Глава 1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СПИРТОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Этанол, получаемый в результате биодеградации ежегодно возобновляемых растительных субстратов (зерна злаковых культур, свеклы, картофеля, соломы, багассы, люцерны, сахарного тростника), является ценным продуктом, который находит самое широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой и химической, в кондитерской и вино-водочной промышленности. В то же время проблема снижения выпуска и удорожания процессов нефтедобычи позволяет рассматривать перспективность использования этанола, получаемого из растительного сырья, в качестве компонента топлива. Цикл превращения углекислого газа в злаковые культуры и зерно, а далее через ферментационный процесс и последующую ректификацию в этанол, топливо и снова в углекислый газ наглядно подтверждает экологическую целесообразность использования этанола как компонента топлива (рис. 1.1).

Получение этанола из возобновляемого растительного сырья, а также углеродсодержащих бытовых и промышленных отходов методом спиртового сбраживания становится реальной альтернативой химическому методу. При этом успехи микробиологии в отборе новых штаммов микроорганизмов, селекции и генной инженерии, а также использование эффективных ферментных препаратов для гидролиза исходного сырья позволяют получать этанол с высоким выходом из различных источников. Классическая схема спиртового брожения и превращения глюкозы в этанол приведена ниже:

Реальный выход этанола из глюкозы составляет 46—47 %, при этом процесс протекает в нормальных условиях по температуре и давлению. При химическом методе получения этанола в процессе гидратации из этилена требуются повышенная температура и катализатор. Этилен, производимый каталитическим гидрированием ацетилена или крекингом нефти, — достаточно дешевый и широко производимый промышленным путем химический продукт. Однако повышение стоимости нефти и нефтепродуктов, а также расширение сферы промышленного использования этанола делают особенно актуальной задачу дальнейшего совершенствования биотехнологии этанола и снижения его себестоимости.

Рис. 7.7. Цикл превращения углерода

Именно возможность решения энергетической проблемы производством энергоносителей (в частности, этанола) из растительного сырья, включая первичные и вторичные сельскохозяйственные продукты и отходы, определила интенсивное развитие этанольной промышленности в таких странах, как США, Бразилия, Индия и т. п.

Анализ потребности в энергии для производства 1 кг этанола из зерна кукурузы и величины выхода энергии (в единицах бензинового эквивалента) показал, что при использовании жидкого горючего на всех стадиях процесса — производство зерна, ферментация микроорганизмов, дистилляция этанола, сушка вторичного продукта — каждый произведенный галлон этанола сократит поставки бензина на 0,725 кг [1]. Была исследована зависимость организации крупномасштабного производства спирта из биомассы от наличия сырьевых и трудовых ресурсов в регионе с помощью разработанного в ИИАСА подхода WELMM (вода — энергия — земля — людские ресурсы — материалы). Оценка двух стадий производства тростника и маниоки (сельскохозяйственной, связанной с выращиванием и уборкой урожая, и индустриальной, состоящей в переработке биомассы в этанол) показала, что энергия, потребляемая на сельскохозяйственной стадии, составляет в 17 ГДж/ га, в том числе на топливо для механизмов и машин расходуется 55 %, на машины, азотные удобрения, различные материалы 45 %. При переработке маниоки энергии потребляется на 40 % меньше, что иллюстрирует табл. 1.1.

Энергетический баланс производства этанола, МДж/л

Таблица 1.2

Расходы на производство этанола для завода мощностью 120 м³/сут

ю

Производство этилового спирта биотехнологическим методом из возобновляемого растительного сырья по сравнению с традиционными путями получения энергии требует больших людских ресурсов. Это объясняется в первую очередь слабой механизацией сбора и обработки сельскохозяйственной продукции. В табл. 1.2 приведены данные, характеризующие финансовые затраты на производство этанола из сахарного тростника для завода мощностью 120 м³/сут, работающего 150 сут в году.

Отношение количества производимой и потребляемой энергии при производстве этанола из зерносырья (табл. 1.3), сахарного тростника и маниоки составляет от 1,1—1,4 (для зерна) до 2,1 (для сахарного тростника), что свидетельствует о целесообразности применения комплексной переработки субстратов.

Ведущие фирмы — производители автомобилей Chrysler, Ford и General Motors оценивали эффективность использования этанола в качестве топлива. На миллионах километров дорог было проверено новое топливо — оксидизель, состоящее из 15 % этанола, 80 % дизеля и 5 % присадок [2]. Рынок сбыта для оксидизеля покрывает 12 % бензинового рынка, при этом в результате частичной замены дизельного топлива этанолом снижается выделение в воздух углеводородов, оксидов азота, оксида углерода, уменьшается выброс ароматических углеводородов. В ходе испытаний было отмечено увеличение стабильности, экологичности и срока службы двигателей.

Таблица 1.3

Количество потребляемой и производимой энергии при производстве этанола

Отношение производимой энергии к потребляемой ~ 1,1—1,4

Снижение потребности в бензине и улучшение экологической обстановки в городах в результате использования топлива на основе смеси дизеля, этанола, бензина и присадок предопределяет тенденцию развития спиртовой промышленности. В США и ведущих странах по производству этанола отмечается заметный рост его выпуска и использования (рис. 1.2). Сегодня, больше чем триллион машин работает на топливе смеси этанола и бензина, что составляет только в США 12 % от всех работающих моторных двигателей.

В России выпуск этанола несколько снизился за последние 15 лет, что иллюстрирует диаграмма на рис. 1.3. Однако в 2015—2017 гг. объем реализации рос на 4,1—9,2 % в год. Основным монопольным производителем этанола в России становится госкомпания «Росспиртпром».

Рис. 1.2. Динамика и прогноз роста выпуска этанола в США, Бразилии,

КНР, ЕС

Рис. 1.3. Изменение объема спирта, выпускаемого в России

Тенденция развития промышленности показывает, что новые предприятия за последнее десятилетие практически не строились, происходила частичная модернизация действующих производств.

Проблеме получения этанола и использования его в качестве составной части горючего уделяют внимание также в Бразилии, Канаде, Индии, скандинавских странах. Проявляют интерес страны Западной Европы, Японии, ЮАР, однако, по существующим прогнозам, страны Западной Европы собираются импортировать этанол из тропических стран [3, 4].

Таким образом, отмечается существенный рост производства этилового спирта во многих странах мира: России, США, Латинской Америки и Азии.

Авторы: Винаров Александр, Кухаренко Александр, Николайкина Наталья