Технологические аспекты производства биогаза

Общая технологическая схема производства био-этанола сводится к следующему: сначала осуществляется предварительная обработка сырья, далее проводится процедура превращения крахмала в сахар («осахаривание») с использованием фермента, после чего следуют дрожжевое спиртовое брожение (ферментация), дистил­ляция, дегидратация (до 99,5% чистого этилового спирта – «абсолютированный технический спирт 99,5%», или «fuel grade ethanol» [FGE]), и денатурация (необяза­тельная).

Последовательные этапы получения биоэтанола выглядят следующим образом: сырье => предварительная обработка => «осахаривание» => ферментация =>дистилляция => дегидратация => абсолютный этиловый спирт 99,5%

Зерно (пшеница, кукуруза) как один из главных источников биоэтанола (исключая сахарный тростник, сахарную свеклу) можно превращать в этиловый спирт с помощью технологий сухого или влажного помола.

При осуществлении процесса влажного помола зерно погружается в теплую воду, что помогает разру­шать белки, высвобождать крахмал, а также размягчать зерно для помола. Зерно затем перемалывают, чтобы получить зародыши, волокна и крахмал.

Зародыши используют для других целей, а крахмальная фракция подвергается центрифугированию и превращается в сахар. Далее этанол получают посредством процесса брожения (ферментации) и перегонки (дистилляции). обычно технологию влажного помола используют на заводах с производственной мощностью несколько сотен миллионов галлонов биоэтанола в год.

Процесс сухого помола включает в себя очистку и раздробление зерна на мелкие частицы с помощью ударно-жерновых устройств. При этом получается мука грубого помола, содержащая зародыши, крахмал и волокна. Для производства сахара смесь гидролизуют с помощью ферментов или разбавленной кислоты. смесь затем нагревают и добавляют дрожжи для проведения спиртового брожения. Эта технология, как правило, используется на заводах, производящих ежегодно менее 50 млн. гал биоэтанола. Выход готового продукта – из 1 т пшеницы 0,624 т спирта, а из 1 т кукурузы – 410 л. Процесс ферментации (сбраживания) сахара К раствору сахара добавляют дрожжи и повышают температуру до 25–30 °с. Фермент дрожжей инвертаза превращает сахарозу в глюкозу и фруктозу

Весь процесс брожения происходит примерно за 3 суток.

Перегонка (дистилляция)

Биоэтанол, полученный в процессе брожения, содержит значительное количество воды. Это – «брага» с содержанием 10% алкоголя. избыток воды удаляется фракционной перегонкой: точка кипения этилового спир­та 78,3 °C и поэтому он возгоняется раньше воды, после чего конденсируется.

На выходе из брагоректификационного аппарата получается спирт крепостью не более 96,0–96,2%. В связи с тем, что этанол образует с водой азеотроп, по­лучить в чистом виде этиловый спирт невозможно. По техническим требованиям для приготовления смесей с повышенным (более 10%) содержанием биоэтанола в моторном топливе нужно использовать абсолютный, то есть полностью обезвоженный спирт.

Существуют несколько методов промышленной полной дегидратации (абсолютирования) этанола: азеотропная ректификация с разделяющимися аген­тами, вакуумная ректификация, мембранная очистка. обезвоживание окисью кальция в широких масштабах промышленности не применяется.

Наиболее часто используется метод азеотропной дистилляции с бензолом или циклогексаном. При этом достигается крепость биоэтанола не менее 99,2. При абсолютировании утрачивается примерно 1% от исходного количества спирта-сырца. В производстве биоэтанола используется метод укороченной дистилляции в двух ректификационных колоннах вместо пяти. Поэтому вконечном обезвоженном продукте содержится метанол и сивушные масла, то есть после процедуры абсолюти-рования биоэтанол становится непитьевым, техническим продуктом.

В случае непроведения абсолютизации обязательно осуществляется добавление к биоэтанолу денатурирую­щих веществ (бензина или других ингредиентов). Можно по показаниям денатурировать и абсолютный спирт.

Общая схема получения биоэтанола представлена на рисунке 1. На ней, кроме основной технологической цепочки выработки биоэтанола, изображены дополни­тельные линии получения побочных продуктов (глютена, барды).

Имеется технологическая цепь, предназначенная для производства биоэтанола из биомассы (отходы сельскохозяйственного производства, солома, стебли трав и т.д.). Такая биомасса содержит сложную смесь углеводных полимеров из клеточных стенок растений – целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина. Для экстракции сахаров из биомассы применяются 3 подхода: гидролизконцентрированной кислотой, гидролиз разбавленной кислотой и ферментный гидролиз.

При гидролизе концентрированной кислотой используют 70–77% H₂SO₄, которую добавляют к биомассе, высушенной до 10% влажности. соотношение – 1,25 : 1 (кислота – биомасса). Нагрев при температуре 50 °C. Затем добавляют воду для снижения крепости кислоты до 20–30% и нагревают смесь до 100 °C в те­чение 1 ч. образовавшийся гель прессуют для высвобож­дения сахаров, а затем разделяют на хроматографической колонке кислоту и сахара.

Гидролиз разбавленной кислотой представляет собой наиболее старый, простой и эффективный метод получения биоэтанола из биомассы. На первом этапе применяется 0,7% раствор серной кислоты при 190 °C для гидролиза гемицеллюлозы в биомассе. На втором этапе идет обработка наиболее устойчивой целлюлозной фракции, что достигается использованием 0,4% раствора H₂SO₄при 215 °C. Жидкий гидролизат нейтрализуется и поступает в дальнейший процесс.

При ферментативном гидролизе применяют прямое воздействие ферментов на биомассу. однако этот процесс очень дорогой и пока находится в стадии разработки.

Есть мнение, что целлюлозный этанол будет следующим этапом зеленой биотехнологии. США пла­нируют к 2030 г. выйти на рубеж 60 млрд. гал спирта, полученного таким способом.

В натуральном виде современный завод по выпуску биоэтанола представлен на рисунке 2.