Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Теоретические основы биотехнологического процесса
• 1.2 Сырье для производства биоэтанола
• 2. Аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства
• 2.1 Экономика производства биоэтанола
• 3. Технико-экономическое обоснование и описание технологии
• 3.1 Типовая технология производства биоэтанола
• 3.2 Этапы производства биоэтанола
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Разработка биотехнологических методов производства энергетических веществ и добычи сырьевых ресурсов стала особенно актуальной в последние десятилетия из-за острого дефицита сырья и энергии в глобальном масштабе, повышения экологических требований. На стыке биотехнологии и энергетики интенсивно развивается техническая биоэнергетика - наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах. Она использует научные достижения микробиологии, биохимии, биофизики, молекулярной биологии, генетики, генетической инженерии, химии органического синтеза, химии высоких температур и других наук. По мере удорожания нефтяного сырья интерес к производству топлива методами биотехнологии постоянно повышается. Уже внедрено или находится в стадии разработки большое количество биотехнологических процессов, которые можно использовать для решения энергетической проблемы. Биотехнологические способы получения энергии уже оказывают большое влияние на энергетический потенциал многих стран. Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои.

В настоящее время 85 % производимого в мире этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензина), 5 % - в технических целях (производство этилацетата, ацетальдегида, уксуса, различных эфиров, парфюмерии, бытовой химии и т.д.) и лишь около 15 % - для производства спиртных напитков.

Потенциальная ценность этанола в качестве моторного топлива обусловлена четырьмя обстоятельствами:

во-первых, этанол представляет собой легко транспортируемую жидкость;

во-вторых, его теплотворная способность довольно высока и составляет около двух третей от теплотворной способности бензина;

в-третьих, к бензину можно добавлять до 10 % этанола без изменения регулировки двигателя и теплотворной способности; биоэтанол прекрасно смешивается с бензином, соляркой и другим горючим. В-четвертых, этанол повышает октановое число бензина, не содержащего тетраэтилсвинец.

Следует учитывать и тот факт, что во многих странах этанол в качестве топлива может частично заменить импортируемые нефть и нефтяные продукты. С 70-х годов прошлого века интерес к вопросам получения биоэтанола и его использованию в качестве добавок к моторному топливу резко возрос. Особенностью нынешнего периода является постоянный рост цен на нефть и продукты ее переработки, что служит мощным экономическим фактором развития альтернативной биотопливной индустрии.

Наряду с этим учитывается экологический аспект, когда добавление этанола к бензину вызывает снижение вредных выбросов в атмосферу за счет более полного сжигания топлива, связанное с присутствием в молекуле спирта кислорода. Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биоэтанола образуется меньше диоксида углерода. При сгорании биоэтанола в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива - совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "законсервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы на 8 млн т парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей. Не сбрасывается со счетов и тот факт, что ископаемые источники топлива исчерпаемы. Так, по прогнозам специалистов, запасов нефти хватит на 40-60 лет, газа - на 70-90 лет.

Как показала мировая практика использования биоэтанола, при добавлении его в бензин в количестве до 15 % (об/об) качество топлива улучшается (повышается октановое число), уменьшается количество вредных выбросов. При этом не требуется никаких изменений в конструкции двигателей.

Смеси этилового спирта с бензином обозначают как Е-10, Е-15 и т.д., где цифра означает процент добавленного спирта. Е5, Е7, Е10 - смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём 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, распространённых, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени - в других странах. Из-за более низкой энергоплотности продаётся 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.

Е100 - 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 объёмных процентах). Путём обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.

При изменении конструкции двигателей можно использовать в автомобильном топливе больший процент этанола и даже чистый этанол.

Энергоэффективность этанола.

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте [2]. В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь Е30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion.

Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление топлива снизилось на 15 % в сравнении с бензином. Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс.

В 2006 г. в своём отчёте Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Существуют различные способы оценки топливного баланса этанола. Но топливный баланс бензина всё равно 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. В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8.

биотопливо биоэтанол сырьевой ресурс

1. Теоретические основы биотехнологического процесса

Биоэтанол - это жидкое спиртовое топливо, которое производится из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производятся алкогольные напитки, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти) поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для питья. Для получения топливного спирта необходимо осуществить ряд технологических операций (рис.1.1.1): подготовить сырье, провести брожение, отгонку и обезвоживание спирта, организовать хранение готового продукта. На каждой стадии технологического процесса есть свои узкие места и особенности, которые и определяют саму возможность получения и дальнейшего использования продукта, его энергобаланс и экономичность.

Рис. 1.1.1 - Схема процесса производства биоэтанола

1.2 Сырье для производства биоэтанола

Для производства этилового спирта используются многие виды крахмалистого и сахаристого сырья: зерно, картофель, меласса. В некоторых случаях на заводах перерабатывают сахарную свеклу, картофельную мезгу, различные сахаристые отходы пищевой промышленности, отходы виноделия, некондиционные фрукты.

Зерно. Основными зерновыми культурами, поступающими на спиртовые заводы, являются ячмень, рожь, пшеница, овес, просо, кукуруза. В некоторых случаях заводы перерабатывают рис, сорго, гречиху, горох, чумизу, гаолян, вику, чечевицу и другие культуры. Так как эти виды сырья перерабатываются на спирт сравнительно редко, их принято называть редкими видами сырья.

Зерно состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма и оболочки. Внешнюю оболочку зерна образуют плодовая и семенная оболочки (у ячменя они сращены), далее - алейроновый слой, богатый белками и жиром. Под ним расположены эндосперм (крахмалистая часть зерна) и зародыш. Химический состав зерна зависит от культуры, сорта, почвенно-климатических условий, агротехники, срока и условий хранения и других факторов. В зерне содержится в среднем 14-15 % влаги и 85-86 % сухих веществ.

Сведения о химическом составе зерна различных культур при влажности 15 % представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.2.1 - Средний химический состав зерновых злаков (в % на сухое вещество)

Злаки	Крахмал	Сахар	Целлюлоза	Пектиновые вещества	Белки	Жиры	Минеральные вещества
Кукуруза	70	3.0	2.1	7.0	10	4.6	1.3
Ячмень	55	4.0	6.0	11.0	12	2.0	3.5
Овес	45	2.0	14.0	13.0	12	5.5	3.8
Просо	58	3.8	11.0	2.0	12	4.6	4.0
Пшеница	60	4.3	2.8	8.0	16	1.9	2.2
Рожь	65	5.0	2.2	10.0	13	1.7	2.0

Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза. В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2-3 раза выше урожайности других зерновых культур.

Картофель наиболее полно отвечает технологическим требованиям спиртового производства, так как быстро разваривается, образует подвижное сусло, содержащее необходимое количество азотистых веществ для питания дрожжей; картофельный крахмал обеспечивает наиболее высокий выход спирта. Картофель дает с единицы посевной площади в 3-4 раза больше крахмала, чем зерно. При переработке картофеля производительность на 10 % выше, чем при переработке зерна, а расход топлива на 12 % ниже. К недостаткам картофеля как сырья относится значительная трудоемкость возделывания, плохая сохраняемость из-за высокого содержания влаги и невыгодность транспортировки на дальние расстояния.

Химический состав клубней картофеля меняется в зависимости от сорта, почвенно-климатического района произрастания, вида и состава вносимых удобрений и условий хранения. Количество воды в картофеле колеблется от 64 до 86 %. При содержании сухих веществ 25 % средний химический состав клубней (в %): вода - 75; крахмал - 20,45; сахар - 0,3; азотистые вещества - 2,0; жир - 0,15; клетчатка - 1,0; зола - 1,1.

Как следует из представленных выше данных, основным и определяющим компонентом зерна и картофеля как сырья, используемого для получения спирта, является крахмал.

Крахмал (С6Н10О5) состоит из двух полисахаридов: амилозы (17-25 %) и амилопектина (75-83 %). Кроме этих основных компонентов в природном крахмале содержится 0,1-0,7 % минеральных веществ (в основном фосфорная кислота), около 0,6 % высших жирных кислот (пальмитиновая, стеариновая и др.), 0,1-0,8 % белка.

Амилоза состоит из длинных неразветвленных цепей, в которых все остатки глюкозы соединены гликозидными связями между первым и четвертым углеродными атомами (б-1,4-связями):

Рис. 1.2 - Структура амилозы

Растворы амилозы полидисперсны. Молекулярная масса амилозы - от нескольких до пятисот тысяч. Амилоза легкорастворима в теплой воде и образует неистинные растворы невысокой вязкости, которые при добавлении йода окрашиваются в синий цвет. Раствор амилозы нестоек, и при длительном хранении в результате агрегатирования в нем образуется нерастворимый микрокристаллический осадок, не поддающийся расщеплению кислотами и ферментами.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет сильноразветвленные цепи, содержащие в среднем по 12 остатков глюкозы, точки ветвления образуются приблизительно у каждого 12-го остатка. Глюкозные остатки в остове молекулы амилопектина соединены глюкозидными связями б-1,4-типа, а в точках ветвления - связями б-1,6-типа. Общее число глюкозных остатков в молекуле амилопектина может достигать 6 тыс., а его молекулярная масса - 1 млн. Таким образом, цепи амилопектина имеют следующую разветвленную структуру:

Рис. 1.3 - Структура амилопектина

В отличие от амилозы, амилопектин образует коллоидные или мицеллярные растворы, которые при добавлении йода окрашиваются в красно-фиолетовый цвет. Амилопектин растворяется в воде при нагревании до температуры 120-130°С и дает очень вязкие и стойкие растворы (5% -ной концентрации).

Под действием минеральных кислот при высоких температурах или в результате катализа амилолитическими ферментами при 55-60°С в молекуле крахмала происходит ослабление и разрыв связей между макромолекулами амилопектина и амилозы, который сопровождается образованием гомогенной массы (стадия клейстеризации и разжижения крахмала). Затем в разных частях молекул амилопектина и амилозы разрываются б-1,4 - и б-1,6-глюкозидные связи с присоединением по месту разрыва каждой связи молекулы воды. Таким образом, крахмал расщепляется на более короткие полисахариды различной молекулярной массы - декстрины и олигосахариды.

Декстрины на первых стадиях гидролиза мало отличаются от крахмала по размеру молекулы и свойствам. По мере дальнейшего гидролиза уменьшается молекулярная масса декстринов и изменяется окраска их реакции с йодом. Крахмал йодом окрашивается в синий, амилодекстрины, имеющие молекулярную массу 10 000 - 12 000, - в сине-фиолетовый, эритродекстрины (молекулярная масса 4000-7000) - в красно-бурый цвет. Со стадии образования ахродекстринов (молекулярная масса 2900-3700) и до конца гидролиза окраска остается такой же, как и водного раствора йода. По мере гидролиза изменяется также растворимость декстринов в спирте, уменьшается вязкость раствора. Гидролиз крахмала может быть представлен следующей схемой: Крахмал > Растворимый крахмал > Декстрины (амило-, эритро-, ахро-, мальто-) > Олигосахариды (тетра-, три-) > Дисахарид мальтоза > Моносахарид глюкоза.

2. Аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства

На жидкое биотопливо в мире возлагаются большие надежды как на ресурс, потенциально способный смягчать последствия глобального изменения климата, содействовать достижению энергетической безопасности и поддерживать сельскохозяйственных производителей во всем мире.

Многие государства ссылаются на эти цели, обосновывая реализацию политики, стимулирующей производство и использование жидкого биотоплива на основе сельскохозяйственной продукции.

С другой стороны отношение к биотопливу стали более трезвыми, когда были осознаны экологические последствия его биотоплива на основе сельскохозяйственных ресурсов, и без того подвергающихся чрезмерной эксплуатации. Кроме того, в условиях дефицита пахотных земель и невысокой урожайности в развивающихся странах выращивание сельскохозяйственных культур привело к росту цен на продовольствие и послужило причиной социальных протестов во многих странах.

Появление жидкого биотоплива на основе сельскохозяйственных культур в качестве горючего для транспорта восстановило связь между рынками сельскохозяйственной и энергетической продукции. Жидкое биотопливо способно в значительной мере влиять на сельскохозяйственные рынки, но на его долю приходится и будет, скорее всего, приходиться и впредь относительно небольшая часть общего энергетического рынка

Ископаемое топливо является основным источником первичной энергии в мире, причем нефть, уголь и газ обеспечивают вместе более 80% ее общего количества. На долю возобновляемых источников энергии приходится примерно 13% от общих поставок первичной энергии, а в самом секторе возобновляемой энергии доминирующее положение занимает биомасса. При этом в некоторых развивающихся странах почти 90% совокупного энергопотребления обеспечивается за счет биомассы. Твердое биотопливо, например, топливная древесина, древесный уголь, безусловно, является крупнейшим сегментом сектора биоэнергетики, составляя ровно 99% всех видов биотоплива.

Диаграмма 1. Мировой спрос на первичную энергию по источникам, Мир. Источник: Мировое энергетическое агентство (IEA)

2.1 Экономика производства биоэтанола

Сельскохозяйственные культуры отличаются по своему физическому энергетическому потенциалу, который представляет собой функциональную зависимость урожайности сырья биомассы на гектар и эффективности преобразования сырья в биотопливо. Урожайность меняется от культуры к культуре в зависимости от сорта растения, агрономической практики, качества почвы и погодных условий.

Общемировая средняя урожайность культур, обеспечивающих сырье для получения этанола первого поколения, варьируется в пределах от 1,3 тонны с гектара для сахарного сорго до 65 тонн для сахарного тростника. Аналогичным образом эффективность преобразования меняется от 70 литров этанола на тонну для сахарного тростника до 430 литров для риса. С точки зрения интенсивности землепользования (литров на гектар) сахарная свекла и сахарный тростник являются наиболее продуктивными культурами первого поколения. Вместе с тем, экономическая эффективность может разительно отличаться, поскольку стоимость производства меняется в широких пределах в зависимости от культуры и места выращивания.

Для предприятий по производству этанола характерна высокая волатильность чистой прибыли, которая очень чувствительна к изменениям цен на сырье, этанол и природный газ.

По расчетам специалистов, производство биоэтанола окупается при ценах на нефть, превышаю В работе ОЭСР-ФАО оцениваются средние издержки производства биотоплива из альтернативного сырья в отдельных странах, что показано на диаграмме. Приводится разбивка затрат по видам сырья, процессам переработки и энергетическим издержкам. Стоимость побочных продуктов вычитается, а чистые издержки указываются на диаграмме квадратной точкой.

Рыночная цена наиболее близкого эквивалентного ископаемого топлива (бензина или дизеля) для каждого топлива указывается зеленой полосой.

Наиболее выгодные позиции на рынке биоэтанола занимает Бразилия, где он производится с минимальными издержками. Производства биоэтанола из кукурузы в США сомнительно с экономической точки зрения. Оно балансирует на грани рентабельности и, если бы не политическая поддержка и экономическое стимулирование американских фермеров, вряд ли бы демонстрировало текущие объемы. Кукуруза, наряду с пшеницей, самые дорогие сельхозкультуры из все, которые используются для производства этанола. Издержки на сырье при производстве этанола из кукурузы и пшеницы доходят до 75% от совокупных издержек.

Кроме того, производство этанола в Бразилии имеет ничтожно малые энергетические издержки, поскольку багасса - основной побочный продукт переработки сахарного тростника - используется для сжигания в качестве топлива. И напротив, предприятия по переработке в Европе и США, как правило, платят за топливо платят за топливо, а побочные продукты процессов производства этанола и биодизеля в лучшем случае продают на корм животным. щих 60 долл за баррель.

Таблица. Структура добавленной стоимости производства и продажи биоэтанола, США

Статья добавленной стоимости	%	Долл США за т
Оплата труда	7,8	57,7
Материальные затраты и накладные расходы	60,9	450,2
Содержание основных средств	4,8	35,5
Средневзвешенная себестоимость	73,5	543,3
Средняя закупочная цена	22,5	166,2
Закупочная цена + транспортные расходы	86,7	640,8
Цена экспорта	100,0	739,2

Таблица. Структура добавленной стоимости производства и продажи биоэтанола, Бразилия.

Статья добавленной стоимости	%	Долл США за т
Оплата труда	3,8	22,2
Материальные затраты и накладные расходы	30,1	176,0
Содержание основных средств	6,3	36,8
Средневзвешенная себестоимость	40, 20	235,1
Средняя закупочная цена	54,86	320,8
Закупочная цена + транспортные расходы	85,41	499,5
Цена экспорта	100,0	584,8

Финляндия	0,95	0,91	0,90	0,89	0,88	0,87
Франция	2,05	2,12	1,79	1,72	1,68	1,71
Япония	2,81	2,80	2,84	2,89	2,96	3,02
TOTAL	11,84	13,43	14,30	15, 20	16,12	16,83

Потребление на душу населения рассчитано по формуле: емкость рынка / численность населения. Необходимо, учесть, что при расчете емкости не учтены складские запасы, так как данный показатель по каждой стране списка отдельно не установлен. Переходящие складские запасы могут составлять к концу года более 50% всего товара на рынке. Также не учтена доля продовольственных товаров. Например, часть зерна может быть направлена на корм скоту, на производство биоэтанола либо на посев. Потребление рассчитывается на всю продукцию, без учета назначения, так как у BusinesStat нет данных о назначении продукта в каждой стране списка. Важным ограничением является то, что показатель рассчитан только на официальное население. В таких странах, как Египет, Турция, ОАЭ, численность временно проживающих может быть сопоставима с численностью граждан. Например, рабочие в ОЭА или туристы в Египте потребляют хлебопродукты, хотя они в среднедушевом потреблении не учитываются. У BusinesStat нет данных о количестве туристов, временных рабочих и прочих неграждан на территории каждой из стран мира, что не позволяет учитывать их при расчетах. Кроме того, в официальной мировой статистике принято рассчитывать среднедушевые параметры именно от численности населения, без учета искажений.

Ожидается, что на этанол будет приходиться основная часть роста потребления биотоплива в мире, так как затраты на его производство будут сокращаться быстрее, чем на производство биодизельного топлива.

Согласно оптимистическому прогнозу ожидаемый объем производства биоэтанола в мире в 2020 г. составит 281,5 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в 2015-2020 гг. составит 12,8%.

Согласно пессимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в мире в 2020 г. составит 187,5 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в 2008-2020 гг. составит 10,0%.

В обоих сценариях в 2020 г. объем мировой торговли будет составлять до 10% от мирового объема производства. Лидерами по-прежнему останутся США и Бразилия, их доля в сумме в мировом производстве к 2020 г. будет составлять от 55 до 65%. Согласно оптимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в США в 2020 г.

составит 111,4 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в США с 2008 г. по 2020 г. составит 9,7%.

Согласно пессимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в США в 2020 г. составит 90,1 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в США с 2008 г. по 2020 г. составит 8,4%.

В обоих сценариях внутренне потребление биоэтанола будет практически полностью обеспечиваться собственным производством.

Оптимистический вариант развития внутреннего рынка биоэтанола в Бразилии составлен на основе того, что в стране будет осуществлен постепенный переход на потребление смеси бензина с этанолом с содержанием последнего как минимум 85%. Пессимистический - с содержанием биоэтанола от 25 до 85%.

Согласно оптимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в Бразилии в 2020 г. составит 54,0 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Бразилии по 2020 г. составит 9,6%.

Согласно пессимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в Бразилии в 2020 г. составит 30,6 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Бразилии с 2008 г. по 2020 г. составит 5,4%.

В обоих сценариях внутренне потребление биоэтанола будет практически полностью обеспечиваться собственным производством. Кроме того ожидается, что значительные объемы (до 15% от объема производства) биоэтанола будут экспортироваться.

В ЕС была принята Директива, устанавливающая цели замещения жидкого топлива биотопливом (биоэтанол, биодизель) - 2% к 2005 году, 5,75% к 2010 году и 10% к 2020 году. ЕС готов к 2020 году заменить 10% рынка автотранспортного горючего на биотопливо, однако отмечается, что для эффективного развития этого рынка потребуется организация сырьевого импорта из третьих стран.

В настоящее время действующие мощности по производству биоэтанола в ЕС составляют более 3,5 млрд. литров в год. В ближайшие 3 года объем производственных мощностей может быть увеличен до 6,5 млрд. литров в год.

Согласно оптимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в ЕС в 2020 г составит 10 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в ЕС по 2020 г. составит 8,7%. Согласно пессимистическому прогнозу

ожидаемый объем потребления биоэтанола в ЕС в 2020 г. составит 7 млрд. литров.

Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в ЕС по 2017 г. Составит 5,6%. В обоих сценариях потребность ЕС в биоэтаноле частично будет компенсироваться импортными поставками в размере от 10 до 25% от емкости рынка.

Согласно оптимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в Китае в 2020 г составит 7,4 млрд. литров.

Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае по 2020 г. составит 10,6%.

Согласно пессимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в Китае в 2020 г. составит 5,6 млрд. литров. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае с 2008 г. по 2020 г. составит 8,5%.

В обоих сценариях внутренне потребление биоэтанола будет полностью обеспечиваться собственным производством.

Основным препятствием на пути внедрения топливного биоэтанола в России и Беларуси является наличие высокого акциза на любую спиртосодержащую продукцию, что приводит к существенному повышению его стоимости и делает производство этого вида топлива для потребления на внутреннем рынке не рентабельным. Возможно использование биоэтанола в качестве присадки, повышающей октановое число и экологические характеристики бензина, или в качестве исходного продукта для производства ЭТБЭ. Но и здесь существует ряд проблем.

3. Технико-экономическое обоснование и описание технологии

Сырьём, традиционно используемым для производства этанола, являются зерно, картофель, сахарная свёкла, сахарный тростник, сахарное сорго, меласса.

Выход биоэтанола при переработке различного сырья, выраженный в литрах на 1 га составляет: ячмень - 1500, пшеница - 2000, кукуруза - 2500, сахарная свёкла - 3000, сладкое сорго - 4000, сахарный тростник - 5000.

Основные затраты ресурсов в расчёте на 1 литр этанола: электроэнергия - 0,3 кВт*ч, теплоэнергия - 10МДж, вода - 3л.

Себестоимость этанола на 70-80% зависит от затрат на сырьё; самая низкая себестоимость - около 200 евро/т - при переработке сахарного тростника, самая высокая - 1000-1100 евро/т - при переработке картофеля.

Производительность заводов по этанолу в млн. л/год: в США - 30-40, в государствах ЕЭС - 15-20, в РФ - 8-25 (производится только пищевой или технический - но не топливный этанол). По оценкам зарубежных специалистов, строить заводы производительностью менее 7,5 млн. л/год экономически нецелесообразно.

Удельные затраты на строительство заводов составляют от 0,5 до 1 доллара США на 1л/год.

Блок-схема производства этанола из зерна или картофеля представлена на рис. 1. Подготовка сырья заключается, как правило, в измельчении сырья и его водно-тепловой обработке; осахаривание - под действием специальных ферментных препаратов; сбраживание сахаросодержащих сред - под действием дрожжей (в ряде современных технологий стадии осахаривания и сбраживания совмещены); отгонку этанола осуществляют на двухколонных брагоректификационных установках; окончательное обезвоживание - на цеолитах.

Рис. 1. Блок-схема производства топливного этанола из зерна и картофеля

На сегодня в мире подавляющее количество топливного этанола производится из зернового сырья (ежесуточно на этанол перерабатывается 100 тысяч тонн зерна). Чрезмерное увлечение производителей этанола зерновым сырьём породило дефицит зерна пищевого назначения на мировом рынке и существенный рост цен на зерно.

В сложившейся ситуации ряд специалистов выступили с критикой национальных программ производства биоэтанола из пищевого сырья. По мнению этих критиков, энергоэффективность производства и использования топливного этанола из пищевого сырья ничтожна или даже может быть отрицательной, поскольку на производство зерна и его заготовку приходится также затрачивать значительные средства, в том числе, и моторное топливо.

Поэтому во всём мире ведутся работы, направленные на вовлечение в производство этанола непищевого углеводсодержащего сырья и, в первую очередь, древесины, суммарное содержание полисахаридов в которой сопоставимо с содержанием их в зерновом сырье. Трудность состоит в том, что технология осахаривания, традиционно применяемая при переработке зерна и картофеля, для древесного сырья неприемлема; необходимы иные приёмы подготовки древесного сырья к осахариванию и необходимы иные ферментные препараты. К настоящему времени такие препараты созданы: известная Компания Гененкор осуществляет продажу ферментных препаратов, способных достаточно быстро и с высоким выходом глюкозы осахаривать целлюлозу (основной полисахарид древесного сырья); при этом затраты на ферменты в расчёте на один галлон (3,8л) спирта из целлюлозы не превысят 20 центов. Наряду с ферментативным осахариванием целлюлозосодержащего сырья возможна и прямая микробная биоконверсия в биоэтанол. В частности, этого удалось добиться учёным Объединенного Биоэнергетического Института (Joint BioEnergy Institute) США, которые сконструировали генномодифицированную бактерию E. coli, способную одновременно и осахаривать целлюлозо- и гемицеллюлозосодержащее сырьё и сбраживать образующиеся сахара в этанол.

Что же касается подготовки древесного сырья к ферментативному осахариванию, то эффективного решения, по-видимому, пока не найдено (дело в том, что в древесине содержатся лигнинные вещества, оказывающие ингибирующее воздействие на ферменты, способные осахаривать целлюлозу).

Здесь уместно вспомнить, что в РФ накоплен значительный теоретический задел и промышленный опыт кислотно-каталитического осахаривания целлюлозы, находящейся непосредственно в древесине; работы в этом направлении продолжаются; в частности, в Сибирском Федеральном Университете разработан процесс получения этанола и углеводородов из древесного сырья, включающий сепарацию древесины на целлюлозу и низкомолекулярные лигнинные вещества методом селективного каталитического окисления; последующее кислотно-каталитическое осахаривание целлюлозы и переработку в биоэтанол; термоконверсию лигнинных веществ в углеводороды.

Для стимулирования разработок по производству этанола из древесного сырья правительство США, как государства, расходующего около 40% мирового потребления бензина (около 400 млн. т/год) и особо заинтересованного в сокращении его потребления, взяло на себя обязательство закупить у тех компаний, которые начнут производить биоэтанол из целлюлозосодержащего сырья в период до 2014 года, 250 млн. галлонов этанола до конца 2013 года по цене производителей.

Одной из специфических особенностей древесных гидролизатов (или ферментолизатов) является наличие в них пентозных сахаров - ксилозы и 26 арабинозы, которые не сбраживаются в биоэтанол обычно применяемыми дрожжами-продуцентами; между тем, доля пентоз по отношению к гексозам в древесных гидролизатах обычно составляет около 1/3. Для сбраживания пентоз в биоэтанол подобраны специальные виды дрожжеподобных грибов, относящихся к родам Pachizolen и Candida; кроме того, создан генномодифицированный штамм дрожжей Saccharomyces cereviseae, в который введен ген утилизации ксилозы из дрожжей Pichia pastoris; при использовании данного штамма выход биоэтанола на древесных гидролизатах увеличивается на 40%.

Наряду с целлюлозосодержащим сырьём другим весьма перспективным сырьём для производства биоэтанола (а также - других биотоплив) учёные всего мира считают водоросли, поскольку растут они круглогодично, без участия человека, а урожайность их во много раз больше, чем у наземных растений.

Основным компонентом морских водорослей являются полиальгиновые кислоты, содержание которых составляет около 60%.

Для конверсии полиальгинатов в биоэтанол учёными США (лаборатория биоархитектуры, Беркли, Штат Калифорния) создан генномодифицированный штамм бактерии E. coli, который характеризуется достаточно высокой продуктивностью. Выход биоэтанола может достигать 28% от массы сухих водорослей.

Японскими исследователями (институт Тохоку) подобран для промышленного культивирования вид водорослей, способных непосредственно сбраживаться дрожжами в биоэтанол (достаточно только предварительного измельчения водорослей). Выход биоэтанола может достигать 200 л из 1 т сухих водорослей.

Первый в мире завод по производству биоэтанола из водорослей построен в штате Флорида США. Установлены 40 биореакторов для культивирования фотоавтотрофных микроводорослей из прозрачного материала. Среда культивирования - вода, насыщенная СО2. Выработка биоэтанола с 1 биореактора - 1000 галлонов в год, цена - менее 1 доллара за 1 галлон.

Подобный завод строит в Бразилии Компания See Algаe Technology (SAT). Специальные фотосинтезирующие автотрофные водоросли выращивают в биореакторах, оснащенных оптическими волокнами, через которые в биореакторы 27 проникает солнечный свет; источником углекислого газа, подаваемого в биореакторы, являются отходы от производства биоэтанола из сахарного тростника, которые специально сжигают для обеспечения роста водорослей. Ожидаемая стоимость биоэтанола из водорослей - 40-50 центов за 1 литр.

Большой интерес у специалистов вызвала информация Американской компании Coskata о разработанной ею технологии производства биоэтанола из любого органического сырья (не только биологического). Сущность технологии заключается в том, что сырьё подвергается термокаталитической конверсии в смесь, состоящую из окиси углерода и водорода, далее эту смесь (т. н. синтез-газ) подают в биореактор, в котором культивируются особые бактерии (это ноу-хау компании, их назвали "проприетарные"), отличающиеся тем, что используя синтез - газ в качестве углеродного субстрата в анаэробных условиях, они продуцируют этанол без каких-либо побочных примесей.

В заключение отметим, что по энергетической плотности биоэтанол значительно уступает бензину (теплоты сгорания 19,6 и 32 МДж/л соответственно). Однако, замена бензина биоэтанолом приводит к пропорциональному снижению выброса парникового газа (СО2) в атмосферу, кроме того, резко снижается токсичность выхлопных газов.

3.1 Типовая технология производства биоэтанола

Биоэтанол получают сбраживанием сахара по технологии, которая используется в производстве пищевого спирта. Крахмал из зерен и клубней растений с помощью ферментов превращается в простые сахара. Затем эти или природные сахара из сахарной свеклы, сахарного тростника или сорго сбраживаются дрожжами в бражку, т.е. смесь спирта, воды и несброженные остатки. Этанол отделяют от бражки в дистилляционных колоннах и дополнительно очищают в ректификационных колоннах, на выходе которых получают смесь этанола с водой. На этапе обезвоживания из этой смеси удаляют остатки воды, и получают безводный биоэтанол, который можно смешивать с бензином в качестве окислителя и высокооктанового компонента.

3.2 Этапы производства биоэтанола

Помол и подготовка сырья. Сырье составляет существенную часть себестоимости биоэтанола. Равномерный помол зерна ускоряет переработку, снижает себестоимость и повышает выход продукта. На этапе подготовки из сырья также извлекаются компоненты, не используемые при получении биоэтанола, но являющиеся сырьем для производства других продуктов. Например, с помощью мокрого помола из сырья получают крахмал А и В. Крахмал А перерабатывается в глюкозу и другие сахаристые вещества, а крахмал В служит сырьем для производства биоэтанола. Из зародышей пшеницы и кукурузы можно извлечь ценные масла.

Сжижение, осахаривание и сбраживание. Ожижение и осахаривание - это превращение полисахарида крахмала в сбраживаемые моносахариды. Ожижение начинается с затирания, т.е. добавления в муку теплой воды с получением суспензии. Затем ее нагревают паром в разварнике, где крахмал под действии тепла и альфа-амилазных ферментов превращается в гель и ожижается. Альфа-амилаза расщепляет длинные молекулы крахмала (этот процесс называется гидролизом), превращая крахмал в мальтодекстрин, т.е. раствор олигосахаров. Этот гидролизованный крахмал подвергается дальнейшей переработке - осахариванию, в ходе которой глюкоамилазные ферменты в условиях регулируемой температуры и рН превращают декстрин в пригодную для сбраживания глюкозу. Часть осахаренного сусла отбирается из осахаривателя и подается в дрожжегенератор. Осахаренное сусло из осахаривателя смешивается с закваской в бродильном аппарате. Перемешивание обеспечивает оптимальный контакт дрожжей с сахарами, а регулирование температуры и содержания питательных веществ поддерживает требуемую скорость сбраживания. Дрожжи превращают молекулу глюкозы в 2 молекулы этанола и 2 молекулы углекислого газа.

Дистилляция и ректификация. Дистилляция начинается с бражной колонны. Здесь из продукта брожения, бражки, отгоняется смесь этанола и воды. Дальнейшая очистка происходит в ректификационной колонне, где спирт максимально освобождается от воды и состав паров приближается к азеотропной точке.

Обезвоживание и очистка этанола. Чтобы получить топливный этанол, из спирта-сырца требуется удалить воду. Воду можно удалять с помощью молекулярных сит, диффузионного испарения через мембрану или азеотропной перегонкой с разделяющими агентами.

Технология молекулярных сит. Использование молекулярных сит (адсорбентов) - это самая современная низкоэнергетическая технология обезвоживания. Перегретая смесь паров этанола и воды проходит через слой цеолита, т.е. пористого материала с очень точно выдержанным размером пор. Молекулы воды чуть меньше размера пор и в силу своей высокой полярности удерживаются в порах электростатическими силами. В то же время более крупные молекулы этанола проходят сквозь молекулярные сита, не задерживаясь. В результате образуется безводный этанол.

Диффузионное испарение - это альтернативный метод осушения, в котором применяются гидрофильные мембраны. С одной стороны мембраны создается вакуум. В силу различия диффузионного сопротивления и парциального давления этанола и воды происходит разделение этих веществ на мембране. Вода проходит сквозь нее, а обезвоженный этанол остается.

Азеотропная перегонка. В этих системах в смесь спирта и воды добавляется разделяющий агент, который образует азеотроп с этанолом или водой. Затем в регенерационной колонне этот азеотроп разделяется на разделяющий агент и компонент исходной смеси.

Использование отходов

Отходам производства биоэтанола находится широкое применение. Чаще всего из них производят высушенную дробину с растворимыми веществами барды, - богатый белками и питательными веществами корм для КРС, свиней и птицы. Также полученную биомассу можно использовать как топливо для производства электрической и тепловой энергии или как сырье для выработки другого биотоплива - метана.

Заключение

Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов.

В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ.

Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, странах ЕС.

Международная энергетическая ассоциация (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн т энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7-9%. В результате до 2030 г. доля биотоплива в общем объеме топлива в транспортной сфере достигнет 4-6%

Список использованных источников

1. http://autoeco. info/makebe. php

2. http://www.sergeyosetrov. narod.ru /Documents/ Map_energy_alcohol_plant_JPG. JPG3 http://www.freepatent.ru/

4. http://www.bioethanol.ru/bioethanol/technology/

5. https: // ru. wikipedia.org/wiki/Биоэтанол

6. http://revolution. allbest.ru/ecology/00204968_0.html

7. http://www.mirvody.ru/ochistka_stochnyh_vod_ot_myshjaka/ ochistka _stochnyh_vod_dlja_molochnoj_promyshlennosti_i_molokozavodov

Размещено на Allbest.ru