Завод по производству биоэтанола в Северной Дакоте
Биоэтанол (англ. Ethanol fuel) — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Биоэтанол относят к биотопливу первого поколения, и производят из биомассы, такой как кукуруза, сахарный тростник или пшеница.
Биоэтанол является формой возобновляемой энергии, которая может быть получена из сельскохозяйственного сырья. Существует множество споров о том, насколько эффективен биоэтанол в качестве замены бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны, в первую очередь, с повышением цен на продовольствие из-за потребности в большом количестве пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, а также объемов загрязнения при производстве биоэтанола, особенно из кукурузы.
Производство
Технология производства биоэтанола
Основными этапами промышленного производства биоэтанола являются: микробная (дрожжевая) ферментация сахаров, дистилляция, дегидратация и денатурирование. Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, до сахаров. Ферменты используются для превращения крахмала в сахар.
Ферментация
Этанол производится путем микробной ферментации сахара. Микробная ферментация в настоящее время работает только с сахарами. Два основных компонента растений — крахмал и целлюлоза — сделаны из сахаров - и могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время только сахар (например, сахарного тростника) и крахмал (например, кукурузы) могут быть экономически эффективны преобразованы в биотопливо.
Дистилляция
Чтобы этанол можно было использовать в качестве топлива, необходимо удалить твердые вещества дрожжей и большую часть воды. После брожения сусла нагревают так, что этанол испаряется. Этот процесс, известный как дистилляция, отделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропной смеси вода-этанол. Эта смесь называется водным этанолом и может использоваться в качестве топлива в отдельности, но в отличие от безводного этанола, такой этанол не смешивается с бензином во всех соотношениях, поэтому фракция воды обычно удаляется при дальнейшей обработке для сжигания в сочетании с бензином в бензиновых двигателях.
Дегидратация
Существует три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанол-вода. Первый процесс, используемый на многих ранних заводах по производству топливного этанола, называется азеотропной перегонкой и состоит в добавлении в смесь бензола или циклогексана. Когда эти компоненты добавляются в смесь, она образует гетерогенную азеотропную смесь, которая при перегонке образует безводный этанол в нижней части колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана/бензола.
Другой метод, называемый экстрактивной дистилляцией, состоит в добавлении тройного компонента, который увеличивает относительную летучесть этанола. Когда тройная смесь перегоняется, в верхнем потоке колонны образуется безводный этанол.
Поскольку все большее внимание уделяется экономии энергии, было предложено много способов, которые полностью исключают перегонку для дегидратации. Из этих способов появился третий метод, который был принят большинством современных заводов по производству биоэтанола. Этот новый процесс использует молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой шариков молекулярного сита. Поры гранулы имеют размеры, позволяющие адсорбировать воду, исключая этанол. Через некоторое время слой регенерируют в вакууме или в потоке инертной атмосферы для удаления адсорбированной воды.
Важно отметить, что биоэтанол гигроскопичен, то есть он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку поглощенная вода разбавляет топливную ценность этанола и может вызвать разделение фаз смесей этанол-бензин (что приводит к остановке двигателя), ёмкости с этанольным топливом должны быть плотно закрыты. Эта высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может эффективно транспортироваться по современным трубопроводам, как например нефть и бензин.
Сырьё для производства биоэтанола
В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы и сахарного тростника.
Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок[1], картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.
Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.
Энергоэффективность сырья
| Сельскохозяйственная культура | Производительность (литров / га) | Сокращение парниковых газов (по сравнению с бензином) |
|---|---|---|
| Мискантус (веерник) | 7300 | 37%–73% |
| Сахарный тросник | 6800–8000 | 87%–96% |
| Сахарная свёкла | 6700 | Неизвестно |
| Веничное просо | 3100–7600 | 37%–73% |
| Тополь | 3700–6000 | 51%–100% |
| Сорго | 2500–7000 | Неизвестно |
| Кукуруза | 3100–4000 | 10%–20% |
| Маниок | 3800 | Неизвестно |
| Пшеница | 2600 | Неизвестно |
Биоэтанол в альтернативном будущем
The Edge
- Биоэтанол или просто спирт является ключевым топливным ресурсом в мире The Edge, поскольку большая часть легко добываемой нефти исчерпано. Биоэтанол является главным ресурсом международной торговли.
- Черноземье является одним из крупнейших производителей биоэтанола, благодаря высокой плодородности чернозёма на котором выращивают пшеницу и сахарную свёклу.
Примечания
- ↑ Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде — около $35 за баррель нефтяного эквивалента.