Мировое потребление энергии в мире неуклонно растет в связи с увеличением населения Земли и ростом наших энергетических потребностей, что, в свою очередь, неизбежно приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу. Единственной возможностью снизить эмиссию CO2 , при этом, не ухудшая качество жизни населения, является использование возобновляемых источников энергии. Осознавая всю важность этого вопроса для нашей страны, в 2008 году правительство Российской Федерации поставило задачу разработать технологию получения биотоплива из возобновляемых источников непищевого сырья (биомассы).
Почему биобутанол?
Ухудшение экологической обстановки в мире неизбежно диктует свои правила игры и устанавливает все новые более жесткие требования к используемым материалам, в том числе и моторному топливу. Вот почему производство жидкого биотоплива стало одним из приоритетных стратегических направлений развития экономики многих европейских стран, США, Бразилии и других государств. По данным исследований, выполненных компанией BP, потребление полученной из биомассы энергии в мире увеличится более чем вдвое к 2035 году (см. рисунок). При этом одним из самых привлекательных и перспективных продуктов на развивающемся рынке является биобутанол.
- Биобутанол по своим физическим свойствам близок к бензину, ввиду чего его использование не требует переделки двигателя автомобиля.
- Биобутанол может использоваться либо в смеси с бензином, либо в будущем полностью заменить его.
- Биобутанол по сравнению с другими альтернативными видами биотоплива (в частности этанолом) обладает большей энергоемкостью, а, следовательно, более экономичен в использовании.
- Биобутанол обладает меньшей коррозионной активностью по сравнению с этанолом, и его смесь с бензином меньше подвержена расслоению в присутствии воды, ввиду чего, бутанол может транспортироваться по уже существующим трубопроводам.
Многие зарубежные компании уже вложили немалые денежные средства в разработку технологии получения биобутанола. Однако цель все еще не достигнута. Одна из причин заключается в том, что предполагаемым сырьем для получения биобутанола являются пищевые источники (зерно, кукуруза), что неизбежно влечет за собой рост цен на продукты питания. А использование непищевых источников сырья таких как стебли кукурузы, солома злаковых, багаса, различные породы деревьев, приводит к значительному усложнению технологии, делая производство нерентабельным.
Производство биобутанола в России
Транспортный биобутанол, изготовленный из непищевого сырья, мог бы стать экологически чистым инновационным товаром России, конкурентоспособным на мировом рынке, экспорт которого мог бы способствовать поступлению значительных средств в государственный бюджет страны. Это стало причиной того, что правительство Российской Федерации в лице госкорпорации «Ростех» акцентировало свое внимание на производстве биобутанола второго поколения, сырьем для которого выступают возобновляемые непищевые источники – опилки, торф и солома. Для реализации намеченных планов необходимо было, прежде всего, разработать технологию получения биобутанола, что решено было доверить ведущему научно-исследовательскому институту – ОАО «ГосНИИсинтезбелок».
Благодаря высокому качеству поставляемого оборудования и надежной репутации на отечественном рынке группа компаний «БИОТЕХНО» совместно с учеными приняла активное участие в решении ряда вопросов, связанных с разработкой технологии получения биобутанола из целлюлозосодержащего сырья. Технология производства является уникальной, поэтому во время реализации проекта группе разработчиков пришлось столкнуться с рядом непредвиденных обстоятельств.
Перед командой специалистов стояла непростая задача – в кратчайшие сроки нужно было провести комплексное оснащение научно-экспериментального комплекса НИИ современным оборудованием, необходимым для исследований, а также выполнить его монтаж и пуско-наладочные работы. Из ряда предлагаемого на рынке лабораторного оборудования необходимо было выбрать то, которое бы удовлетворяло следующим критериям:
- высокая эффективность работы;
- минимальные затраты при обслуживании;
- простота в управлении;
- минимум занимаемого пространства.
Поставленное оборудование:
Для осуществления параллельного культивирования с целью отработки оптимальных технологических параметров нами предложено было использовать линию лабораторных автоклавируемых ферментеров . Особенностью наших ферментеров является то, что управление процессом ферментации осуществляется с клавиатуры персонального компьютера. Это без лишних усилий позволяет контролировать и поддерживать основные параметры ферментации.
Отработка технологических приемов получения биобутанола проводилась на линии пилотных стерилизуемых на месте ферментеров (10-50-200 литров), объединенных под одним контроллером. Установленная автоматическая программа управления постоянно сравнивала и корректировала параметры культивирования на каждом этапе и указывала операторам оптимальное время для сбора биомассы.
На следующем шаге необходимо было произвести отделение воды от целевого продукта. Идеальным решением данного вопроса являлось использование лабораторной проточной центрифуги CEPA . Ее преимуществом перед прочими аналогами является довольно быстрое центрифугирование при небольшой занимаемой площади, что в условиях лаборатории является определяющим фактором.
Дополнительно для нужд лаборатории нами была произведена поставка нескольких сушилок:
- Сублимационная сушилка ilShin . Предложенная нами сублимационная сушилка позволяет обеспечить превосходное качество продукта при минимальной продолжительности процесса, что способствует минимизации затрат.
- Распылительная сушилка Anhydro. Распылительная сушилка позволяет при достаточно высокой производительности (5-7 литров в час) осуществлять полный автоматический контроль качества. Данная сушилка характеризуется низкими энергозатратами, долгим сроком эксплуатации и простотой в обслуживании.
Решенные задачи:
Одной из наиболее важных задач, успешно решенных командой специалистов, являлся подбор оптимального режима ведения непрерывного процесса ацетонобутилового брожения, который бы отличался высокой удельной производительностью и повышенной концентрацией растворителей в среде.
Вся сложность заключалась в том, что целевой продукт ферментации – биобутанол – представляет собой клеточный метаболит, подавляющий активность клеток продуцента биобутанола Clostridium acetobutylicum в случае превышения в среде пороговых значений его концентрации. Нами был подобран уникальный для данного случая прибор – EloTrace , производства Biotronix GmbH, Германия, позволяющий в непрерывном режиме производить мониторинг клеток микроорганизмов в процессе ферментации путем измерения их метаболической активности электрооптическим методом, и своевременно реагировать на любые изменения. Это, в свою очередь, привело к снижению производственных затрат, увеличению выхода целевого продукта, а следовательно, повышению рентабельности производства.
Помимо аппаратурного оснащения лаборатории процесс разработки технологии потребовал привлечения опыта и знаний специалистов из различных областей науки. Ученым и специалистам совместно пришлось решить массу вопросов, без которых получение технологии являлось бы просто невозможным. Все дело в том, что основная сложность в использовании древесины в качестве сырья для производства биобутанола заключается в присутствии в составе клеточной стенки лигнина, связанного с волокнами целлюлозы. Лигнин представляет собой полимер и является негидролизуемой составной частью древесины, который препятствует эффективной работе ферментов.
Российскими учеными был разработан инновационный метод подготовки и дальнейшей обработки целлюлозосодержащего сырья с использованием ферментов грибов, при котором происходит практически полное расщепление целлюлозы на составляющие ее простые сахара. Данный метод позволяет избежать появления большого количества шлама, образующегося при традиционном подходе. Более того, получаемый в качестве побочного продукта лигнин является абсолютно готовым сырьем для дальнейшего получения полимерных материалов, топливных гранул, энтеросорбентов и т. д. Это, в свою очередь, приводит к повышению рентабельности производства. Основной трудностью в решении данной задачи являлся подбор наиболее эффективного комплекса ферментов, штамма продуцента и соответствующего аппаратного оформления процесса, обеспечивающего оптимальные условия для жизнедеятельности.
Итог? Конечно, биотопливо. А еще сложная, требующая полной самоотдачи, но очень интересная работа, позволившая специалистам нашей компании приобрести бесценный опыт и новые знания. Разработанная технология позволила не только получить биотопливо, себестоимость которого намного ниже международных аналогов, но и решить проблему утилизации отходов и сокращения энергоемкости производства.
