Биобутанол технология производства: Прорыв в создании биотоплива второго поколения – биобутанола

Прорыв в создании биотоплива второго поколения – биобутанола

Мировое потребление энергии в мире неуклонно растет в связи с увеличением населения Земли и ростом наших энергетических потребностей, что, в свою очередь, неизбежно приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу. Единственной возможностью снизить эмиссию CO₂, при этом, не ухудшая качество жизни населения, является использование возобновляемых источников энергии. Осознавая всю важность этого вопроса для нашей страны, в 2008 году правительство Российской Федерации поставило задачу разработать технологию получения биотоплива из возобновляемых источников непищевого сырья (биомассы). 

Почему биобутанол?

Ухудшение экологической обстановки в мире неизбежно диктует свои правила игры и устанавливает все новые более жесткие требования к используемым материалам, в том числе и моторному топливу. Вот почему производство жидкого биотоплива стало одним из приоритетных стратегических направлений развития экономики многих европейских стран, США, Бразилии и других государств. По данным исследований, выполненных компанией BP, потребление полученной из биомассы энергии в мире увеличится более чем вдвое к 2035 году (см. рисунок).  При этом одним из самых привлекательных и перспективных продуктов на развивающемся рынке является биобутанол.

Бутанол может производиться как из ископаемого топлива, так и из биомассы. Бутанол, полученный из биомассы, принято называть биобутанолом, хотя по своим физическим и химическим характеристикам он никак не отличается от бутанола, произведенного традиционным способом. Отличием является лишь то, что при сжигании биобутанола дополнительного выброса углекислого газа в атмосферу не происходит. Более того, производство биобутанола оправдано и с экономической точки зрения по ряду перечисленных ниже причин:

• Биобутанол по своим физическим свойствам близок к бензину, ввиду чего его использование не требует переделки двигателя автомобиля.
• Биобутанол может использоваться либо в смеси с бензином, либо в будущем полностью заменить его.
• Биобутанол по сравнению с другими альтернативными видами биотоплива (в частности этанолом) обладает большей энергоемкостью, а, следовательно, более экономичен в использовании.
• Биобутанол обладает меньшей коррозионной активностью по сравнению с этанолом, и его смесь с бензином меньше подвержена расслоению в присутствии воды, ввиду чего, бутанол может транспортироваться по уже существующим трубопроводам.

Многие зарубежные компании уже вложили немалые денежные средства в разработку технологии получения биобутанола. Однако цель все еще не достигнута. Одна из причин заключается в том, что предполагаемым сырьем для получения биобутанола являются пищевые источники (зерно, кукуруза), что неизбежно влечет за собой рост цен на продукты питания. А использование непищевых источников сырья таких как стебли кукурузы, солома злаковых, багаса, различные породы деревьев, приводит к значительному усложнению технологии, делая производство нерентабельным.  

Производство биобутанола в России

Транспортный биобутанол, изготовленный из непищевого сырья, мог бы стать экологически чистым инновационным товаром России, конкурентоспособным на мировом рынке, экспорт которого мог бы способствовать поступлению значительных средств в государственный бюджет страны. Это стало причиной того, что правительство Российской Федерации в лице госкорпорации «Ростех» акцентировало свое внимание на производстве биобутанола второго поколения, сырьем для которого выступают возобновляемые непищевые источники – опилки, торф и солома. Для реализации намеченных планов необходимо было, прежде всего, разработать технологию получения биобутанола, что решено было доверить ведущему научно-исследовательскому институту – ОАО «ГосНИИсинтезбелок».

Благодаря высокому качеству поставляемого оборудования и надежной репутации на отечественном рынке группа компаний «БИОТЕХНО» совместно с учеными приняла активное участие в решении ряда вопросов, связанных с разработкой технологии получения биобутанола из целлюлозосодержащего сырья. Технология производства является уникальной, поэтому во время реализации проекта группе разработчиков пришлось столкнуться с рядом непредвиденных обстоятельств.

Перед командой специалистов стояла непростая задача – в кратчайшие сроки нужно было провести комплексное оснащение научно-экспериментального комплекса НИИ современным оборудованием, необходимым для исследований, а также выполнить его монтаж и пуско-наладочные работы. Из ряда предлагаемого на рынке лабораторного оборудования необходимо было выбрать то, которое бы удовлетворяло следующим критериям: 

• высокая эффективность работы;
• минимальные затраты при обслуживании;
• простота в управлении;
• минимум занимаемого пространства.

Поставленное оборудование:

Для осуществления параллельного культивирования с целью отработки оптимальных технологических параметров нами предложено было использовать линию лабораторных автоклавируемых ферментеров. Особенностью наших ферментеров является то, что управление процессом ферментации осуществляется с клавиатуры персонального компьютера. Это без лишних усилий позволяет контролировать и поддерживать основные параметры ферментации.

Отработка технологических приемов получения биобутанола проводилась на линии пилотных стерилизуемых на месте ферментеров (10-50-200 литров), объединенных под одним контроллером. Установленная автоматическая программа управления постоянно сравнивала и корректировала параметры культивирования на каждом этапе и указывала операторам оптимальное время для сбора биомассы.

На следующем шаге необходимо было произвести отделение воды от целевого продукта. Идеальным решением данного вопроса являлось использование лабораторной проточной центрифуги CEPA. Ее преимуществом перед прочими аналогами является довольно быстрое центрифугирование при небольшой занимаемой площади, что в условиях лаборатории является определяющим фактором.

Дополнительно для нужд лаборатории нами была произведена поставка нескольких сушилок:

• Сублимационная сушилка ilShin. Предложенная нами сублимационная сушилка позволяет обеспечить превосходное качество продукта при минимальной продолжительности процесса, что способствует минимизации затрат.
• Распылительная сушилка Anhydro. Распылительная сушилка позволяет при достаточно высокой производительности (5-7 литров в час) осуществлять полный автоматический контроль качества. Данная сушилка характеризуется низкими энергозатратами, долгим сроком эксплуатации и простотой в обслуживании.

Решенные задачи:

Одной из наиболее важных задач, успешно решенных командой специалистов, являлся подбор оптимального режима ведения непрерывного процесса ацетонобутилового брожения, который бы отличался высокой удельной производительностью и повышенной концентрацией растворителей в среде.  

Вся сложность заключалась в том, что целевой продукт ферментации – биобутанол – представляет собой клеточный  метаболит, подавляющий активность клеток продуцента биобутанола Clostridium acetobutylicum в случае превышения в среде пороговых значений его концентрации. Нами был подобран уникальный для данного случая прибор – EloTrace, производства Biotronix GmbH, Германия, позволяющий в непрерывном режиме производить мониторинг клеток микроорганизмов в процессе ферментации путем измерения их метаболической активности электрооптическим методом, и своевременно реагировать на любые изменения. Это, в свою очередь, привело к снижению производственных затрат, увеличению выхода целевого продукта, а следовательно, повышению рентабельности производства.

Помимо аппаратурного оснащения лаборатории процесс разработки технологии потребовал привлечения опыта и знаний специалистов из различных областей науки. Ученым и специалистам  совместно пришлось решить массу вопросов, без которых получение технологии являлось бы просто невозможным. Все дело в том, что основная сложность в использовании древесины в качестве сырья для производства биобутанола заключается в присутствии в составе клеточной стенки лигнина, связанного с волокнами целлюлозы. Лигнин представляет собой полимер и является негидролизуемой составной частью древесины, который препятствует эффективной работе ферментов.  

Российскими учеными был разработан инновационный метод подготовки и дальнейшей обработки целлюлозосодержащего сырья с использованием ферментов грибов, при котором происходит практически полное расщепление целлюлозы на составляющие ее простые сахара. Данный метод позволяет избежать появления большого количества шлама, образующегося при традиционном подходе. Более того, получаемый в качестве побочного продукта лигнин является абсолютно готовым сырьем для дальнейшего получения полимерных материалов, топливных гранул, энтеросорбентов и т. д. Это, в свою очередь, приводит к повышению рентабельности производства. Основной трудностью в решении данной задачи являлся подбор наиболее эффективного комплекса ферментов, штамма продуцента и соответствующего аппаратного оформления процесса, обеспечивающего оптимальные условия для жизнедеятельности.

 

Итог? Конечно, биотопливо. А еще сложная, требующая полной самоотдачи, но очень интересная работа, позволившая специалистам нашей компании приобрести бесценный опыт и новые знания. Разработанная технология позволила не только получить биотопливо, себестоимость которого намного ниже международных аналогов, но и решить проблему утилизации отходов и сокращения энергоемкости производства.

«БОТАНИКА»

%PDF-1.6
%
1 0 obj
>
endobj
4 0 obj
/Creator (ABBYY PDF Transformer 2.0)
/Producer (PDF-XChange 3.60.0112 \(Windows Server 2003\))
/ModDate (D:20160516103640+05’00’)
/Title
>>
endobj
2 0 obj
>
stream
2016-05-16T10:36:40+05:002016-05-16T10:36:20+05:002016-05-16T10:36:40+05:00ABBYY PDF Transformer 2.0application/pdf

uuid:0d5e8ed5-d364-4d32-b3d4-6dd4f2d3eb56uuid:65a08c79-bb69-4a5d-8496-8e556fbe1efbPDF-XChange 3.60.0112 (Windows Server 2003)

endstream
endobj
3 0 obj
>
endobj
5 0 obj
>
/Font >
/ProcSet [/PDF /ImageB /Text]
>>
/Type /Page
/Annots [21 0 R]
>>
endobj
6 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
7 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
8 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
>>
/Type /Page
>>
endobj
9 0 obj
>
stream
x}V͊6)|FUж!dK\M2yԟܚIhDKTUW_mzNd| fZg

Новая технология производства биобутанола увеличивает выход продукции при снижении затрат | Биоинженерия

09. 08.2021

Инженерный колледж Университета штата Огайо

УРБАНА, Иллинойс, 9 августа 2021 г. — Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) выделило 1,6 млн долл. исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, Инженерного колледжа Университета штата Огайо и Университета Южного Иллинойса в Эдвардсвилле. Финансирование будет использовано для разработки инженерных микробных консорциумов для передового и эффективного производства биотоплива из возобновляемой биомассы с более высоким выходом продукта и нулевым выбросом CO2.

«Биотопливо следующего поколения должно быть не только экономичным и возобновляемым, но и экологически устойчивым», — сказал профессор биоинженерии Тинг Лу , соруководитель проекта. «Этот грант предлагает нам уникальную и своевременную возможность разработать технологии производства такого топлива».

«Эта награда присуждена в критический момент в исследованиях и разработках наших технологий», — сказал профессор Университета штата Огайо Шан-Тянь Ян, главный исследователь гранта и сотрудник Лу. «Это позволит нам вывести наш потенциально революционный метод производства биобутанола на новый уровень. Мы очень рады работать с ARPA-E и быть частью их инновационного исследовательского портфеля». Профессор Цзе Донг из Университета Южного Иллинойса в Эдвардсвилле — еще один член исследовательской группы.

Биобутанол, наряду с растущим числом других продуктов растительного происхождения, производятся почти исключительно путем ферментации. Современные методы производства биобутанола могут привести к потере более трети углерода в сырье в виде двуокиси углерода только на стадии ферментации. Эти отходы увеличивают выбросы парниковых газов, ограничивают выход продукции и растрачивают ценное углеродное сырье. Предотвращение потери углерода в виде CO2 во время биоконверсии или возможное включение внешнего CO2 в процессы биоконверсии может снизить выбросы и повысить эффективность процессов биоконверсии.

Бутанол обычно используется в качестве промышленного растворителя, но его также можно смешивать с бензином. Биобутанол получают путем ферментации того же сырья, что и этанол, — кукурузы, сахарной свеклы и других видов биомассы. В настоящее время преобладающим методом получения биобутанола является ферментация АБЭ, анаэробная конверсия углеводов штаммами бактерий Clostridium в ацетон, бутанол и этанол.

Команда проекта разработает новый процесс ферментации, объединив три вида бактерий и электрохимически восстановленный формиат, чтобы максимизировать конверсию углерода и производство бутанола с нулевым или отрицательным выбросом CO2. С выходом продукта из глюкозы на 50% выше, чем при ферментации кукурузы методом АВЕ, биобутанол можно производить по ценам, которые конкурируют с ценами на бензин и биоэтанол.

Этот проект — одна из 15 команд, получивших награду от программы ARPA-E «Оптимизированный синтез энергии и углерода для биоэкономики» (ECOSynBio), которая направлена ​​на оптимизацию производства биотоплива при одновременном сокращении углеродных отходов.

«Биотопливо — это мощный инструмент в наборе экологически чистых источников энергии, обладающий огромным потенциалом для питания наших кораблей и авиакомпаний с нулевым выбросом углерода», — сказала министр энергетики Дженнифер М. Грэнхольм. «DOE инвестирует в исследования, чтобы сократить выбросы и максимально увеличить доступность эффективного биотоплива, поскольку мы стремимся достичь целей президента Байдена по нулевому выбросу углерода».

О Инженерном колледже Грейнджера

Инженерный колледж Грейнджера Иллинойского университета в Урбане-Шампейне является одним из лучших в мире инженерных учебных заведений и признанным во всем мире лидером в области инженерного образования, научных исследований и общественной деятельности. помолвка. Благодаря разнообразному и сплоченному сообществу преподавателей, студентов и выпускников Grainger Engineering устанавливает стандарты передового опыта в области инженерии, внедряя инновации в экономику и принося революционные идеи в мир. Благодаря мощным исследованиям и открытиям наши преподаватели, сотрудники, студенты и выпускники меняют наш мир и добиваются успехов, о которых раньше можно было только мечтать, включая МРТ, светодиоды, ILIAC, Mosaic, YouTube, гибкую электронику, электрические машины, миниатюрные батареи, визуализацию черного цвета. дыра и полет на Марс. Самые яркие умы мира из Инженерного колледжа Грейнджера решают самые сложные задачи современности. И они строят лучшее, прохладное и безопасное будущее. Посетите https://grainger.illinois.edu для получения дополнительной информации.

Контакты для СМИ:
Инженерный колледж Грейнджера, Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн
Хуан Сонг (факультет биоинженерии)
[email protected]

Центр данных по альтернативным видам топлива: биобутанол

карбонол

спирт (бутиловый спирт), производится из того же сырья, что и этанол, включая кукурузное зерно и другую биомассу. Термин биобутанол относится к бутанолу, полученному из сырья биомассы. Преимущества биобутанола по сравнению с этанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров по Рейду. В соответствии со стандартом возобновляемого топлива бутанол кукурузного зерна соответствует порогу сокращения выбросов парниковых газов на 20% для возобновляемого топлива.

Хотя существует четыре изомера бутанола, наиболее активная работа по коммерциализации сосредоточена на изобутаноле для смешивания с бензином. Два положения Закона о чистом воздухе позволяют смешивать с бензином до 12,5% биобутанола по объему. Кроме того, согласно отказу, предоставленному Агентством по охране окружающей среды США (EPA), смесь 16% биобутанола является законным топливом, эквивалентным E10 (10% этанола, 90% бензина). Бутанол имеет стандарт качества топлива ASTM D7862 для смесей до 12,5% с бензином.

По состоянию на июнь 2018 года Агентство по охране окружающей среды одобрило смеси биобутанола с содержанием до 16 %. Важно обеспечить, чтобы биобутанол, смешанный с бензином, не приводил к содержанию кислорода, превышающему предел EPA в 3,7%. Утвержденный EPA уровень 16% биобутанола был определен на основе предположения, что в топливную смесь не включены никакие другие оксигенаты (например, этанол).

Окриджская национальная лаборатория исследовала совместимость материалов топливного оборудования с биобутанолом и обнаружила, что оборудование, совместимое со смесями этанола, также совместимо с биобутанолом. В 2013 году Underwriters Laboratories объявила, что оборудование, сертифицированное по предмету тестирования 87A (для смесей выше E10), также может сохранить сертификацию при использовании с биобутанолом. Ожидается, что биобутанол будет поставляться автоцистернами и по железной дороге с возможностью транспортировки по трубопроводам после исследований, демонстрирующих его безопасность.

Производство

Первые демонстрационные заводы по производству биобутанола представляли собой модернизацию существующих заводов по производству этанола из кукурузы. Топливо производится путем ферментации кукурузного сырья, и этот процесс почти идентичен производству топливного этанола из кукурузы. В дополнение к транспортному топливу компании, производящие биобутанол, производят ряд побочных продуктов, таких как растворители/покрытия, пластмассы и волокна. Производство этих побочных продуктов помогает компаниям, производящим биобутанол, улучшать экономические показатели за счет диверсификации предлагаемой продукции. Проблема биобутанола заключается в том, что из бушеля кукурузы можно произвести больше этанола, чем биобутанола.

Компания Gevo, производитель биобутанола, занимается преобразованием биобутанола в экологически чистое авиационное топливо с помощью утвержденной технологии ASTM.

Преимущества

Биобутанол является альтернативой обычному транспортному топливу. Преимущества биобутанола включают:

• Более высокое содержание энергии —Энергосодержание биобутанола относительно высоко среди альтернатив бензину. Однако плотность энергии биобутанола на 10–20% ниже плотности энергии бензина.

• Более низкое давление паров по Рейду — По сравнению с этанолом биобутанол имеет более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть и выбросы при испарении.

• Повышение энергетической безопасности — Биобутанол можно производить внутри страны из различных видов сырья, создавая при этом рабочие места в США.

• Меньше выбросов — При использовании биобутанола образуется меньше выбросов по сравнению с нефтяным топливом. Углекислый газ, улавливаемый растущим сырьем, снижает общие выбросы парниковых газов за счет уравновешивания выбросов углекислого газа при сжигании биобутанола.

• Дополнительные варианты транспортировки —Биобутанол не смешивается с водой, что означает, что его можно транспортировать по трубопроводам для снижения транспортных расходов.

Исследования и разработки

Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США изучила различные аспекты производства биобутанола:

• Производство бутанола из пищевых отходов: новый процесс производства устойчивой энергии и снижения загрязнения окружающей среды
• Производство бутанола путем ферментации: эффективные биореакторы

Министерство энергетики США (DOE) и Агентство по охране окружающей среды финансируют исследования и разработки в области биобутанола в рамках своих программ «Передача технологий для малого бизнеса» и «Исследования инноваций в малом бизнесе».