Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
8) Ферментативный гидролиз. Условия при получении топливного этанола
Этанол как топливо
Биоэтанол - экологически чистое топливо по сравнению с другими видами топлива и служит заменителем традиционных источников горючего.
Возможности России (получение в год) Потребности России
Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин (это касается только смесей с высоким содержанием этанола, см.ниже "Энергоэффективность этанола"); пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные автомобильные ДВС не могут работать на Е85, хотя прекрасно работают на Е10 (некоторые утверждают что можно использовать даже Е15 и успешно используется Е40 (А95-Е)). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. машины «Flex-Fuel» (автомобиль с многотопливным двигателем). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор либо Е20 (иногда Е25) под видом обычного бензина, либо «acool» Е100, азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % (по весу) воды). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в «Flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.
Также все современные поршневые танковые двигатели являются многотопливными.
Критики производства биоэтанола заявляют, что для производства биоэтанола под плантации тростника часто вырубаются тропические леса. Но природные условия вокруг Амазонки не позволяют выращивать сахарный тростник. Тропические леса вырубаются нелегально. Нелегальные производители древесины вырубают участок леса. После ухода нелегальных дровосеков участок занимают фермеры для выпаса скота. Через 3 — 4 года выпас скота на этом участке прекращается, а участок занимают фермеры для производства сои и других культур.
Основой технологии производства биоэтанола из растительного сырья является гидролиз полисахаридов, в результате которого происходит эффективное разделение сложных полимерных структур на растворимые формы простых углеводов, пригодных для дальнейшего сбраживания. Основным продуктом гидролиза полисахаридов является глюкоза.
Среди многочисленных способов проведения гидролиза выделяют основные - кислотный и ферментативный гидролиз. Ферментативный гидролиз в настоящее время представляется более перспективным.
Преимуществами ферментативного гидролиза являются:
- лучшие выходы целевого продукта (моносахаридов);
- мягкие условия проведения процесса (низкие температуры, атмосферное давление);
- данный способ перспективен с точки зрения создания самостоятельных малоотходных технологий;
- снижение экологической опасности различных производств, перерабатывающих растительное сырьё и образующих большое количество отходов.
Современная промышленная технология получения биоэтанола включает следующие стадии:
Технологическая схема:
Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.
Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) содержит этанол до 95,6 % и не является безводным. В зависимости от содержания в нём посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:
Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.
Сырьё для производства биоэтанола:
а) МАНИОК. Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде — около $35 за баррель нефтяного эквивалента.
б) КРАХМАЛ. Ферментативный гидролиз крахмала. Получение D-глюкозы из крахмала с помощью ферментативного гидролиза. Ферментативный гидролиз крахмала и крахмалоподобных полисахаридов происходит под действием амилаз. б-Амилаза превращает крахмал в декстрины (олигосахариды, содержащие 6-10 остатков D-глюкозы) и небольшое количество мальтозы. Эта стадия гидролиза идет быстро и фиксируется резким падением вязкости раствора. Декстрины далее медленно гидролизуются при участии фермента в-амилазы с образованием мальтозы. Под действием фермента мальтазы происходит гидролиз мальтозы до глюкозы.
в) МАЛЬТОЗА. Ферментативный гидролиз мальтозы. Мальтоза - солодовый сахар, природный дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы; содержится в больших количествах в проросших зёрнах (солоде) ячменя, ржи и других зерновых.
Механизм ферментативного гидролиза несколько сложнее химического. Ферментативная деструкция целлюлозы происходит, как правило, под действием не отдельных ферментов, а полиферментных систем (комплексов). Ферментам, входящим в состав этих систем, присуща определенная специализация: одни из них эффективно гидролизуют «внутренние» гликозидные связи между моносахаридными остатками; другие предпочтительно расщепляют «внешние» гликозидные связи. Глюкозидазы осуществляют гидролиз гликозидных связей ди- и олигосахаридов. Целлюлазный комплекс состоит, как правило, из ферментов четырех типов: эндо-1,4-β-глюканазы, экзо-1,4-β-глюканазы (экзо-целлобиогидролазы), экзо-1,4-β-глюкозидазы и целлобиазы (β-глюкозидаза).
Глубокий гидролиз целлюлозы осуществляется в результате согласованного действия полиферментной системы (полиферментного целлюлазного комплекса), состоящей из эндо- и экзодеполимераз и β-глюкозидаз. Методы предобработки целлюлозосодержащего сырья (ЦСС) по характеру воздействия можно разделить на четыре типа: физические, механические, химические и биологические.
К физическим методам относятся обработка γ-лучами или потоком электронов, обработка микроволновым излучением (от 2400 до 2500 МГц), нагревание на воздухе или в атмосфере СО2 (100°С), в воде или в керосине, охлаждение, обработка при повышенном или пониженном давлении, действие ультра-звука.
Механические методы предобработки ЦCC заключаются в их измельчении на различных видах мельниц (шаровые, коллоидные или вибромельницы), дезинтеграторах и дробилках, диспергировании на вальцах и т.д. Измельчают ЦCC как в сухом, так и во влажном виде.
Химические методы предобработки основаны на способности тех или иных химических соединений растворять лигнин или целлюлозу, либо приводить к набуханию или разрушению ее структуры.
Биологические методы предобработки основаны на использовании лигнолитических микроорганизмов, способных избирательно по отношению к целлюлозе утилизировать лигнин в качестве источника углерода. Эти методы требуют достаточно большого времени и относительно эффективны.
Каждый из приведенных выше методов предобработки имеет достоинства и недостатки. Основным их плюсом является значительное увеличение реакционной способности целлюлозосодержащего сырья. Основным минусом – достаточно высокая стоимость.
Таким образом, результатом ферментативного гидролиза любого полисахарида является моносахарид – ГЛЮКОЗА, которую в дальнейшем подвергают спиртовому брожению.
Спиртовое брожение
Спиртовое брожение – брожение под действием ферментов дрожжей и бактерий. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (было дано французскими химиками: А. Лавуазье и Ж. Гей-Люссаком).
Главные стадии спиртового брожения:
Полученный спиртовым брожением этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции. Для получения этанола этим способом наиболее часто используют различные штаммы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae, в качестве питательной среды предварительно обработанные древесные опилки и/или раствор, полученный из них.