Читайте также:
|
|
Среди различных биохимических методов конверсии биомассы наибольшее распространение имеют два процесса: спиртовое сбраживание, в результате которого образуется этанол, и анаэробная (без доступа кислорода) переработка, позволяющая получить конечные продукты в виде биогаза и ценных органических удобрений.
Спиртовое сбраживание. Этиловый спирт С2Н5ОН (этанол) в естественных условиях образуется из сахаров под воздействием дрожжевых микроорганизмов в кислой среде с рН = 4-5. Вещество известно уже давно. Применяется в пищевой промышленности, парфюмерии, медицине и т.д. Только с недавних пор его стали использовать в качестве моторного топлива или добавок к нему. Характеризуется высокой теплотой сгорания — 30 МДж/кг.
Сложность получения этанола зависит от трудности переработки исходной биомассы. Сахарный тростник, например, сначала измельчают, давят иполучают сладкий сок. Из него получают сахарозу. Остающуюся патоку с содержанием 55% сахаров используют для получения спирта. Отжатый тростник (жом) сжигают, чтобы обеспечить энергией производство этанола. Такое применение жома удешевляет конечный продукт — этанол.
Сахарная свекла легко поддается переработке на сахар для сбраживания. Но в этом случае мало отходов, которые можно использовать в качестве топлива. Требуется дополнительный энергоноситель, и этанол становится дороже.
По российской технологии клетчатку свекловичного жома предварительно обрабатывают острым паром. В результате скорость ферментации увеличивается в 3-4 раза и существенно повышается выход этанола.
Зерновые культуры, в том числе кукуруза, корнеплоды (картофель, маниок), содержат крахмал, который подвергается гидролизу на сахар. Углеродные связи в крахмале разрушаются ферментами солода или подходящих плесеней (грибков). Получающийся при сбраживании вторичный продукт (отходы) идет на корм скоту.
На долю древесной целлюлозы приходится до 40% всей сухой биомассы. Полисахарид ее разрушается с трудом в кислой среде. Этот процесс дорогой, поэтому в промышленном производстве проводят измельчение исходного продукта.
Выработка этанола упрощается, если сырьем служит макулатура, для которой не требуется предварительная обработка, как это необходимо для лигниноцеллюлозы. Сахарификация макулатуры протекает за короткий период под воздействием фермента целлюлазы при температуре 45°С. Из 1 тонны бумаги получают 350-400 л этанола.
Анаэробное сбраживание. Анаэробная ферментация — это процесс переработки биомассы с помощью бактерий без доступа кислорода. При этом органические вещества разлагаются до метана и диоксида углерода. На долю метана приходится до 90% энергии, содержащейся в исходном сырье.
Смесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого количества других газов называют биогазом. Его состав: 55—80% NH4, 15-40% СО2, 0-1% H2S, 0-1% N2, 0-1% Н2. Теплота сгорания в зависимости от состава меняется в пределах 21-27 МДж/м3.
Кроме получения газообразного топлива, анаэробное сбраживание приводит к полной минерализации азота, фосфора, калия и других микроэлементов, делая их более доступными для усвоения растениями. Удобрения получаются экологически чистыми, без семян сорняков, патогенной микрофлоры,
Процесс анаэробной ферментации особенно эффективен при наличиибольшого количества навоза, т.е. в условиях содержания животных — крупного рогатого скота, свиней, птицы на крупных механизированных и автоматизированных комплексах с централизованным сбором экскрементов. Наряду сотходами жизнедеятельности животных для биогазовой технологии можноиспользовать силос, солому, зерно, подстилку для скота, пищевые и другиеотходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию.
Температурные условия ферментации обеспечивают существование 2 основных видов микроорганизмов: термофилов, активных при 45-70°С, и мезофилов, активных при 20-40°С. Жизнедеятельность микроорганизмов Methanosarcina протекает в диапазоне температур 20-70°С.
Сточные воды городов также могут быть источником получения биогаза. Такой источник существует давно, и в первую очередь к нему применялась технология получения биогаза. О масштабах переработки сточных вод можно судить по следующим данным. В Великобритании к концу XX века насчитывалось 150 небольших электростанций суммарной мощностью 174 МВт, работавших на биогазе из сточных вод. Там же проектируют строительство других электростанций общей мощностью 380 МВт.
Получение жидкого моторного топлива. Производство одного из заменителей бензина — метанола было рассмотрено ранее при описании процесса пиролиза. Метанол отличается от бензина высокой детонационной стойкостью. Его октановое число достигает 87-94 единицы, что позволяет увеличить степень сжатия в двигателе до 12-14. Однако теплота сгорания значительно ниже, поэтому увеличивается расход такого топлива. С учетом других эксплуатационных характеристик применение метанола способствует повышению эффективности двигателя по сравнению с бензиновым топливом на 10-11%.
Газификация. Продукты термической газификации биомассы могут быть подвергнуты дальнейшей переработке с целью синтеза жидких углеводородов, которые являются основными компонентами при получении моторного топлива.
Растительные масла. Важным возобновляемым резервом для замены нефтепродуктов, применяемых в качестве моторного топлива, могут служить масла, получаемые из семян растений. О масштабах современного производства растительных масел свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1.
К другим ценным масличным культурам можно отнести кунжут и лен.
Современные технологии извлечения масла основаны на механическом (прессование с подогревом) и химическом (экстракция растворами) процессах. После двукратного прессования в отжимках остается до 5% масла, экстракция позволяет удалить до 99%. Энергетический баланс при выработке растительного масла положительный. Только 26% от энергии, которая содержится в масле, расходуется на выращивание растений и переработку. Основным недостатком растительных масел по сравнению с дизельным топливом является их высокая вязкость, затрудняющая распыление при вводе в цилиндр двигателя. Возможно также засорение топливных линий.
Таблица 2. Объемы производства растительных масел.
Масличная культура | Мировое производство, 10бт | Высшая теплота сгорания, МДж/кг | Общая цена, долл./т |
Кокосовый орех | 2,6 | 38,8 | |
Семена хлопка | 2,9 | 39,3 | |
Земляной орех | 3,3 | 39,7 | |
Пальма | 3,8 | 39,2 | |
Семена рапса | 3,7 | 39,7 | |
Соевые бобы | 13,2 | 39,4 | |
Подсолнечник | 4,6 | 39,6 |
Использование биомассы с экологической точки зрения связано с изъятием ежегодно-возобновляющейся массы растений и животных и выделением углекислого газа при сжигании.
Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 41 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |