авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский

государственный технический университет – УПИ имени первого

Президента России Б.Н.Ельцина »

УДК 620.92

№ госрегистрации НА РЕГИСТРАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

Инв. № 2

Ректор ГОУ ВПО «Уральский

государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», проф., д.х.н., _ А.И.Матерн «» _ 2009 г.

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по теме: «Получение спиртовых топлив из растительной биомассы для аккумулирования нерегулярных энергетических потоков от ВИЭ»

(промежуточный) Руководитель работы С.Е. Щеклеин Профессор, д.т.н.

Екатеринбург ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель темы, д-р технич. наук _С.Е.Щеклеин,проф.,д.т.н.(введение, заключение) подпись, дата Исполнители темы _ Ю. Е. Немихин, ст. преподаватель(раздел 1) подпись, дата _ В.М.Пахалуев, проф.,д.т.н. (раздел 1, заключение) подпись, дата _А.Г.Шастин, проф,к.т.н. (разделы 2,3) _ Е. В. Борисова,ассистент (Приложение1) Нормоконтролер _А.И. Попов, доц., к.т.н. (разделы 1, 3) подпись, дата В. В.Власов, инженер (разделы 2-5) подпись, дата _ В. И. Велькин, доц.,к.т.н. (раздел 2) подпись, дата О.Н.Сморчкова, студент (Приложение1) подпись, дата Н.М.Тихонова, студент (Приложение1) подпись, дата А.С.Петров,инженер (Приложение1) подпись, дата Е. В. Арбузова, ст. преподаватель (раздел 3) В.Е. Силин ст. преподаватель, к.т.н. (раздел 3) А.В. Матвеев, инженер, к.т.н. (раздел 1) Е. В.Стариков ст. преподаватель (раздел 2) Е. В. Черепанова ст. преподаватель, к.т.н. (раздел 2) Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

РЕФЕРАТ Отчет 77 с., 38 рис., 26 табл., 66 источников.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ, КОНСТРУКЦИИ, ФЕРМЕНТАЦИЯ,ГИДРОЛИЗ, ДИСТИЛЛЯЦИЯ, РЕКТИФИКАЦИЯ, УЛЬТРАЗВУК, ТОПЛИВНЫЙ ЭТАНОЛ Объектом исследования являются технологические схемы и конструкции установок для получения топливного этанола из различных видов биомасс. Определены термодинамические параметры и необходимые удельные объемы тепловой и электрической энергии для получения этанола из различных видов биомасс. Показано, что наименьшую энергоемкость имеют процессы, основанные на ферментативном сбраживании биомасс. Показано, что высокосахоросодержащие биомассы требуют существенно более низкого уровня удельного энергообеспечения технологического процесса.

Цель работы - выбор технологий и изготовление экспериментальных установок для получения этанола из различных видов биомасс, оценка потенциальных ресурсов растительных биомасс для условий средней полосы РФ.

В результате работы изготовлены экспериментальные установки, моделирующие все необходимые этапы подготовки и переработки биомасс разного типа в топливный этанол, показано, что использование ультразвукового воздействия позволяет повысить скорость сбраживания сырья, а также сократить время процесса дистилляции бражки. Проведены поисковые исследования, показавшие эффективность применения ультразвукового воздействия с точки зрения снижения затрат энергии на осуществление процессов сбраживания и дистилляции.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

СОДЕРЖАНИЕ Введение......................................................................................................................................... 1. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА ИЗ БИОМАСС.......... 1.1. Технологии производства топливного этанола из сахарной свеклы, сахарного сорго, сахарного тростника.................................................................................................... 1.2. Технологии производства топливного этанола из зерновых культур......................... 1.2.1 Характеристики зерновых культур........................................................................... 1.2.2 Этапы производства спирта....................................................................................... 1.3. Технологии производства топливного этанола из картофеля..................................... 1.3.2 Этапы производства спирта....................................................................................... 1.4. Технологии производства топливного этанола из растительных биомасс- отходов сельскохозяйственного производства и лесопереработки.................................................. 2. СХЕМЫ И ОПИСАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА ИЗ БИОМАСС............................................ 2.1. Схемы экспериментальных установок для производства топливного этанола из сахарной свеклы, сахарного сорго, сахарного тростника.................................................... 2.2 Конструкции экспериментальных установок для производства топливного этанола из зерновых культур................................................................................................................ 2.3. Конструкции экспериментальных установок для производства топливного этанола из растительных биомасс (отходов сельскохозяйственного производства) и картофеля 2.4. Схемы экспериментальных установок для производства топливного этанола из древесины................................................................................................................................. 2.5 Схема экспериментальной установки для исследования влияния ультразвука на процесс ферментативного сбраживания.............................................................................. 2.6. Результаты пусконаладочных исследований на экспериментальных установках..... 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСУРСОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ СРЕДНЕЙ ПОЛОСЫ РФ....................................................................................... 3.1 Ресурсы биомассы, пригодной для производства топливного этанола...................... 3.2 Ресурсы возобновляемых источников энергии............................................................. ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................ Список использованных источников......................................................................................... Приложение П1............................................................................................................................ Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

ВВЕДЕНИЕ Целью работы является анализ возможностей использования возобновляемых источников энергии в для технологий производства топливного этанола, как способа аккумулирования нерегулярной энергии данных источников в виде высококалорийного органического носителя.

Основание и исходные данные для разработки темы, Работа выполняется на основании государственного контракта между ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» (г.Екатеринбург) и Федеральным агентством по науке и инновациям РФ (г.Москва).

Исходными данными для выполнения работы являются опубликованные в открытой печати данные Государственного комитета по гидрометеорологии РФ по приходам энергии на территорию страны от возобновляемых источников. Технические и научные данные, опубликованные в открытой печати по современным и перспективным технологиям использования энергии возобновляемых источников для производства электричества и теплоты;

технологиям производства топливного этанола.

В Свердловской области накоплен больший практический опыт производства этилового спирта из различных типов биомасс. Тавдинский, Лобвинский, Ивдельский, Талицкий химико-биологические комбинаты производили в год до 10 млн. декалитров спирта для разных целей.

Исследования по производству и использованию моторного этанола в УГТУ-УПИ были начаты по поручению Губернатора Свердловской области с целью оценки возможностей повышения энергетической безопасности территории и удержания объемов производства на градообразующих предприятиях существующих химико биологических комбинатов. С 1995 по 2005 гг. они финансировались в рамках хоздоговорных и госбюджетных проектов институтами и предприятиями Министерства промышленности энергетики и транспорта области. За это время только по результатам изучения физико-химических свойств топлив (спирт, спиртобензиновые смеси и пр.) было опубликовано 22 статьи в, получено 5 авторских свидетельств.

В УГТУ-УПИ, на кафедре атомной энергетики с 1995 года ведутся исследования и образовательный процесс по специальности нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Выпущено более 200 инженеров по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Защищено и подготовлено к защите 8 диссертационных работ по направлению ВИЭ. Всего по направлению ВИЭ опубликовано более 180 печатных работ.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

1. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА ИЗ БИОМАСС Этиловый спирт применяется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания либо в безводном виде (99,8% содержания С2Н5ОН), либо в форме гидратированного этанола (94%), либо в смеси с бензином («газохол»).

В основе биотехнологии этанола лежит процесс спиртового анаэробного сбраживания глюкозы С 6 Н 12 О6 + 2 АДФ + 2Фн 2СО2 + 2С 2 Н 5 ОН + 2 АТФ + 2 Н 2 О (1) 14 4 дрожжи Здесь С6Н12О6 – глюкоза;

АДФ - аденозиндифосфорная кислота;

АТФ аденозинтрифосфорная кислота;

Фн - неорганический фосфат.

В результате последующих реакций АТФ снова превращается в АДФ, поэтому масса дрожжей в процессе брожения увеличивается.

Сахароза превращается в этанол тоже с участием дрожжей по схеме:

С12 Н 22 О11 + Н 2 О 4С 2 Н 5 ОН + 4СО2 (2) При концентрации спирта выше 10% дрожжи погибают. Для получения концентрированного этанола используют перегонку или ректификацию, поскольку этанол является легкокипящей жидкостью по сравнению с водой. Путем ректификации можно получить смесь, состоящую по объему из 94% этанола и 6% воды (раствор спирта в воде относится к разряду азеотропных). Дальнейшее удаление воды возможно только химическими методами.

Наибольшее распространение этанол в качестве топлива нашел в Бразилии после первого нефтяного кризиса. Причина в том, что в этой стране при производстве сахара образуется колоссальное количество отходов сахарного тростника, которые служат неплохим сырьем для производства этанола.

Использование биомассы в энергетических целях-комплексный процесс, включающий выращивание и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие, газообразные и твердые топлива. Биомасса является возобновляемым ресурсом, а переработка сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов способствует охране окружающей среды от загрязнений.

Растительная биомасса представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на сухое вещество в ней содержится 5-30% водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина, соли), 5-40% протеинов, 25-90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5-30% лигнина, 1-13% нерастворимых в воде неорганических соединений (золы). Растительная биомасса характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40%, пренебрежимо малым содержанием такого нежелательного элемента, как сера.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

К недостаткам биомассы как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания экологического равновесия.

Сырая биомасса отличается высокой влажностью (30-90%)- энергоплотность сырой биомассы колеблется в пределах 1-15 ГДж/м3, и даже после сушки ее теплота сгорания остается относительно низкой 16-24 ГДж/т.

Превращение биомассы в топлива, пригодные для непосредственного использования, осуществляется термохимическими или биохимическими процессами. К термохимическим процессам переработки относятся прямое сжигание, пиролиз, газификация и экстракция масел, к биохимическим - ферментация и анаэробное разложение. Перед переработкой биомасса обычно проходит стадии подготовки, включающие измельчение, сушку и др. При переработке биомассы в моторные топлива наибольший интерес представляет газификация с получением синтез-газа (преобразуемого затем в метанол или углеводороды), а также ферментация с получением этанола. Процесс получения синтез-газа во многом аналогичен газификации угля. При газификации древесины при 300 "С в присутствии кислорода образуется в основном диоксид углерода. При повышении температуры до 600 °С получают смесь, в которой помимо С02 присутствуют водород, оксид углерода,- метан, пары спиртов, органических кислот и высших углеводородов. Выход газообразных продуктов при этом не превышает обычно 40% (масс.) на сырье. В связи с меньшими энергетической плотностью и теплотой сгорания биомассы газификация ее менее эффективна, Чем газификация угля. Поэтому, несмотря на проводимые во многих странах исследовательские и конструкторские работы в этой области, процессы газификации биомассы пока не получили широкой промышленной реализации.

Ферментация (сбраживание) биомассы известна давно и получила большое распространение во всем мире. Она основана на способности микроорганизмов, прежде всего дрожжей, расщеплять простые сахара в отсутствие кислорода до этанола и диоксида углерода:

C6H12O6—2С2Н50Н+ 2С02. (3) Простые сахара в виде сахарозы (димеров глюкозы и фруктозы) непосредственно ферментируются в этанол. Они, однако, содержатся R достаточной концентрации лишь в небольшом числе растений, прежде всего в сахарном тростнике и сахарной свекле. В некоторых сельскохозяйственных культурах (картофеле, кукурузе и других зерновых) довольно много крахмала, представляющего собой олигомер глюкозы. В древесине и рас тительных сельскохозяйственных отходах сахара содержатся в виде целлюлозы и гемицеллюлозы. Олигомеры и полимеры сахаров перед ферментацией превращают в моносахариды путем гидролиза:

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

(C2H10O5 )n+ n Н2О —»- nC6H12O6. (4) Крахмал и гемицеллюлоза гидролизуются в сравнительно мягких условиях с использованием сильно разбавленных кислот, тогда как для разложения целлюлозы требуются более концентрированные кислоты и повышенные температуры.

Кислотный гидролиз обычно осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах, которые заполняют древесиной и через нее пропускают разбавленную серную или соляную кислоту. Температура в аппарате медленно повышается до 185°С.

Продолжительность реакции составляет 2,5—3,0 ч. Средняя концентрация сахара в растворе, выходящем из реактора, составляет около 5%. Последующие технологические стадии - нейтрализация и фильтрование. Применение концентрированных кислот позволяет ускорить гидролиз, но требует использования специальных конструкционных материалов /1/. Кислотному гидролизу свойствен ряд недостатков, из которых следует отметить малый выход конечного продукта, возможность разрушения гемицеллюлозы до неферментируемых продуктов и низкое качество побочного продукта - лигнина, который трудно утилизировать.

В связи с этим в последние годы внимание исследователей направлено на ферментационный гидролиз с использованием специальных микроорганизмов. Такой гидролиз обеспечивает высокий выход глюкозы, а получаемый при этом лигнин можно непосредственно использовать в производстве фенольных смол. Однако стоимость получения энзимов в настоящее время еще очень высока, а разработанные на их основе процессы малопроизводительны. Поэтому целлюлозное сырье не находит в на стоящее время широкого применения в промышленном производстве этанола.

Технология дрожжевой ферментации сахаров достаточно проста. Наибольшее распространение получили периодические процессы. Микробная культура и субстрат, содержащий сахара, загружаются в реактор, и процесс образования спирта продолжается от 4 до 10 сут. Содержимое реактора постоянно перемешивается механическим способом или за счет естественного барботажа выделяющегося диоксида углерода. По мере роста микробной культуры в аппарат периодически добавляют субстрат с постепенно уменьшающимися интервалами подачи. Скорость роста микроорганизмов и выход этанола зависят от температуры, которая обычно не должна превышать 30-38 СС. По мере повышения концентрации этанола оптимальная температура роста клеток микробной культуры снижается и требуется охлаждение реактора. Важным условием роста клеток яв ляется рН среды: для дрожжевых культур -не более 4,5. Высокая концентрация спирта в реакторе вызывает снижение скорости роста дрожжевой культуры и ее способности Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

превращать сахара в этанол, поэтому содержание спирта в ферментационной среде не должно превышать 11-14% /2/.

Повышение производительности установок получения этанола из биомассы достигается применением непрерывных способов ферментации. Для этих процессов могут использоваться такие же или модифицированные реакторы. Подача субстрата осуществляется непрерывно, а высокая концентрация дрожжевых культур обеспечивается за счет их выделения из отходящего потока и возврата в реактор. Концентрация спирта поддерживается в пределах 4,5—7,0%. Для получения 95%-го спирта выходящий из аппарата продукт проходит несколько ступеней разделения. На первой жидкость отгоняется от твердых остатков. Затем жидкость фракционируется и получается 50- 70%-й этанол. На следующей ступени разгонки концентрация его повышается до 90-95%. Более высокая концентрация спирта может быть достигнута только азеотропной перегонкой.

Дистилляция спирта- самая энергоемкая и технологически сложная стадия всего процесса получения этанола ферментацией.

Помимо спирта при ферментации и дистилляции образуются остатки и отгоны, по объему превосходящие объем спирта в 10-15 раз. Утилизация их затруднительна, и они оказывают вредное влияние на окружающую среду.

Сельскохозяйственные и органические бытовые отходы можно подвергать анаэробной ферментации с получением биогаза с высоким содержанием метана. В сжатом или сжиженном виде этот газ можно использовать в качестве моторного топлива. Однако производство ere, базирующееся на локальных ресурсах сырья, как правило, невелико.

Образуется газ при давлении, близком к атмосферному, и в нем присутствует 30—50% диоксида углерода, сера и аммиак (следы). Кроме того, процесс анаэробной ферментации является периодическим, и состав получаемого газа трудно регулировать. В связи с указанными недостатками биогаз используют в основном в качестве котельного топлива для местных нужд.

Определенный интерес представляет использование в качестве моторного топлива для дизельных двигателей растительных масел. Масла, содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника, хлопчатника, сои, клещевины, кокоса и ряда других масличных культур, представляют собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды, близкие по теплоте сгорания к дизельному топливу. Масло выделяется из масличных культур путем выжимки и экстрагирования (трихлорэтиленом или гексаном) и очищается методами нейтрализации, вымораживания или фильтрования.

Однако растительные масла нестабильны и имеют повышенную вязкость и коксуемость.

Эти недостатки могут быть частично устранены, если применять их в смеси с дизельным Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

топливом или перевести в метиловые и этиловые эфиры. Мировое производство растительных масел не превышает 35 млн. т в год, и все они практически целиком потребляются пищевой и химической промышленностью. Стоимость растительных масел в несколько раз превышает стоимость дизельного топлива, получаемого из нефти.

Таким образом, хотя сырьевых источников для производства биотоплив много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Пищевые культуры исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными сегодня для производства продуктов питания. Сельскохозяйственные культуры - сезонное сырье и их выращивание требует больших земельных площадей. На пример, для производства в США 3,8 млрд. л в год этанола нужно собрать урожай с 2 млн.

га. В то же время ежегодный объем производства бензина в США -380 млрд. л., а под весь урожай кукурузы отводится около 28 млн. га /3/.

Вследствие рассредоточенности и большой влажности биомассы затраты на сбор и транспорт составляют 50% (и более) стоимости конечного продукта. Поэтому совершенствование технологии переработки биомассы не в состоянии значительно сни зить себестоимость топлив. Здесь требуются меры по интенсификации и удешевлению выращивания и сбора урожая сырья. Например, для более доступной, чем сельскохозяйственная, древесной биомассы возможно создание «энергетических»

лесоводческих плантаций. В отличие от обычных лесоводческих хозяйств, рассчитанных на выращивание деревьев больших размеров с периодом оборота от 30 до 80 лет, на таких плантациях выращивают быстрорастущие сорта деревьев до относительно небольших размеров, но с более плотной посадкой. При этом период оборота снижается до 20 и менее лет, и среднегодовой прирост сухой биомассы на 1 га может составлять 12—24 т против 2,5—7,5 т в обычном лесу /3/. Для таких хозяйств необходимы площади, пригодные для применения средств механизации.

Производство топлив из биомассы пока характеризуется низкой энергетической эффективностью. Это объясняется не только тем, что на выращивание, сбор и подготовку сырья расходуются значительные количества топлива и электроэнергии, энергоемкие удобрения, но и невысоким термическим к. п. д. процессов переработки. Энергетические затраты на получение этанола из различных видов биомассы составляют (ГДж/т) /4/.

Табл.1. Этап производства Сахарный Кассава Целлюлозо-содержащие тростник отходы Сельскохозяйственный 2,5—13,0 3,5 Подготовительный 4,0—12,0 16,5 49, Ферментация 0,1—4,0 4,3 4, Дистилляция 5,0—17,0 17,1 17, Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Косвенные затраты 11,0 12,0 14, Итого 22,6—47,0 53,4 84, Таким образом, при производстве этанола потребляется столько же (или даже больше) энергии, сколько ее содержится в получаемом спирте, теплота сгорания которого составляет 27 ГДж/т. Несмотря на отмеченные недостатки, по мнению ряда специалистов, биомасса может стать в будущем значительным источником для получения моторных топлив и, прежде всего, в зонах с ограниченными ресурсами горючих природных ис копаемых, но расположенных в благоприятных климатических зонах и обладающих площадями свободных земель. Примером таких. стран может служить Бразилия, где уже широко применяется. производство и использование на транспорте этанола. Россия является одним из обладателей огромных запасов биомассы естественного происхождения, природные условия страны позволяют осуществлять производство быстрорастущих культур (включая генно – модифицированные сорта) для внутреннего и внешнего рынков экологически чистых топливо- энергетических ресурсов. Экспорт топливного этанола может стать в перспективе серьезным источником валюты и экологически чистым энергетическим товаром России на международном топливном рынке. В 2002 г. в России было произведено 1.31 млн. м3 этанола из пищевого сырья, производство синтетического этанола составило 0.15 млн. м3, технического гидролизного этанола – 0.044 млн. м3. Россия располагает мощностями, применяющими гидролизные технологии и позволяющими вырабатывать до 0.2 млн. т гидролизного спирта. Однако гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными. Необходимо, разрабатывать современные экологически чистые технологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Обеспечить производство этанола в России могут и другие виды сырья, такие как меласса (отходы сахарного производства), картофельный крахмал, сладкое сорго.

Объем производства мелассы в 2004 г. равнялся 1.1 млн. т. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, или из 1.1 млн. т – 330000 м3 стоимостью 99 млн. долл. США. В качестве сырья для получения этанола можно использовать также свекловичный жом, объем производства которого в 2003 г. был 17.4 млн. т. Из этого количества жома можно получить 380 тысяч м3 этанола на сумму 114 млн. долл. Таким образом, общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 710 тыс. м3 на общую сумму млн. долл. Если для производства этанола использовать непосредственно сахарную свеклу, урожай которой в 2003 г. в России составил 21.7 млн. т, то при содержании сахара в ней 16% выход этанола мог бы равняться 1.7 млн. м3 на сумму 510 млн. долл.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Вторым сырьевым источником крахмала для производства этанола в России является картофель, из 1 т которого получается до 60 л этанола. При урожае картофеля в 36.6 млн.

т (данные на 2004 г.) потенциальный объем этанола – 2.2 млн. м3 на сумму 660 млн. долл.

Картофель – культура, широко распространенная в регионах рискованного земледелия России. Выращивание его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих регионах. Чтобы выйти по производству этанола на уровень его современного производства в США, России нужно засевать картофелем до 15 млн. га.

Сладкое сорго – еще один вид потенциального сырья для производства этанола в России.

Оно культивируется на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и Поволжье. Урожай сладкого сорго – 20-30 т/га. Из 1 т массы сорго получают 800-850 л сока с содержанием 20% углеводов или до 80 л этанола, то есть с 1 га – 2 м3 этанола на сумму 600 долл.

Следовательно, перспектива развития производства транспортного этанола в России с последующим его экспортом достаточно оптимистична. Но совершенно очевидно, что основным сырьем для его производства в нашей стране должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лингнин и целлюлозу.

1.1.Технологии производства топливного этанола из сахарной свеклы, сахарного сорго, сахарного тростника Производство этилового спирта из сахоросодержащих культур основано на процессах ферментативного сбраживания сахаров с выходом спирта в бражку.

Промышленное производство спирта представляет собой извлечение и последующее сбраживание природного сахара, содержащегося в стебле сахарного тростника. Этот процесс разбивается на следующие основные этапы:

Спирт из сахарного тростника Предварительный этап. На тростниково-сахарных заводах вырабатывается сахар-сырец:

1. измельчение сахарного тростника 2. разбавление 3. ферментативное сбраживание 4. дистилляция 5. ректификация 6. обезвоживание Конечный продукт - спирт-сырец. Производство спирт -сырца осуществляется непосредственно в местах произрастания сахарного тростника, в регионах субтропического климата.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Спирт из сахарной свёклы 1. очистка и измельчение свёклы 2. разбавление 3. ферментативное сбраживание 4. дистилляция 5. ректификация 6. обезвоживание 1.2. Технологии производства топливного этанола из зерновых культур 1.2.1 Характеристики зерновых культур.

Основными зерновыми культурами, используемыми для производства этилового спирта, являются пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, просо.

В таблице 1.2 приведены значения содержания крахмала в ряде зерновых культур.

Табл.1. Культура Содержание крахмала Рожь 46-53% Пшеница 48-57% Ячмень 43-55% Кукуруза 58-70% Бобы 50-60% Горох 20-50% Рис 73-76% Овес 34-45% Гречиха 68-72% Просо 42-65% Действующие ГОСТы распространяются на зерно, заготавливаемое государственными организациями для продовольственных целей. В соответствии с требованиями при заготовках б а з и с н ы е (расчетные) к о н д и ц и и {натура, влажность, содержание сорной и зерновой примесей) для различных культур зерна и районов заготовки могут изменяться в следующих пределах {табл. 1.3).

В соответствии с особыми условиями поставки хлебопродуктов предприятиям спиртовой промышленности поставляются в первую очередь хлебопродукты (кроме зерна, выделяемого для солодоращения), непригодные для продовольственных и фуражных целей.

Зерно по в л а ж н о с т и (%) классифицируют следующим образом: сухое - до 13,5-14,0;

средней сухости -от 13,5-14,0 до 15-16;

влажное - от 15-16 до 17-18;

сырое -свыше 17-18.

З а с о р е н н о с т ь товарного зерна (содержание в нем сорной примеси) характеризуется следующими величинами (в %);

чистое - до 1-2;

средней чистоты - от 1-2 до 2-4;

сорное свыше 2-4. Предельные показатели влажности и сорности даны для различных культур зерна.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Табл.1. Базисные кондиции зерновых культур Культура зерна Натура, г/л Влажность, % Содержание примеси, % сорной зерновой Пшеница яровая мягкая 730-755 14-17 1 озимая 730-755 14-17 1 яровая твердая 760 14-17 1 неклассная Рожь 680-715 14-17 1 Ячмень 570-610 14-15 2 Овес 460 14-18 1 Кукуруза в зерне - 22 1 Просо 13-15 1 Зерно состоит из трех основных анатомических частей: зародыша, эндосперма и оболочки. Внешнюю оболочку зерна образуют плодовая и семейная оболочки, далее лежит алейроновый слой, богатый белками и жиром. Под ним расположены эндосперм (крахмалистая часть зерна) и зародыш.

Зерна ржи, пшеницы и кукурузы не содержат цветочных пленок и откосятся к голозерным культурам;

зерна овса, проса и большинства сортов ячменя имеют цветочные пленки - эти культуры называют пленчатыми.

Соотношения отдельных частей зерна у различных культур колеблются в значительных пределах (табл. 1.4).

Т а б л и ц а 1. Соотношение основных частей зерна, % Культура Эндосперм Цветочные Плодовые Алейронов Зародыш зерна пленки и семенные ый слой оболочки Пшеница 83-85 0 4-7 7-10 1,5-3, Рожь 70-75 0 11-15 11-12 2,5-3, Ячмень 65-68 7-18 5-7 11-13 2,5-5, Овес 61-65 23-45 2,5-4,0 4-6 3- Кукуруза 61-77 0 7-14 7-9 8- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Химический состав зерна зависит от культуры, сорта, почвенно-климатических условий, агротехники, срока и условий хранения и других факторов.

Табл. 1. Средний химический состав зерна, % Культура Белок Углеводы Клетчатка Жир Зола Пшеница 10,0 70,0 1,6 1,7 1, озимая 13,2 66,1 1,8 2,0 1, яровая 7,2 73,2 1,6 1, Ячмень с пленками 9,5 67,0 4,0 2,1 2, Овес С пленками 10,3 56,4 10,3 4,8 3, Без пленок 13,0 61,6 1,4 7,0 2, Кукуруза 9,0 69,2 2,2 4,4 1, Просо С пленками 10,6 58,6 8,1 3,9 3, Без пленок 10,5 65,1 2,5 4,2 2, Рис без пленок 7,4 75,6 0,8 0,4 0, Гречиха без пленок 8,9 71,3 1,5 1,6 1, Сведения об усредненном химическом составе зерна различных культур (при влажности 15%) представлены в табл. 1.5.

В зерне содержится в среднем 14-15% влаги и 85-86% сухих веществ. Средний с о с т а в с у х и х веществ з е р н а при влажности 15% характеризуется следующими величинами (в %);

крахмал-51,4;

моносахариды -2,9;

клетчатка - 5,9;

пентозаны и пекти новые вещества - 9;

азотистые вещества -11;

жир - 3.

В табл.1.6 приведены усредненные данные о химическом составе бобовых и редких видов зерна.

Т а б л и ц а 1. Средний химический состав зернобобовых, сорго и чумизы, %.

Культура зерна Белок Крахмал Клетчатка Жир Зола Горох 19,3—34,0 20—48 2,2—10,0 0,6-5,5 1,9—4, Чечевица 23,0—32,0 47—60 2,4—4,9 0,6—2,1 2,3—4, Фасоль 10,4—31,7 50—60 2,3—7,1 0,7—3,7 3,1—4, Чумиза 12,8—14,1 59—62 7,2—9,8 5,6—6,7 2,2—2, Сорго 12,3 73,8 3,6 1, Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Содержание к р а х м а л а в зерне, поступающем на спиртовые заводы, колеблется в широких пределах и в зависимости от вида культуры может составлять (в %): пшенице – 48-57;

ржи -46- 53;

кукурузе – 58-60;

ячмене – 43-55;

овсе – 34-40 и просе – 42-60. В некондиционном зерне крахмала содержится значительно меньше.

В кондиционном зерне находится от 2 до 4% сахаров, во ржи - до 7%.

Из других безазотистых веществ в зерне содержатся пентозаны (ксиланы, арабаны)- от 7 до 15%,- являющиеся основной частью гумми-веществ (слизей), гексозаны (маннапы, гадактаны, глкжозаны) – (1-2% )и незначительное количество пектиновых веществ.

Содержание клетчатки в зерне, свободном от цветочных пленок, составляет 1,5-2,0%.

В зерне с неотделенными пленками оно повышается и достигает: в овсе 10%, просе - 8, ячмене - 5%.

Азотистые вещества состоят главным образом из белков, содержание которых может изменяться от 7 до 25%. Свободные аминокислоты, амиды, пептиды найдены в незначительных количествах. Содержание небелкового азота в среднем достигает 2%. Во ржи, а также зерне недозревшем, проросшем, подвергшемся самосогреванию, количество аминокислот возрастает.Примерное соотношение фракций белков в зерновых культурах приведено в табл. 1.7.

Т а б л и ц а 1. Соотношение белковых фракции в зерне, % Культура зерна Альбумины Глобулины Проламины Глютелины Пшеница 4 8 40 Рожь 28 22 32 Ячмень 12 30 35 Овес 20 20 15 Кукуруза 0,5 20 40 Просо 10 6 60 Жиры, являющиеся триглицеридами жирных кислот, содержатся в зерне в относительно небольших количествах-от 1,8 до 2,5% (в кукурузе 5-7%, овес – 5-6, просе 3,5-5%)-и сосредоточены главным образом в зародыше.

В зерне содержатся следующие важнейшие ферменты, имеющие значение для технологии спирта: карбогидразы, гидролизующие углеводы (р-амилаза и появляющаяся при прорастании зерна а-ами-лаза, сахараза, мальтаза);

протеазы, гидролизующие белковые вещества (протеиназы, полипептид азы);

липазы, расщепляющие жиры на глицерин и жирные кислоты.

В зерне различных культур содержатся витамины А, В и D, в небольшом количестве имеются витамины С, Е и PP.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Содержание минеральных веществ (золы, остающейся после полного сжигания зерна) колеблется у разных культур от 1,24 до 2,95%.

1.2.2 Этапы производства спирта.

Большинство зерновых культур (кукуруза, пшеница, рожь, ячмень и др.) содержат в себе крахмал, который является углеводом, но не подвергается спиртному сбраживанию.

Чтобы крахмал "осахарить", используют ферменты, содержащиеся в солоде.

А) Приготовление солода.

Солод получают из зерна пшеницы, ржи или ячменя путём проращивания в лотках высотой 5-10 см. Зерно, желательно предварительно обработанное раствором марганцовки (перманганат калия), засыпают в лотки слоем 2-3 см и орошают водой, но так, чтобы зёрна не плавали в воде. Лотки закрываются плёнкой или стеклом и ставятся в хорошо освещённое место. Зёрна необходимо периодически орошать по мере впитывания воды. Солод считается готовым примерно через неделю, т.е. когда ростки достигнут 2- см. Для получения солода следует брать зёрна с как можно большим процентом всхожести.

Б) Следующий этап технологии - растворение в воде крахмала, содержащегося в продукте. Для зерновых культур или кукурузы, продукт желательно предварительно измельчить, но не обязательно до состояния муки, добавить на 1 кг зерна 2-2,5 литра воды и варить до состояния хорошо разваренной каши.

В) Следующий ответственный этап - расщепление крахмала. Для этого сваренный клейстер ставят остыть, и как только температура клейстера понизится до 60 градусов, в него добавляют и размешивают предварительно измельчённый солод.

Для того, чтобы процесс расщепления прошёл полно, температуру 60 градусов необходимо выдерживать 40-45 минут.

После этого смеси дают остыть до комнатной температуры (20-22 градуса), запускают дрожжи и ставят в тёплое место для брожения.

Г) Брожение.

Оптимальная температура брожения - 20-22 градуса, но не ниже 15. При оптимальной температуре бражка будет готова через 3 дня, при более низкой - через 5-7 дней.

Д) Дистилляция (первичная перегонка).

Полученную бражку перегоняют через перегонный аппарат, получая натуральный пшеничный (ржаной, ячменный, кукурузный) спирт сырец крепостью 40-60 % об.

Сырой спирт, получаемый на этом этапе содержит много примесей - сивушных масел, метилового спирта, сложных эфиров. Для удаления примесей сырой спирт подвергают очистке - ректификации.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Вредные примеси образуются при сбраживании осахаренной массы. Метиловый спирт является продуктом распада пектина - метилового эфира полигалактуроновой кислоты, который содержится в растительных тканях.

Сивушные масла, являющиеся смесью высших спиртов (амилового, изоамилового, изобутилового, пропилового, изопропилового и др.), образуются в результате дезаиминирования аминокислот, которые в свою очередь проявляются при гидролизе белков. Кроме того, высшие спирты могут быть продуктами превращения некоторых промежуточных продуктов спиртового брожения.

К примесям относятся также фурфурол и сложные эфиры (изомасляно-этиловый, изовалерианово-этиловый и др.). Последние образуются при взаимодействии этилового спирта, сивушных масел с органическими кислотами, являющимися побочными продуктами брожения.

Е) Ректификация.

Дальнейшая очистка и повышение крепости спирта осуществляется на ректификационной колонне.

Полученный в процессе ректификации спирт достигает крепости 94-96 % об.

Ж) Обезвоживание спирта.

Абсолютный спирт (100 % C2H5OH) можно получить, удаляя из ректификата воду металлическим натрием, оксидом кальция или азеотропной перегонкой с бензолом, а также очисткой на молекулярных ситах.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Заготовка биомассы Очистка Измельчение Разбавление Вода Разварка Осахаривание Солод Приготовление солода Приготовление дрожжей Брожение Дрожжи Перегонка Спирт- сырец Ректификация Обезвоживание Рис. 1.2 Схема технологических операций по получению этилового спирта из зерновых культур Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

1.3. Технологии производства топливного этанола из картофеля Из всех видов сырья, используемого для получения этилового спирта, картофель наиболее полно отвечает технологическим требованиям спиртового производства, так как быстро разваривается, образует достаточно подвижную массу, содержащую необходимые количества азотистых веществ для питания дрожжей, дает наиболее высокий выход спирта.

Химический состав клубней картофеля меняется в зависимости от сорта, почвенно климатических условий, агротехники и условий хранения. При содержании сухих веществ в картофеле 25% средний химический состав клубней следующий (в %):

Вода 75, Крахмал 20, Моносахариды 0, Азотистые вещества (Nх 6,25) 2, Жир 0, Клетчатка 1, Зола 1, Зола состоит из следующих элементов (в % на сырое вещество): К2О—0,66;

Р2О5-0,19;

MgO—0,05;

СаО—0,03;

Na20—0,03.

Количество воды в картофеле колеблется от 64 до 86%.

Безазотистые экстрактивные вещества представлены крахмалом, моносахаридами и незначительным количеством пентозанов.

Содержание к р а х м а л а в картофеле, поступающем на переработку, колеблется в широких пределах {8-30%). На содержание крахмала кроме сорта влияют размер клубней, степень их зрелости и другие факторы. Картофель, выращенный в юго-западных районах, содержит больше крахмала, чем в северо-восточных {в УССР и Брянской области – 20 21%. в Тульской и Рязанской областях -18-19, на Урале и а Сибири-14-15%). В засушливые годы содержание крахмала возрастает. Клубни среднего размера (50-100 г) богаче крахмалом, чем крупные и мелкие. В недозрелых клубнях крахмала меньше.

В последние годы содержание крахмала в картофеле в большинстве районов снизилось на 2-4%, средний выход спирта из 1 т картофеля упал до 9,1 дал. Поэтому от работников сельского хозяйства требуются определенные усилия для повышения содержания крахмала в картофеле путем улучшения качества семейного материала и приемов агротехники.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

В зрелых покоящихся клубнях содержание сахара не превышает 0,3%, при хранении оно увеличивается и может достигать более 5% к массе клубней. Сахар состоит главным образом из глюкозы (до 70%), сахарозы (до 28%) и фруктозы (до 4%).

Степки клеток клубней картофеля состоят из клетчатки, содержание которой достигает 0,9-1,9% мас. Пентозаны также входят в состав клеточных стенок, их количество составляет 0,7-1,0%. В межклеточных пластинках и кожице находятся пектиновые веще ства (до 0,7%).

Содержание общего азота в клубнях картофеля колеблется от 0,11 до 0,6% и в пересчете на белок (Nx6,25) составляет в среднем 2,0%. Азот клубней на 60% входит в состав белковых веществ, 67% которых находится в растворимой форме, Небелковый азот существует в трех формах: аминной (26%), амидной (6%) и аммиачной (8%).

Белки картофеля состоят из протеинов и протеидов. Азотистые вещества клеточного сока представлены главным образом растворимым белком туберином, а также аминокислотами.

Жир картофеля (0,04-0,96%) состоит из трнглнцеридов линолевой, пальмитиновой, линоленовон, олеиновой, стеариновой, миристиновой и незначительного количества других кислот.

В картофеле присутствуют ферменты, осуществляющие реакции обмена веществ, и витамины: тиамин, рибофлавин, никотиновая кислота и ее амид, аскорбиновая кислота, токоферол-1, биотин.

Клеточный сок имеет слабокислую реакцию, обусловленную солями фосфорной и органических кислот (лимонной, щавелевой, янтарной, яблочной, молочной, аскорбиновой, малоновой, хлорогеновой). Общая титруемая кислотность зрелого кондиционного картофеля изменяется от 2 до 7 мл 1 и. раствора NaOH на 100 г клубней картофеля.

Активная кислотность клеточного сока здорового картофеля соответствует рН 5,7-6,6.

Согласно ГОСТ 6014-08 к а ч е с т в о к а р т о ф е л я, поставляемого для переработки спиртовым заводам, характеризуется следующими показателями:

Показатель Характеристика Внешний вид клубней Целые, сухие, без заболевании.

непроросшие, однородные или разно родные по окраске Форма и размер Форма любая;

размер по наибольшему по перечному диаметру не менее 30 мм 13- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Крахмалнстость базисная,% 13- Содержание увядших клубней Без ограничений Содержание позеленевших клубней с Без ограничений наростами Содержание мелких клубней (от 20 до 30 мм по наибольшему поперечному диаметру), % мас, не более Содержание клубней с механическими повреждениями глубиной более 5 мм или разрезанных и треснувших, с повреждениями длиной более 20 мм, % мас, не более Содержание раздавленных клубней Не допускается Содержание клубней, поврежденных Без ограничений сельскохозяйственными вредителями Содержание клубней, пораженных болезнями, % мас, не более -Зооспорозом нли паршой Без ограничений -Сухой гнилью -Фитофторой и ржавостью Мокрой, кольцевой, пуговичной гнилями Не допускается Содержание клубней запа- Не Не допускается допускается ренных, подмороженных, мо роженых, с признаками «удушья:»

Наличие земли, прилипшей 1, 1,5 к клубням, % мас, не более Наличие посторонней примеси (солома, Не допускается ботва и др.) 1.3.2 Этапы производства спирта.

Картофель содержит в себе крахмал, который является углеводом но, также как и для зерновых культур, не подвергается спиртному сбраживанию.

Чтобы крахмал "осахарить", используют ферменты, содержащиеся в солоде.

А) Приготовление солода.

Солод получают из зерна пшеницы, ржи или ячменя путём проращивания в лотках высотой 5-10 см. Зерно, желательно предварительно обработанное раствором Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

марганцовки (перманганат калия), засыпают в лотки слоем 2-3 см и орошают водой, но так, чтобы зёрна не плавали в воде. Лотки закрываются плёнкой или стеклом и ставятся в хорошо освещённое место. Зёрна необходимо периодически орошать по мере впитывания воды. Солод считается готовым примерно через неделю, т.е. когда ростки достигнут 2- см. Для получения солода следует брать зёрна с как можно большим процентом всхожести.

Б) Следующий этап технологии - растворение в воде крахмала, содержащегося в продукте.

Картофель нужно порезать (не обязательно мелко), добавить на 1 кг картофеля литр воды и варить 1,5-2 часа до состояния клейстера.

В) Следующий ответственный этап - расщепление крахмала. Для этого сваренный клейстер ставят остыть, и как только температура клейстера понизится до 60 градусов, в него добавляют и размешивают предварительно измельчённый солод. Для того, чтобы процесс расщепления прошёл полно, температуру 60 градусов необходимо выдерживать 40-45 минут. После этого смеси дают остыть до комнатной температуры (20-22 градуса), запускают дрожжи и ставят в тёплое место для брожения.

Г) Брожение.

Оптимальная температура брожения - 20-22 градуса, но не ниже 15. При оптимальной температуре брага будет готова через 3 дня, при более низкой - через 5-7 дней.

Полученную бражку перегоняют через перегонный аппарат, получая картофельный спирт сырец крепостью 40-60 % об.

Сырой спирт, получаемый на этом этапе содержит много примесей - сивушных масел, метилового спирта, сложных эфиров. Для удаления примесей сырой спирт подвергают очистке - ректификации.

Е) Ректификация.

Дальнейшая очистка и повышение крепости спирта осуществляется на ректификационной колонне.

Полученный в процессе ректификации спирт достигает крепости 94-96 % об.

Ж) Обезвоживание спирта.

Абсолютный спирт (100 % C2H5OH) можно получить, удаляя из ректификата воду металлическим натрием, оксидом кальция или азеотропной перегонкой с бензолом, а также очисткой на молекулярных ситах.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Заготовка картофеля Обмывка Измельчение Разбавление Вода Разварка Осахаривание Солод Приготовление солода Приготовление дрожжей Брожение Дрожжи Перегонка Спирт- сырец Ректификация Обезвоживание Рис. 1.3 Схема технологических операций по получению этилового спирта из картофеля.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

1.4. Технологии производства топливного этанола из растительных биомасс отходов сельскохозяйственного производства и лесопереработки.

Для производства топливного этанола из растительных биомасс- отходов сельскохозяйственного производства и лесопереработки используются технологии ферментативного сбраживания и кислотного гидролиза. В настоящее время большинство российских заводов применяют технологию гидролиза.


Сырьевой базой служат отходы лесопиления и деревообработки (опилки, горбыли, рейки, обрезки и т. п.), а также непищевые отходы сельского хозяйства (кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, хлопковая шелуха, солома и т. п.).

Все эти вещества, значительно отличающиеся одно от другого по внешнему виду и физическим свойствам, близки по химическому составу, а именно построены в основном из полисахаридов и лигнина.

Для гидролизной промышленности основное значение имеет содержание в сырье полисахаридов. Полисахариды - сложные углеводы - значительно отличаются по своим свойствам от широко известных сахаров - глюкозы, фруктозы, лактозы (молочный сахар).

В табл.1.7 приведены данные о химическом составе некоторых видов гидролизного сырья - древесины и сельскохозяйственных отходов.

Содержание легко- и трудногидролизуемых полисахаридов определяет построение режима гидролиза растительного сырья. Чем меньше легкогидролизуемых и больше трудногидролизуемых полисахаридов в сырье, тем большую часть варки сырья необходимо проводить при жестком режиме гидролиза и наоборот.

При гидролизе пентозанов образуются пентозные сахара, а при гидролизе гексозанов — гексозные сахара по следующим уравнениям:

(С5Н8О4)n + nН2О = nС5Н10О пентозаны пентозы (С6Н10О5)m + mН2О = mС6Н12О гексозаны гексозы В зависимости от соотношения пентозанов и гексозанов в сырье в гидролизатах будет содержаться больше пентозных или гексозных сахаров.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Таблица 1. Компоненты от абсолютно сухого сырья, % Легкогид- Трудногид ролизуемые ролизуемы Цел Вид сырья Пенто- Лигни полисахариды е люло Зола заны н полисахари за ды Ель 17,30 48,02 8,96 46,10 28,07 0, Сосна 24,03 40,97 10,50 36,87 27,30 0, Осина 20,29 44,04 18,56 41,77 21,81 0, Береза 31,2 34,37 19,70 32,06 21,21 0, Кочерыжка 37,94 33,39 34,76 31,46 15,18 1, Лузга 21,9 35,40 23,25 28,70 27,90 1, Одубина 20,79 37,35 19,75 36,70 27,51 0, Хлопковая 26,5 40,45 23,30 48,52 31,97 2, шелуха Гуза-пая 20,55 38,32 15,11 35,95 25,63 3, Тростник 21,05 38,90 22,46 36,55 20,80 3, Рисовая шелуха 18,10 29,05 16,09 27,90 18,96 18, Овсяная шелуха 34,72 28,62 33,60 28,90 17,17 7, Древесина хвойных пород дает при гидролизе больше гексозных сахаров, чем лиственная древесина, поэтому основным сырьем гидролизно-спиртовых заводов Сибири, Урала, европейского Севера является хвойная древесина. По РТУ 677— примесь лиственной древесины в сырье не должна превышать 5%.

Выход сахаров из сырья в процессе гидролиза зависит от:

- гидролизующей способности;

- концентрацией кислоты (0,3-1%);

температурой (180-190 0С);

- временем гидролиза и продолжительностью пребывания сахара в гидролизном аппарате.

При одинаковых условиях проведения гидролиза полисахаридов растительной ткани скорость процесса зависит от активности применяемой кислоты. Ниже в таблице 1.9 приведены данные об относительной активности некоторых кислот, причем активность соляной кислоты принята за 1.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Таблица 1. Активность некоторых кислот Кислота Активность Соляная 1, Серная 0, Азотная 0, Муравьиная 0, Уксусная 0, По экономическим соображениям на практике в качестве катализатора процесса гидролиза растительного сырья применяют серную кислоту, хотя она по своей активности в 2 раза слабее соляной. Это объясняется тем, что растворы соляной кислоты приводят к сильной коррозии аппаратуры и трубопроводов.

Ферментативные технологии переработки целлюлозосодержащих биомасс.

В ведущих промышленных странах мира широко ведутся исследования малоэнергоемких ферментативных технологий переработки целлюлозосодержащих биомасс / 5 / В РФ данные исследования выполняются химическим факультетом МГУ им.М.В. Ломоносова, институтом биохимии им.А.Н. Баха РАН, рядом отраслевых научно- исследовательских и промышленных организаций.

Цели исследований- получить глюкозу и другие сахара, а также биоэтанол ( бутанол) и другие продукты из возобновляемой растительной биомассы и лигноцеллюлозного сырья с помощью принципов, методов и подходов биокатализа (с помощью применения ферментов и микроорганизмов). Принципиальная схема процесса приведена на рис.

Рис. 1.4 Получение спиртов из целлюлозосодержащего сырья (раздельные гидролиз и сбраживание).

В качестве осахаривающих ферментов применяются:

- Penicillium verrusulosum – целлюлазы, – Trichoderma longibrachiatum – целлюлазы.

Расход ферментов существенно зависит от типа сырья и методов его предварительной подготовки. Так для зерен кукурузы выход этанола ~ 520 л /сух.тонну ;

расход ферментов Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

~ 0,2 г белка/ л. Для древесины Выход этанола ~ 320-340 л /сух.тонну;

расход ферментов ~ 10-20 г белка/ л.

2. СХЕМЫ И ОПИСАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА ИЗ БИОМАСС.

При разработке конструкции экспериментальных установок для производства топливного этанола из биомасс предусмотрена возможность обеспечения элементов технологических схем электрической и тепловой энергией ( в том числе сохранение частичной работоспособности при переменном объеме подводимой энергии), возможности дополнительного воздействия на процессы вводом дополнительной тепловой, механической (перемешивание), ультразвуковой, и электрической энергии.

2.1. Схемы экспериментальных установок для производства топливного этанола из сахарной свеклы, сахарного сорго, сахарного тростника Технология переработки сахаросодержащих культур описанная выше предполагает наличие в составе экспериментальной установки следующих систем:

- подготовительный ( измельчение), - ферментативный (брожение), - дистилляционный (первичная перегонка), - ректификационный (выделение этанольной фракции).

Схемы систем экспериментальной установки, соответствуюшая перечисленным стадиям процесса приведены на рис. 2. Загрузка сырья 1 Измельченное сырье Рис. 2.1 Установка для измельчения сахаросодержащих культур.

1- Приемник сырья, 2- Привод деструктора, 3- Режуще- транспортный модуль, 4- Сборник измельченного сырья.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Приемник сырья Емкость литр 2. Электропривод Тип тока переменный Вариант пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 2000 привода 3. Измельченное Размер мм сырье фракции 4. Сборник Объем литр Выход продуктов брожения Подача греющей среды Рис. 2.2 Установка для брожения сахаросодержащих культур.

1- Бродильный бак, 2- Привод мешалки, 3- Магнитострикционный излучатель ультразвука, 4- Встроенный теплообменник, 5- Гидрозатвор,6-.Система опорожнения и промывки бака.

Табл.2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Бродильный бак Емкость литр 50 Атмосферн.

давления.

2. Электропривод Тип тока переменный Вариант мешалки пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 100 привода 3. Магнитострикцио частота кГц нный излучатель ультразвука Мощность Вт 100- 4. Встроенный Мощность Вт теплообменник Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

5. Емкость Объем литр гидрозатвора 6. Греющая среда Температура Гр.С 25- Выход спирта сырца Подача 2 охлаждающей 8 среды Подача греющей среды Рис. 2.3 Установка для первичной перегонки спиртосодержащей бражки.

1- Перегонный куб, 2- Бражка, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 Теплообменник- конденсатор, 5- Сборник спирта сырца.6- Система опорожнения и промывки куба, 7- предохранительныйклапан,8-датчик уровня.

Табл.2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Подача охлаждающей 6 среды 4 Подача греющей среды Рис. 2.4 Принципиальная схема установки для ректификации спирта сырца.

1- Перегонный куб, 2- спирт сырец, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 ректификационная колонна, 5- Предохранительный клапан, 6- Дефлегматор, 7- Регулятор флегмового числа, 8- Сборник спирта ректификата, 9-Датчик уровня.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр 5. Ректификационная Производитель л/ч 10х 0,3 10 модулей колонна ность Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

2.2 Конструкции экспериментальных установок для производства топливного этанола из зерновых культур Технология переработки зерновых культур описанная выше предполагает наличие в составе экспериментальной установки следующих систем:

- подготовительный ( измельчение, разварка), - ферментативный (осаховарение), - ферментативный (брожение), - дистилляционный (первичная перегонка), - ректификационный (выделение этанольной фракции,.


- дегидратация.

Схемы систем экспериментальной установки, соответствующие перечисленным стадиям процесса приведены на рис.2. Загрузка сырья 1 Измельченное сырье Рис.2.5 Установка для измельчения зерновых культур.

1- Приемник сырья, 2- Привод деструктора, 3- Режуще- транспортный модуль, 4- Сборник измельченного сырья.

Табл.2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Приемник сырья Емкость литр 2. Электропривод Тип тока переменный Вариант пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 2000 привода 3. Измельченное Размер мм сырье фракции 4. Сборник Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Подача греющей среды Рис.2.6 Установка для ферментативного осахаривания зерновых культур.

1- Ферментатор, 2- Привод мешалки, 3- Магнитострикционный излучатель ультразвука, 4 Встроенный теплообменник.,5-Гидрозатвор.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Бродильный бак Емкость литр 50 Атмосферн.

давления.

2. Электропривод Тип тока переменный Вариант мешалки пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 100 привода 3. Магнитострикцио частота кГц нный излучатель ультразвука Мощность Вт 100- 4. Встроенный Мощность Вт теплообменник 5. Емкость Объем литр гидрозатвора 6. Греющая среда Температура Гр.С 25- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Выход продуктов брожения Подача греющей среды Рис.2.7 Установка для брожения зерновых культур.

1- Бродильный бак, 2- Привод мешалки, 3- Магнитострикционный излучатель ультразвука, 4- Встроенный теплообменник, 5- Гидрозатвор,6-.Система опорожнения и промывки бака.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Бродильный бак Емкость литр 50 Атмосферн.

давления.

2. Электропривод Тип тока переменный Вариант мешалки пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 100 привода 3. Магнитострикцио частота кГц нный излучатель ультразвука Мощность Вт 100- 4. Встроенный Мощность Вт теплообменник 5. Емкость Объем литр гидрозатвора 6. Греющая среда Температура Гр.С 25- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Выход спирта сырца Подача 2 охлаждающей 8 среды Подача греющей среды Рис. 2.8 Установка для первичной перегонки спиртосодержащей бражки.

1- Перегонный куб, 2- Бражка, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 Теплообменник- конденсатор, 5- Сборник спирта сырца.6- Система опорожнения и промывки куба, 7- предохранительныйклапан,8-датчик уровня.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Подача охлаждающей 6 среды 4 Подача греющей среды Рис. 2.9 Принципиальная схема установки для ректификации спирта сырца.

1- Перегонный куб, 2- спирт сырец, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 ректификационная колонна, 5- Предохранительный клапан, 6- Дефлегматор, 7- Регулятор флегмового числа, 8- Сборник спирта ректификата, 9-Датчик уровня.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр 5. Ректификационная Производитель л/ч 10х 0,3 10 модулей колонна ность Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

2.3. Конструкции экспериментальных установок для производства топливного этанола из растительных биомасс (отходов сельскохозяйственного производства) и картофеля.

Технология переработки отходов сельскохозяйственного производства и картофеля описанная выше предполагает наличие в составе экспериментальной установки следующих систем:

- подготовительный ( измельчение, разварка), - ферментативный (осаховарение), - ферментативный (брожение), - дистилляционный (первичная перегонка), - ректификационный (выделение этанольной фракции,.

- дегидратация.

Схемы систем экспериментальной установки, соответствующие перечисленным стадиям процесса приведены на рис.

Загрузка сырья 1 Измельченное сырье Рис. 2.10 Установка для измельчения картофеля.

1- Приемник сырья, 2- Привод деструктора, 3- Режуще- транспортный модуль, 4- Сборник измельченного сырья.

Табл.2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Приемник сырья Емкость литр 2. Электропривод Тип тока переменный Вариант пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 2000 привода 3. Измельченное Размер мм сырье фракции 4. Сборник Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Подача греющей среды Рис.2.11 Установка для ферментативного осахаривания картофеля.

1- Ферментатор, 2- Привод мешалки, 3- Магнитострикционный излучатель ультразвука, 4 Встроенный теплообменник.,5-Гидрозатвор.

Табл.2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Бродильный бак Емкость литр 50 Атмосферн.

давления.

2. Электропривод Тип тока переменный Вариант мешалки пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 100 привода 3. Магнитострикцио частота кГц нный излучатель ультразвука Мощность Вт 100- 4. Встроенный Мощность Вт теплообменник 5. Емкость Объем литр гидрозатвора 6. Греющая среда Температура Гр.С 25- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Выход продуктов брожения Подача греющей среды Рис. 2.12 Установка для брожения картофеля.

1- Бродильный бак, 2- Привод мешалки, 3- Магнитострикционный излучатель ультразвука, 4- Встроенный теплообменник, 5- Гидрозатвор,6-.Система опорожнения и промывки бака.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Бродильный бак Емкость литр 50 Атмосферн.

давления.

2. Электропривод Тип тока переменный Вариант мешалки пост.тока Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 100 привода 3. Магнитострикцио частота кГц нный излучатель ультразвука Мощность Вт 100- 4. Встроенный Мощность Вт теплообменник 5. Емкость Объем литр гидрозатвора 6. Греющая среда Температура Гр.С 25- Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Выход спирта сырца Подача 2 охлаждающей 8 среды Подача греющей среды Рис. 2.13 Установка для первичной перегонки спиртосодержащей бражки.

1- Перегонный куб, 2- Бражка, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 Теплообменник- конденсатор, 5- Сборник спирта сырца.6- Система опорожнения и промывки куба, 7- предохранительныйклапан,8-датчик уровня.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Подача охлаждающей 6 среды 4 Подача греющей среды Рис. 2.14 Принципиальная схема установки для ректификации спирта сырца.

1- Перегонный куб, 2- спирт сырец, 3- Встроенный теплообменник-парогенератор, 4 ректификационная колонна, 5- Предохранительный клапан, 6- Дефлегматор, 7- Регулятор флегмового числа, 8- Сборник спирта ректификата, 9-Датчик уровня.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Перегонный куб Емкость литр 30 Нерж.сталь 2. Теплообменник- Мощность Вт парогенератор 3. Теплообменник- Мощность Вт конденсатор 4. Мерная емкость Объем литр 5. Ректификационная Производитель л/ч 0, колонна ность Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

2.4. Схемы экспериментальных установок для производства топливного этанола из древесины.

Анализ существующих технологий переработки древесины в спирты (см. выше) показал, что из 2-х основных технологий- кислотный гидролиз и ферментативный гидролиз, существенно меньшей энергоемкостью отличается последний. Данная технология и была использована при разработке экспериментальной установки. В этом случае все основные стадии технология переработки древесины предполагает наличие в составе экспериментальной установки следующих систем:

- подготовительный ( измельчение, разварка), - ферментативный гидролиз (осаховарение), - ферментативный (брожение), - дистилляционный (первичная перегонка), - ректификационный (выделение этанольной фракции), - дегидратация.

Однако, хотя целлюлозосодержащее сырье допускает применение ферментативного гидролиза, такие его виды, как древесина, однолетние растения, солома и пр. обладают низкой реакционной способностью. Для повышения эффективности ферментативного осахаривания требуется проведение предварительной механической и термохимической обработки сырья- автогидролиз, паровой взрыв, экструзия;

либо применения биологических (делигнификация), химических (кислоты, щелочи и пр.), физических методов предварительной обработки сырья.

Разработанная экспериментальная установка включает в себя систему сухого помола и термической активации (разварки) целлюлозосодержащего сырья.

Загрузка сырья 1 Измельченное сырье Рис. 2.15 Установка для измельчения целлюлозосодержащего сырья.

1- Приемник сырья, 2- Привод деструктора, 3- Режуще- транспортный модуль, 4- Сборник измельченного сырья.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Характеристика Примечание 1 Приемник сырья Емкость литр 2. Электропривод Тип тока переменный Напряжение В 220 Частота Гц Мощность эл. Вт 4000 привода 3. Сырье Размер фракции мм 4. Сборник Объем литр Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Греющий пар Рис. 2.16 Установка для термической активации целлюлозосодержащего сырья.

1- Автоклав, 2- Сырье, 3- Узел распределения пара,. 4- предохранительный клапан, 5- Система удаления конденсата,.

Табл. 2. Технические характеристики установки № Узел Наименование Размерность Значение Примечание 1 Автоклав Емкость литр 20 Нерж.сталь Температура гр. С Давление МПа 0, Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

2.5 Схема экспериментальной установки для исследования влияния ультразвука на процесс ферментативного сбраживания Современные технологии получения спирта из любых видов биомасс имеют в своей структуре этап кислотного либо ферментативного сбраживания. Особенностью данного этапа является его значительная продолжительность, составляющая для ряда биомасс более 10 суток. Ускорение процесса требует дополнительных затрат энергии на предподготовку сырья и механическую либо гидродинамическую активацию процесса.

Известно, что период сбраживания может заметно снижается, если подвергать бражку ультразвуковому воздействию/ 6-8 /. Эффект наиболее заметен при интенсивностях ультразвука, не превышающих уровень кавитации. Этот эффект может вызываться либо снижением градиентов концентрации молекул спиртов, примыкающих к поверхности активных бактерий, либо механическим удалением молекул спиртов от последних (снижение эффекта экранировки).

Ранее на кафедре «Атомная энергетика» УГТУ-УПИ были выполнены исследования влияния ультразвука на процесс электролиза воды, показавшие значительное повышение эффективности процесса /9-11 /.

Для данного исследования была разработана специальная экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.. В емкости 1, залитой бражкой 2, расположен магнитострикционный преобразователь, создающий равномерное ультразвуковое излучение 3. В крышке емкости имеется герметичная проходка для установки спиртометра 4, а также штуцер для отвода газа на измеритель количества генерируемого газа 5. Магнитострикционный преобразователь 3 связан кабелем с генератором ультразвуковой частоты 6.Частота ультразвуковых колебаний составляла 44 Кгц.

+ _ Рис.2.17. Схема экспериментальной установки.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

Исследовалось влияние ультразвука на объем выходящих газов и концентрацию спирта в бражке.

В результате выполненных на данной установке предварительных исследований установлено, что количество генерируемого газа смеси при воздействии ультразвуковых колебаний возрастало на 65% по отношению к количеству газа, выделяемого при отсутствии колебаний;

время необходимое для повышения концентрации спирта в бражке до 6% снижалось более, чем в два раза и составляло менее 3-х суток (в контрольном образце 6-7 суток).

В результате выполненных экспериментов установлено положительное влияние ультразвуковых колебаний на ускорение процесса сбраживания. В таблице приведены данные по объемам (куб. дм) выделения газовой фракции в процессе сбраживания. На рис. приведены характерные зависимости объемов от температуры процесса.

Табл.2. Контрольная бражка Воздействие ультразвука Время 20 гр.С 30 гр.С 40 гр.С 20 гр.С 30 гр.С 40 гр.С 1 сутки 0 0 0 0 0 5. 2 сутки 0 0 0 0 2.8 8. 3 сутки 0 0 0 0 4.2 4 сутки 0 0 1.8 2.8 5.6 5 сутки 0 1.8 2.4 3.6 5 6 сутки 1.4 2.4 3 4.2 3.8 7 сутки 1.6 3 3.6 3 2 контр-20 гр.С контр-30 гр.С контр-40 гр.С УЗ-20гр.С УЗ-30 гр.С УЗ-40 гр.С Объем газовой фракции, куб.дм 1 сутки 2 сутки 3 сутки 4 сутки 5 сутки 6 сутки 7 сутки Рис.2.18 Зависимость газовыделения от времени сбраживания в контрольном образце и в образце под воздействием ультразвукового поля.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

2.6. Результаты пусконаладочных исследований на экспериментальных установках.

Для апробации процессов на экспериментальных установках были выполнены пуск наладочные работы с целью проверки правильности выбранных технических решений, заложенных в конструкцию установок. Ниже приводятся некоторые экспериментальные результаты, полученные в лабораторных условиях.

Процесс брожения.

В качестве рабочей среды исползовался раствор сахара в воде с добавлением дрожжей в пропорции 1: 5: 0.1. Начальная температура процесса 22 гр.С.

На рис. 2.19 приведены зависимости изменения температуры бражки во времени и концентрации спирта в бражке.

35 Концентрация спирта,% Температура,гр.С Температура брожения,гр.С 10 Концентрация спирта,% 0 начало 1 сутки 2 сутки 3 сутки 4 сутки 5 сутки 6 сутки 7 сутки 8 сутки 9 сутки 10 сутки Рис. 2.19 Изменение температуры бражки и концентрации спирта в бражке во времени.

Наблюдаемый экстремальный характер изменения температуры объясняется экзотермичностью процесса, достигнутые концентрации спирта соответствуют литературным источникам.

Процесс получения спирта сырца.

В качестве рабочей среды использовалась полученная спиртосодержащая бражка. в Начальная температура процесса 20 гр.С.

На рис. 2.20 приведены зависимости изменения температуры процесса во времени и выход спирта сырца.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

120 0. 100 0. 80 0. Температура процесса, гр.С Выход, л 60 0. 40 0. Температура процесса Выход 20 0. 0 начало 1 час 2 часа 3 часа 4 часа 5 часов 6 часов 7 часов 8 часов 9 часов 10 часов.

Рис.2.20 Изменение температуры процесса и выход спирта сырца во времени.

Достигнутые концентрации спирта соответствуют литературным источникам.

Процесс ректификации спирта.

В качестве рабочей среды использовался полученный спирт сырец. Начальная температура процесса 20 гр.С.

На рис. 2.21 приведены зависимости изменения температуры процесса во времени и выход спирта.

90 0. 0. 60 0. Температура процесса,гр.С Выход,л 0. 30 0. Температура Выход 0. 0 начало 1 час 2 часа 3 часа 4 часа 5 часа 6 часа 7 часа 8 часов 9 часов 10 часов 11 часов Рис. 2.21 Изменение температуры процесса и выход спирта во времени.

Достигнутые концентрации спирта соответствуют литературным источникам.

Созданные экспериментальные установки соответствуют основным проектным характеристикам и могут быть использованы при проведении дальнейших исследований.

Государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11. ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина »

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСУРСОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ СРЕДНЕЙ ПОЛОСЫ РФ.

Потенциал возобновляемых источников энергии применительно к проблеме получения топливного этанола определяется наличием на соответствующей территории ресурсов биомассы, пригодной для производства спирта с одной стороны и приходом энергии от возобновляемых источников для обеспечения работы технологических установок с другой стороны. Ниже приводятся исследования основных видов ресурсов и потенциало, для условий средней полосы РФ.

3.1 Ресурсы биомассы, пригодной для производства топливного этанола.

К таким видам ресурсов относятся большинство биомасс природного и культурного происхождения.

Основные виды биомасс природного происхождения пригодные для производства топливного этанола:

- травы, - кустарники, - леса (хвойные и лиственные) Основные виды биомасс культурного (сельскохозяйственного) происхождения пригодные для производства топливного этанола:

- зерновые культуры, - сахарная свекла, - сахарный тростник, - картофель, - растительные отходы сельскохозяйственного производства.

Некоторое представление о энергетической ценности различных культур дает рис.3. 250 пшеница 200 сахарная свекла Выход энергии, ГДж/га 150 сахарный тростник гидролиз древесины термохимическая газификация древесины Н2 из древесины путем газификации.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.