Производство спирта в качестве топлива

 

Производство этанола в качестве топлива привлекло широкое внимание в последние десятилетия; впрочем, в Европе в годы, предшествовавшие второй мировой войне, в сравнительно широких масштабах этанол получали из сельскохозяйственных культур. Последовавшее после 1945 г. снижение цен на нефть, а также разработка новых нефтехимических процессов послужили причиной того, что нефтехимическая промышленность стала основным поставщиком многих веществ, производившихся ранее путем брожения, в том числе этанола и практически всех простых кислородсодержащих органических соединений (ацетона, бутанола, уксусной кислоты и т. п.). Резкое повышение цен на нефть в последнее десятилетие заставило пересмотреть отношение к биотехнологическим способам получения этих веществ. Потенциальная ценность этанола в качестве моторного топлива обусловлена четырьмя обстоятельствами. Во-первых, этанол представляет собой легко транспортируемую жидкость. Во-вторых, его теплотворная способность довольно высока и составляет около двух третей от теплотворной способности бензина. В-третьих, к этанолу можно добавлять до 10% бензина без изменения регулировки двигателя и теплотворной способности. В-четвертых, этанол повышает октановое число бензина, не содержащего тетраэтилсвинец. Следует учитывать и тот факт, что во многих странах этанол в качестве топлива может частично заменить импортируемые нефть и нефтяные продукты.

Сырьем для биохимических методов производства этанола служат сахара (сок сахарного тростника, маниок, мелассы), крахмал (зерновые культуры), древесина и отходы сельскохозяйственных производств (солома зерновых культур), а также промышленные и бытовые отходы, в том числе отходы лесной промышленности (газетная бумага, сульфитно-спиртовая барда, молочная сыворотка, отходы предприятий по переработке фруктов и овощей и т. д.). При выборе конкретного сырья для производства этанола следует искать компромиссное решение между легче ферментируемым более чистым (но более дорогим) субстратом и более дешевым, но и значительно более гетерогенным исходным веществом. В последнем случае значительно возрастают расходы на предварительную обработку субстрата. Так, согласно одной из оценок экономических проблем производства спирта из кукурузной соломы, стоимость оборудования для предварительной обработки субстрата (см. операции предварительной обработки на рис. 12.7) составляет более 50% всех капитальных затрат предприятия. Для крупномасштабного завода по производству этанола из целлюлозы капитальные затраты распределяются примерно следующим образом: подготовка сырья 5%, гидролиз 19%, регенерация кислоты 29,4%, брожение и очистка 19,2%, водо-, паро- и энергоснабжение, а также внезаводские системы 27,4%.

 

РИС. 12.6. Основные операции современного винодельческого процесса. [Воспроизведено из статьи: Hull W. Q., Kite W. E., Auerbach R. C., Modern Winemaking; Ind. Eng. Chem., 43, 2182 (1951). © American Chemical Society.]

РИС. 12.7. Схема процесса предварительной обработки кукурузной соломы на предприятии по производству этанола в качестве топлива. [Воспроизведено из статьи: Clausey Е. С., Gaddy J. L., Production of Ethanol from Biomass; Ann. N.Y. Acad. Sci., 413, 435 (1983).]

Обычная промышленная операция представляет собой периодический процесс брожения продолжительностью около 50 ч при начальном рН 4,5 и температуре 20—30 °C; выход этанола составляет около 90% от теоретического, рассчитанного по содержанию Сахаров. Конечная концентрация этанола в культуральной жидкости составляет 10—16% (по объему); далее этанол выделяют из культуральной жидкости описанными в предыдущей главе способами.

Ниже приведены основные характеристики традиционного периодического процесса брожения.

 

1. Стоимость сырья составляет основную долю общей себестоимости спирта.

2. Невысокая скорость реакции, обусловливающая необходимость использования ферментеров больших объемов, стоимость которых составляет около 10 центов в расчете на 1 галлон (4,8 л) полученного спирта (по данным 1981 г.).

3. Необходимость выделения ценных побочных продуктов производства; так, доход от продажи дрожжей (используемых в качестве добавки к кормам для домашних животных) может снизить себестоимость спирта на 22 цента за 1 галлон.

4. Дистилляция представляет собой энергоемкий, но достаточно эффективный процесс; типичный «старый» завод в Пеории (шт. Иллинойс, США) расходует на дистилляцию менее 30% теплотворной способности получаемого этанола.

 

Возрождение интереса к этанолу как к топливу послужило причиной разработки многих новых процессов и новых штаммов микроорганизмов, что в конечном итоге значительно улучшило и экономические показатели процесса. В настоящее время в нескольких штатах США в качестве моторного топлива применяют спиртосодержащие смеси.

В последнее десятилетие введены следующие важные усовершенствования:

 

1. Операции при пониженном давлении, что позволяет отгонять спирт в ходе брожения. Таким путем достигается снижение степени ингибирования процесса спиртом, повышение продолжительности ферментации и повышение степени утилизации сахара.

2. Непрерывные процессы с использованием рециркуляции биомассы и пониженного давления, что позволяет повысить производительность установки в 12 раз (по сравнению с периодическим процессом). При давлении 50 мм рт. ст. и концентрации глюкозы 33% (масса/объем) достигнута производительность 40 г/(л-ч).

3. Процессы с участием бактерий (Zymomonas mobilis), которые по сравнению с дрожжами обеспечивают более высокие удельные скорости утилизации глюкозы и образования спирта.

4. Применение иммобилизованных клеток, позволяющих значительно повысить объемную производительность процесса (в расчете на этанол) по сравнению с обычной культурой в суспензии.

5. Применение высоких башенных ферментеров с высокой степенью флокуляции дрожжей; в этих ферментерах в стационарном состоянии в нижней части башни обеспечивается плотность биомассы до 50—80 г/л. Благодаря расширению в верхней части башни в ней удерживается (путем седиментации, без каких-бы то ни было специальных механических устройств) практически вся биомасса. После стартового периода продолжительностью несколько недель такие ферментеры устойчиво работают в течение года.

6. Модифицированные операции выделения этанола, позволяющие снизить высокие затраты на этой стадии. К ним относятся повышение давления паров, рекуперация теплоты, выделяющейся при обработке сточных вод (на заводах по производству спирта из зерна), обезвоживание водно-этанольных смесей с помощью различных синтетических или природных сорбентов.

 

Многие из перечисленных усовершенствований уже проверены, а другие пока еще нуждаются в дополнительном изучении. Только после этого можно будет оценить экономическую целесообразность их использования в промышленных процессах. В табл. 12.20 приведены сравнительные характеристики перспективных процессов брожения.

Ввиду того, что в будущем предприятия по производству спирта будут существенно отличаться от работающих в настоящее время заводов, полезно сравнить экономические характеристики четырех наиболее хорошо изученных процессов. Как показывают приведенные в табл. 12.21 данные, для предприятий, производящих 295 м³ 95%-ного этанола в сутки из 50%-ного раствора тростниково-сахарной мелассы, доля эксплуатационных расходов уменьшается в ряду: периодический процесс > непрерывный процесс > непрерывный процесс с рециркуляцией культуры > вакуумный процесс с рециркуляцией культуры. Отсюда следует, что повышение объемной производительности установки намного перекрывает дополнительные расходы, связанные с использованием более сложного оборудования. Для всех трех непрерывных процессов наблюдается сокращение расходов на оплату труда производственных рабочих, а в случае непрерывного вакуумного процесса с рециркуляцией культуры неожиданно большая экономия достигнута за счет сокращения расхода пара.

Политика правительственных органов (как в США, так и в других странах) по отношению к производству этанола в качестве добавки к моторному топливу зависит от целого ряда непредсказуемых факторов, в том числе от объема добычи нефти (и производства бензина) и цен на эти товары, целесообразности (или нецелесообразности) использования основного пищевого продукта — зерна в качестве сырья для производства топлива, от наличия (или отсутствия) твердых гарантированных правительством цен и (или) субсидий. После окончания второй мировой войны никакая другая продукция биохимической технологии не рассматривалась в столь тесной связи с вопросами национальных ресурсов и национальной безопасности многих стран.

Микробиологические способы производства ацетона и бутанола изучались в свете возможного применения бутанола в качестве добавки к дизельному топливу (дизооль). Расчеты, выполненные для предприятия производительностью 45 млн. кг растворителей в год, показали, что процесс, в котором исходным сырьем является меласса, неэкономичен, поскольку стоимость этого сырья составляет около 60 7о от всех издержек производства в течение года. Гораздо более благоприятная с экономической точки зрения ситуация складывается при использовании в качестве сырья жидкой молочной сыворотки (табл. 12.22), если считать, что она является бесплатным отходом соответствующих производств, и учитывать только транспортные расходы на ее доставку. В последнем случае проект предприятия, первоначально предназначенного для переработки мелассы, пришлось модернизировать, включив операции ультрафильтрации (для выделения ценного побочного продукта — сывороточного белка) и анаэробной переработки отходов (источник метана; см. гл. 14).

В этих условиях расчетная величина чистой прибыли на инвестированный капитал (с учетом различных продуктов) составила 30,8%- Расчетная валовая прибыль предприятия составила 15 млн. долл. в год; на такую сумму предприятие должно производить только некоторые побочные продукты (сухие корма, водород, углекислый газ, этанол). Важными характеристиками процесса являются низкий выход бутанола (1,97о по данным на 1980 г.), строго анаэробный режим, тенденция к заражению фагами и молочнокислыми бактериями.