биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого

Формула изобретения

Способ получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого, включающий предварительную обработку сырья, заключающуюся в сборе, измельчении зеленой массы и получении сока, добавление дрожжей или специальных спиртовых бактерий к полученному соку, процесс брожения в течение 3-5 дней, дистилляцию с получением спирта-сырца, ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта - биоэтанола, отличающийся тем, что в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик как дикорастущий, так и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биоэнергетики, спиртовой промышленности и может быть использовано в качестве жидкого биотоплива для транспорта и печного (моторного) биотоплива.

Известны способы производства биоэтанола из таких специально культивируемых сахароносных культур как сахарный тростник, сахарная свекла, сахарное сорго и топинамбур (табл.1).

Таблица 1.
Культура	Урожайность, т/га	Содержание веществ, %	Выход, л/т	Выход, л/га
Сахарный тростник (зеленая масса)	65	Сахара 15%	70	4550
Сахарная свекла (корнеплод)	46	Сахара 24%	ПО	5060
Сахарное сорго (зеленая масса)	50	Сахара 18%	85	4250
Топинамбур (зеленая масса)	60	Сахара 14%	67	4020
Топинамбур (клубни)3	40	Сахара 22%	101	4040
1 - Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 2 // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А.Овчинникова. - 2007. - Т.3. - № 2. - С.50-52.
2 - Малиновский Б.Н., Миронов Д.П. Сортовые энергетические плантации (СЭП) для получения биотоплива. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й международной научно-технической конференции. Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - С.307-308. 3 - Мухачев С.Г., Кузнецов Б.В., Шавалиев М.Ф., Валеева Р.Т., Емельянов В.М. Производство топливного этанола, комплексная переработка растительного сырья. // Вестник Казанского технологического университета. 2006. - С.43-45.

Недостатками известных источников растительного сырья, как и всех специально выращиваемых культур для производства биотоплива, являются высокая себестоимость биотоплива по причине больших ежегодных затрат в процессе выращивания (предпосевная обработка почвы, посев, окучивание, подкормка минеральными удобрениями, полив, сбор и т.д.), небольшой выход биоэтанола. Сахарный тростник культивируется только в странах с тропическим и субтропическим климатом, сахарная свекла и топинамбур выращиваются на продовольственные цели (сахаросодержащие продукты).

Задачей предлагаемого изобретения является реализация способа получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого. Борщевик содержит 17-31% сахаров от фазы бутонизации до фазы цветения [Гигантские борщевики - опасные инвазивные виды для природных комплексов и населения Беларуси / Н.А.Ламан, В.Н.Прохоров, О.М.Масловский. Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф.Купревича НАН Беларусии.: Минск, 2009. - С.21], урожайность зеленной массы варьирует от 50 т/га у дикорастущего и до 250 т/га у культивируемого [Кулешов Н.И. Разработка приемов возделывания борщевика Сосновского в условиях центральных районов Нечерноземной зоны. Автореферат диссертации. М., 1990 г.].

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность получить биоэтанол от 79 л/т (дикорастущий борщевик) до 145 л/т (культивируемый) и от 3950 до 36250 л/га в зависимости от урожайности и процентного содержание сахарозы. Также появляется возможность заменить используемые способы производства биоэтанола из культур продовольственного назначения, получить дешевое биотопливо, так как данное растение практически не требует затрат на возделывание и после посадки не нуждается в уходе. Способ получения биоэтанола из дикорастущего борщевика позволит решить такую проблему как ограничение распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого проводят предварительную обработку сырья, заключающуюся в сборе, измельчении зеленой массы и получении сока, добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку, осуществляют процесс брожения в течение 3-5 дней, дистилляцию с получением спирта-сырца, ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта - биоэтанола, в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик как дикорастущий, так и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.

Способ получение биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого осуществляют по общеизвестной технологической схеме. Сначала проводится предварительная обработка сырья, которая включает в себя сбор, измельчение и получение сока из зеленой массы борщевика. Затем в сок добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии, которые превращают сахарозу сначала в глюкозу и фруктозу, а далее в этанол и углекислый газ. Процесс сбраживания длится 3-5 дней. Для выделения этанола раствор подвергают процессу дистилляции, в результате получается спирт-сырец. Далее проводят ректификацию и получают биоэтанол [Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 2 // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А.Овчинникова. - 2007. - Т.3. - № 2. - С.55].

Пример

1) Пресс (выжимка)

Зеленая масса растений рода Heracleum подвергается прессованию для извлечения сока с целью получения биотоплива.

Жидкая фракция идет в дальнейшем для переработки в биоэтанол, а твердая фракция для производства твердого биотоплива - пиллет.

Благодаря дву- или трехкратному отжиму и применению систематической обработки стеблей водой между операциями на прессах удается извлечь 90-93% всего содержащегося в стеблях сахара при малом разжижении сока. Отжатый сок проходит через фильтр, где отделяются примеси, мелкие кусочки стеблей и т.п.

Часть отжатого сока отбирается и подается в дрожжегенератор, остальное смешивается с закваской в бродильном аппарате.

2) Пиллеты (гранулы)

Оставшаяся выжатая зеленая масса растений рода Heracleum (жом) идет на производство пиллет (гранул). Технология заключается в следующих операциях:

1) сушка (на входе температура составляет 250-280°С, на выходе 75-100°С). Сырье высушивается до влажности 8-15%;

2) гранулирование на пресс-грануляторе;

3) охлаждение гранул;

4) упаковка.

- Бродильный аппарат. Для брожения в жидкий субстрат добавляют спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые благодаря своим ферментам (инвертазы и зимазы) перерабатывают сахарозу в этанол.

После завершения процесса брожения проверяют качество продукта. В хорошо сбродившем продукте содержание спирта должно составлять не менее 10%, но и не более 13%, так как дрожжи при данной концентрации этанола начинают гибнуть. Концентрация остаточных сахаров (недоброд) - не более 0,45%, кислотность - не более 0,2%.

На выход спирта, скорость его образования и физиологическое состояние дрожжей большое влияние оказывает концентрация дрожжей в продукте брожения. Она должна соответствовать количеству питательных веществ в среде, которые обеспечили бы и прирост молодых клеток и стойкость зрелых. Оптимальной концентрацией является 15-20 г в 1 л сброживаемого продукта. Это количество дрожжей быстро сбраживает сахар, обычно в течение 6-7 ч, и выход спирта достигает 57-59 л из 100 кг сбраживаемых сахаров. Указанная концентрация обеспечивает и необходимый прирост дрожжей, так как при низкой концентрации дрожжи активно размножаются, часть сахара используется на этот процесс, следовательно, выход спирта понижается, а при высокой концентрации дрожжи медленно размножаются, постепенно отмирают, и брожение замедляется. На скорость брожения влияют также природа и концентрация сахара.

3) Биореактор или дрожжегенератор

Спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae размножаются в ферментерах (биореакторах), которые представляют собой герметические цилиндрические емкости, где автоматически поддерживаются необходимые условия для роста и размножения дрожжей. Главное требование к аппаратам - сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными. Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны иметь высокую бродильную энергию (быстро и полно сбраживать сахара) и анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле.

4) Брагоректификационная колонна

Механизм перегонки основан на том, что спирт и вода имеют разную температуру кипения. Если вода при нормальных условиях закипает при температуре в 100 градусов, то этиловому спирту нужно для этого 78°С.

Следует помнить, что, помимо воды и спирта, брага содержит массу примесей. Легкие начинают закипать при температуре в 68°С, а тяжелые при 85°С. Именно поэтому при перегонке сбраживаемого продукта важно добиваться такой температуры, при которой спирт уже кипит, а сивушные масла еще нет.

На выходе из заводской брагоректификационной колонны получается спирт крепостью не более 96-96,2%. При использовании непромышленной ректификационной колоны необходимо провести перегонку несколько раз, так как этот раствор содержит большое количество примесей, ухудшающих его вкус и качество, поэтому он нуждается в дополнительной очистке. По техническим требованиям для смесей с повышенным (более 10%) содержанием биоэтанола в моторном топливе нужно использовать абсолютный спирт, то есть полностью обезвоженный.

В барду переходят все составные части исходного сырья, за исключением сахаров и дрожжей. Часть азотистых веществ сырья расходуется на питание дрожжей, но при этом синтезируются более полноценные белки, многие витамины и биологически активные вещества. Поэтому натуральная барда представляет собой прекрасный корм для животных. На ряде заводов барду сушат, направляя затем на заводы, производящие комбинированные корма. На фильтрате (жидкой части) барды выращивают специальные расы кормовых дрожжей - актиномицеты, продуцирующие антибиотик биомицин и одновременно витамин В12, используемые в животноводстве.

Спиртовые дрожжи, выделенные из бражки перед ее перегонкой, используют в хлебопечении, но вместо них на барде выращивают кормовые дрожжи или метановые бактерии, синтезирующие витамин В12.

Таким образом, современная спиртовая промышленность, извлекая из растительного сырья и мелассы наименее ценную часть - углеводы, возвращает сельскому хозяйству концентрированные витаминизированные белковые корма и дает богатейшее сырье для химической переработки.

5) Бензин

Бензин - продукт переработки нефти, представляющий собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив.

В технологической схеме бензин необходим как составляющий компонент для получения биотоплива.

6) Смеситель, дозатор

Смеситель - дозатор необходим для смешивания бензина и биоэтанола, в результате чего на выходе получаем автомобильное биотопливо. Режим дозирования бензина устанавливается в зависимости от желаемой марки топливной смеси.

7) Биотопливо

Топливные смеси этанола

Е5, Е7, Е10 - смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространенные в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путем его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.

Е85 - смесь 85% этанола и 15% бензина. Стандартное топливо для т.н. «Flex-Fuel» машин, распространенных в основном в Бразилии и США и в меньшей степени в других странах, из-за более низкой энергоплотности продается дешевле, чем бензин.

Е95 - смесь 95% этанола и 5% топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95% этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95% этаноле - BEST (BioEthanol for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania.

E100 - формально 100% этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96% С₂Н₅ОН и 4% воды (по весу); 96,5% и 3,5% в объемных процентах). Путем обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.