этого наблюдалась абсурдная ситуация, когда одно и тоже растение одновременно является и возделываемой культурой и злостным сорняком. Решение принято, хоть и с запозданием, и разумеется, никто не собирается его пересматривать!
Выводы:
- Переработка борщевика Сосновского нерентабельна по целому ряду причин.
- С самого начала агрономы столкнулись с огромным количеством проблем при внедрении борщевика в культуру. В конечном счете, это и послужило причиной отказа от его выращивания.
- Само решение о поиске новых перспективных культур в свое время было колоссальной ошибкой руководства ВАСХНИЛ и является отражением дисбаланса административной системы того периода!
- В настоящее время борщевик исключен из числа с/х-культур. Собственников земельных участков обязали вести борьбу с ним.
- Необходимы направить ресурсы на развитие методов борьбы с борщевиком. На «освобожденных» от борщевика территориях можно уже выращивать привычные с/х-культуры в рамках отработанной агротехники.
Продолжение следует…
Надеемся, что вам понравилась статья! Ждем ваши пожелания и предложения в комментариях!
Также вам могут быть полезны другие статьи из циклов «Раскрываем секреты» и «Продвинутый ликбез»!
Биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого
Изобретение относится к области биоэнергетики, спиртовой промышленности и может быть использовано в качестве жидкого печного или моторного биотоплива. Способ получения биоэтанола включает предварительную обработку сырья. Проводят сбор и измельчение зеленой массы сырья с получением сока. Добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку. Осуществляют процесс брожения в течении 3-5 дней. Проводят дистилляцию с получением спирта-сырца, а затем ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта — биоэтанола. При этом в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик дикорастущий и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения. Технический результат — снижение использования культур продовольственного назначения в качестве исходных компонентов для получения биоэтанола, ограничение распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида. 1 ил., 1 пр., 1 табл.
Изобретение относится к области биоэнергетики, спиртовой промышленности и может быть использовано в качестве жидкого биотоплива для транспорта и печного (моторного) биотоплива.
Известны способы производства биоэтанола из таких специально культивируемых сахароносных культур как сахарный тростник, сахарная свекла, сахарное сорго и топинамбур (табл.1).
| Таблица 1. | ||||
| Культура | Урожайность, т/га | Содержание веществ, % | Выход, л/т | Выход, л/га |
| Сахарный тростник (зеленая масса) | 65 | Сахара 15% | 70 | 4550 |
| Сахарная свекла (корнеплод) | 46 | Сахара 24% | ПО | 5060 |
| Сахарное сорго (зеленая масса) | 50 | Сахара 18% | 85 | 4250 |
| Топинамбур (зеленая масса) | 60 | Сахара 14% | 67 | 4020 |
| Топинамбур (клубни) 3 | 40 | Сахара 22% | 101 | 4040 |
| 1 — Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 2 // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А.Овчинникова. — 2007. — Т.3. — №2. — С.50-52. | ||||
| 2 — Малиновский Б.Н., Миронов Д.П. Сортовые энергетические плантации (СЭП) для получения биотоплива. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й международной научно-технической конференции. Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. — С.307-308. 3 — Мухачев С.Г., Кузнецов Б.В., Шавалиев М.Ф., Валеева Р.Т., Емельянов В.М. Производство топливного этанола, комплексная переработка растительного сырья. // Вестник Казанского технологического университета. 2006. — С.43-45. |
Недостатками известных источников растительного сырья, как и всех специально выращиваемых культур для производства биотоплива, являются высокая себестоимость биотоплива по причине больших ежегодных затрат в процессе выращивания (предпосевная обработка почвы, посев, окучивание, подкормка минеральными удобрениями, полив, сбор и т.д.), небольшой выход биоэтанола. Сахарный тростник культивируется только в странах с тропическим и субтропическим климатом, сахарная свекла и топинамбур выращиваются на продовольственные цели (сахаросодержащие продукты).
Задачей предлагаемого изобретения является реализация способа получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого. Борщевик содержит 17-31% сахаров от фазы бутонизации до фазы цветения [Гигантские борщевики — опасные инвазивные виды для природных комплексов и населения Беларуси / Н.А.Ламан, В.Н.Прохоров, О.М.Масловский. Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф.Купревича НАН Беларусии.: Минск, 2009. — С.21], урожайность зеленной массы варьирует от 50 т/га у дикорастущего и до 250 т/га у культивируемого [Кулешов Н.И. Разработка приемов возделывания борщевика Сосновского в условиях центральных районов Нечерноземной зоны. Автореферат диссертации. М., 1990 г.].
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность получить биоэтанол от 79 л/т (дикорастущий борщевик) до 145 л/т (культивируемый) и от 3950 до 36250 л/га в зависимости от урожайности и процентного содержание сахарозы. Также появляется возможность заменить используемые способы производства биоэтанола из культур продовольственного назначения, получить дешевое биотопливо, так как данное растение практически не требует затрат на возделывание и после посадки не нуждается в уходе. Способ получения биоэтанола из дикорастущего борщевика позволит решить такую проблему как ограничение распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого проводят предварительную обработку сырья, заключающуюся в сборе, измельчении зеленой массы и получении сока, добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку, осуществляют процесс брожения в течение 3-5 дней, дистилляцию с получением спирта-сырца, ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта — биоэтанола, в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик как дикорастущий, так и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.
Способ получение биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого осуществляют по общеизвестной технологической схеме. Сначала проводится предварительная обработка сырья, которая включает в себя сбор, измельчение и получение сока из зеленой массы борщевика. Затем в сок добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии, которые превращают сахарозу сначала в глюкозу и фруктозу, а далее в этанол и углекислый газ. Процесс сбраживания длится 3-5 дней. Для выделения этанола раствор подвергают процессу дистилляции, в результате получается спирт-сырец. Далее проводят ректификацию и получают биоэтанол [Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 2 // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А.Овчинникова. — 2007. — Т.3. — №2. — С.55].
1) Пресс (выжимка)
Зеленая масса растений рода Heracleum подвергается прессованию для извлечения сока с целью получения биотоплива.
Жидкая фракция идет в дальнейшем для переработки в биоэтанол, а твердая фракция для производства твердого биотоплива — пиллет.
Благодаря дву- или трехкратному отжиму и применению систематической обработки стеблей водой между операциями на прессах удается извлечь 90-93% всего содержащегося в стеблях сахара при малом разжижении сока. Отжатый сок проходит через фильтр, где отделяются примеси, мелкие кусочки стеблей и т.п.
Часть отжатого сока отбирается и подается в дрожжегенератор, остальное смешивается с закваской в бродильном аппарате.
2) Пиллеты (гранулы)
Оставшаяся выжатая зеленая масса растений рода Heracleum (жом) идет на производство пиллет (гранул). Технология заключается в следующих операциях:
1) сушка (на входе температура составляет 250-280°С, на выходе 75-100°С). Сырье высушивается до влажности 8-15%;
2) гранулирование на пресс-грануляторе;
3) охлаждение гранул;
— Бродильный аппарат. Для брожения в жидкий субстрат добавляют спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые благодаря своим ферментам (инвертазы и зимазы) перерабатывают сахарозу в этанол.
После завершения процесса брожения проверяют качество продукта. В хорошо сбродившем продукте содержание спирта должно составлять не менее 10%, но и не более 13%, так как дрожжи при данной концентрации этанола начинают гибнуть. Концентрация остаточных сахаров (недоброд) — не более 0,45%, кислотность — не более 0,2%.
На выход спирта, скорость его образования и физиологическое состояние дрожжей большое влияние оказывает концентрация дрожжей в продукте брожения. Она должна соответствовать количеству питательных веществ в среде, которые обеспечили бы и прирост молодых клеток и стойкость зрелых. Оптимальной концентрацией является 15-20 г в 1 л сброживаемого продукта. Это количество дрожжей быстро сбраживает сахар, обычно в течение 6-7 ч, и выход спирта достигает 57-59 л из 100 кг сбраживаемых сахаров. Указанная концентрация обеспечивает и необходимый прирост дрожжей, так как при низкой концентрации дрожжи активно размножаются, часть сахара используется на этот процесс, следовательно, выход спирта понижается, а при высокой концентрации дрожжи медленно размножаются, постепенно отмирают, и брожение замедляется. На скорость брожения влияют также природа и концентрация сахара.
3) Биореактор или дрожжегенератор
Спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae размножаются в ферментерах (биореакторах), которые представляют собой герметические цилиндрические емкости, где автоматически поддерживаются необходимые условия для роста и размножения дрожжей. Главное требование к аппаратам — сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными. Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны иметь высокую бродильную энергию (быстро и полно сбраживать сахара) и анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле.
4) Брагоректификационная колонна
Механизм перегонки основан на том, что спирт и вода имеют разную температуру кипения. Если вода при нормальных условиях закипает при температуре в 100 градусов, то этиловому спирту нужно для этого 78°С.
Следует помнить, что, помимо воды и спирта, брага содержит массу примесей. Легкие начинают закипать при температуре в 68°С, а тяжелые при 85°С. Именно поэтому при перегонке сбраживаемого продукта важно добиваться такой температуры, при которой спирт уже кипит, а сивушные масла еще нет.
На выходе из заводской брагоректификационной колонны получается спирт крепостью не более 96-96,2%. При использовании непромышленной ректификационной колоны необходимо провести перегонку несколько раз, так как этот раствор содержит большое количество примесей, ухудшающих его вкус и качество, поэтому он нуждается в дополнительной очистке. По техническим требованиям для смесей с повышенным (более 10%) содержанием биоэтанола в моторном топливе нужно использовать абсолютный спирт, то есть полностью обезвоженный.
В барду переходят все составные части исходного сырья, за исключением сахаров и дрожжей. Часть азотистых веществ сырья расходуется на питание дрожжей, но при этом синтезируются более полноценные белки, многие витамины и биологически активные вещества. Поэтому натуральная барда представляет собой прекрасный корм для животных. На ряде заводов барду сушат, направляя затем на заводы, производящие комбинированные корма. На фильтрате (жидкой части) барды выращивают специальные расы кормовых дрожжей — актиномицеты, продуцирующие антибиотик биомицин и одновременно витамин В12, используемые в животноводстве.
Спиртовые дрожжи, выделенные из бражки перед ее перегонкой, используют в хлебопечении, но вместо них на барде выращивают кормовые дрожжи или метановые бактерии, синтезирующие витамин В12.
Таким образом, современная спиртовая промышленность, извлекая из растительного сырья и мелассы наименее ценную часть — углеводы, возвращает сельскому хозяйству концентрированные витаминизированные белковые корма и дает богатейшее сырье для химической переработки.
Бензин — продукт переработки нефти, представляющий собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив.
В технологической схеме бензин необходим как составляющий компонент для получения биотоплива.
6) Смеситель, дозатор
Смеситель — дозатор необходим для смешивания бензина и биоэтанола, в результате чего на выходе получаем автомобильное биотопливо. Режим дозирования бензина устанавливается в зависимости от желаемой марки топливной смеси.
Топливные смеси этанола
Е5, Е7, Е10 — смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространенные в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путем его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.
Е85 — смесь 85% этанола и 15% бензина. Стандартное топливо для т.н. «Flex-Fuel» машин, распространенных в основном в Бразилии и США и в меньшей степени в других странах, из-за более низкой энергоплотности продается дешевле, чем бензин.
Е95 — смесь 95% этанола и 5% топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95% этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95% этаноле — BEST (BioEthanol for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania.
E100 — формально 100% этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96% С2Н5ОН и 4% воды (по весу); 96,5% и 3,5% в объемных процентах). Путем обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.
Способ получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого, включающий предварительную обработку сырья, заключающуюся в сборе, измельчении зеленой массы и получении сока, добавление дрожжей или специальных спиртовых бактерий к полученному соку, процесс брожения в течение 3-5 дней, дистилляцию с получением спирта-сырца, ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта — биоэтанола, отличающийся тем, что в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик как дикорастущий, так и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.