Характеристика различных видов сырья для производства этилового спирта

Использование возобновляемого растительного сырья и постоянно образующихся углеводсодержащих отходов перерабатывающей промышленности позволяет считать, что сырьевая база для обеспечения существующего уровня и дальнейшего развития производства этанола достаточно надежна. В то же время задача снижения себестоимости получения этанола биотехнологическим методом требует анализа и выбора различных видов наиболее дешевого и доступного сырья. При этом, в частности, важно, чтобы сырье ежегодно воспроизводилось в необходимых количествах, собиралось концентрированно без протяженных транспортных перевозок, имело высокое содержание углеводов и хорошо сохранялось.

В качестве углеводсодержащего субстрата для производства этанола чаще всего используют зерно пшеницы, ржи и кукурузы, молочную сыворотку, томатную пасту, древесные отходы, сахарный тростник, багассу, газетную массу и т. п. [5].

В табл. 1.4 [6, 7] приведено соотношение отдельных компонентов для различных видов природного возобновляемого сырья, которые могут быть превращены в этанол в биотехнологическом процессе.

Каждый из перечисленных выше субстратов в своем составе содержит полисахариды: целлюлозу (1,0—62 %), крахмал (1—81 %), гемицеллюлозу (9—27 %), из которых синтезируется этанол. От соотношения перечисленных выше полисахаридов в сырье зависят особенности технологической схемы, себестоимость продукта, количество образующихся отходов производства и их состав. Исторически производство этанола было ограничено использованием растворимых форм источников сахара типа сахарозы, патоки, полученной в результате переработки сахарного тростника, или фруктозы. Поскольку эти растворимые сахара съедобны, их относительная ценность выше остальных компонентов растений — зеленой массы: листьев, стеблей, и т. п., являющихся несъедобными и обычно имеющих намного меньшую стоимость. Во многих случаях несъедобные части растений являются отходами производств чистых сахаров, их сжигают, отправляют на очистные сооружения. Однако появление технологий по переработке лигноцеллю- лозных материалов в этанол позволяет рассматривать лигноцеллюлозу как дешевое сырье для производство этанола. Это очень существенно, например, с одного акра сахарного тростника производится приблизительно 10 т съедобного сахара и 3 т патоки, а также около 2,5 т зеленой массы — листьев и стеблей.

Таблица 1.4

Компонентный состав углеводсодержащего сырья, % от абсолютно сухого вещества (а.с.в.)

В соответствии с географическим положением и сложившейся структурой хозяйства в отдельных странах для производства спирта используют различные виды сельскохозяйственного сырья: во Франции сахарную свеклу и мелассу, в Германии картофель и зерно, В США зерно и фрукты, в странах Азии и Африки тростниковую мелассу. В России доля зерносырья, используемого для получения этанола, постоянно растет. Так, если в 1998 г. соотношение объемов спирта, полученного из зерна, и гидролизного спирта (в основном из древесной щепы) составило 2,8:1,0 при общем выпуске 500 тыс. т, то увеличение производства этанола до 600 тыс. т. в 1999 г. было обеспечено в основном увеличением доли зерна и соотношение достигло уже 3,8:1,0. Кроме зерна в России используют мелассу — отходы при производстве сахара и картофель.

На рис. 1.4 показано соотношение этих источников сырья. Однако в настоящее время в связи с резким ростом объема производства этанола сырьевая база расширяется, активнее используются целлюлозосодержащие отходы: багасса, газетная масса, твердые муниципальные отходы.

Рис. 1.4. Доля различных источников возобновляемого

сельскохозяйственного сырья при производстве этанола в России

С точки зрения использования наиболее дешевых отходов большой интерес, особенно в странах Европы и США, вызывают так называемые муниципальные отходы.

Состав муниципальных твердых отходов изменяется существенно в зависимости от местоположения мегаполиса, численности населения (табл. 1.5) [8]. Бумага и отходы продовольствия, строительные отходы, листва и т. д. содержат существенные количества лигноцеллюлозного материала. В составе твердых муниципальных отходов содержится до 65 % углеродсодержащих материалов, которые могут перерабатываться в этанол.

Усредненный состав твердых муниципальных отходов представлен на рис. 1.5.

Таблица 1.5

Количество муниципальных твердых отходов в регионах с различной численностью

населения

Рис. 1.5. Композиционный состав твердых муниципальных отходов

Состав бумажной массы, которая может быть переработана микробиологическим методом в этанол, представлен на рис. 1.6.

В состав отработанной бумажной массы входит до 77 % углеводсодержащих компонентов (целлюлоза и гемицеллюлоза) — источников углерода при производстве этанола. Бумажные отходы в основном сжигаются или вывозятся на свалки. Полагают, что при переработке 80 % мировых отходов в этанол ежегодно можно было бы получать 4 млрд т этанола [9].

В настоящее время разработаны технологии по переработке углеводородсодержащих субстратов с разным соотношением целлюлозы, крахмала, гемицеллюлозы и лигнина. Одним из критериев выбора субстрата является себестоимость получаемого этанола.

Себестоимость 1 т этанола в зависимости от вида используемого сырья приведены в табл. 1.6 [10].

Цена на субстрат не всегда определяет себестоимость продукта. Так, цена 1 т зерна — 140 долл., а цена 1 т сена — 97 долл., в то время как себестоимость 1 т этанола из зерна составляет 1,02 долл., а из сена — 1,45 долл, за галлон. Это обусловлено, прежде всего, сбалансированностью субстрата по сахарам, утилизируемым микроорганизмами и, как следствие, с выходом этанола от субстрата, а также с технологическими особенностями переработки субстрата. Использование отходов или побочных продуктов производств позволяет получать продукт с самой низкой стоимостью, при этом решается также проблема их утилизации. Однако количество этих отходов ограничено, и не всегда они могут находиться в сконцентрированном виде вблизи производств.

Рис. 1.6. Состав бумажной массы — потенциального источника этанола

Таблица 1.6

Себестоимость 1 т этанола в зависимости от вида используемого сырья

Другим фактором, определяющим выбор сырья для производства этилового спирта, является возможность его ежегодного воспроизводства в нужном объеме. Зависимость посевных площадей от вида сельскохозяйственных культур приведена в табл. 1.7 [11].

Таблица 1.7

Необходимые посевные площади под культуры, возделываемые для последующей переработки в этиловый спирт

Таким образом, если в России развито производство этанола из зерна, отходов переработки сахара и сахарной свеклы — мелассы, картофеля, то в США наряду с широким использованием зерна пшеницы, кукурузы наиболее перспективным считается развитие производства этанола на основе целлюлозосодержащих субстратов: кукурузной кочерыжки, опилок, отходов сахарного тростника, бумажной и древесной массы, газет, сена и т. д.

При утилизации целлюлозы экономически более выгодно перерабатывать сахарный тростник с учетом возможности его комплексной переработки с получением этилового спирта, чистого сахара и мелассы, а также дешевые отходы: опилки, солому злаковых культур, кукурузную кочерыжку.

Стремление использовать альтернативные источники энергии привело к тому, что некоторые импортирующие нефть страны, прежде всего Бразилия и США, организовали крупное промышленное производство топливного этанола из сельскохозяйственного растительного сырья на основе его биотехнологической переработки. Основными видами этого сырья остаются зерно кукурузы, сахарный тростник, зерно пшеницы. В целях повышения экономичности производства этанола, более полного использования сырья и создания экологически безопасных технологий проводятся интенсивные исследования и промышленные испытания по использованию новых более дешевых источников сырья (особенно древесных и сельскохозяйственных отходов), по совершенствованию процессов гидролиза, ферментации и обезвоживания спирта, разработки технологии утилизации отходов спиртового производства с получением целой гаммы новых продуктов [12].

Авторы: Винаров Александр, Кухаренко Александр, Николайкина Наталья