Замена дефицитного бензина иными видами топлива.

Использование этанола.

Замена дефицитного бензина иными видами топлива является актуальной проблемой современности. Особенно остро вопрос стоит в странах Америки, Западной Европы.

Использование этанола в чистом виде или в смеси с бензином (газахол) снижает загрязнение окружающей среды, поскольку при его сгорании образуется лишь углекислота и вода.

Спиртовое брожение - самая старая отрасль биотехнологии – имеет готовые технологические системы и развитую промышленную базу.

Этанол является ценным сырьем для химической промышленности.

Сырье и микроорганизмы для производства этанола.

Сырье для процесса спиртового брожения могут быть разнообразные биомассы, имеющие в своем составе шести и пяти углеродные сахара в виде мономеров. Сахаросодержащими материалами является свекловичная (тростниковая) ботва и меласса (1), кормовая патока, биомасса водорослей (2), этанолобразующие бактерии (3,4), дрожжи (5; рис. 14.8).

1 2 3 4 5

Рис. 14.8. Сырьё и микроорганизмы для производства этанола

Моносахариды, такие как глюкоза, сахароза и некоторые другие, содержащиеся в тростниковой и в свекловичной мелассе, легко вовлекаются в реакции спиртового брожения, не требуя сложной обработки и подготовительных операций.

Для регионов с умеренным климатом, обладающих большими массивами лесов, желательно использование древесных отходов. Помимо отходов лесопиления и деревообработки можно использовать также тюкованную солому, торф, тростник. Использование древесины в качестве сырья для производства этанола требует ее предварительной подготовки, включающей механическое разрушение содержащегося в ней легнинцеллюлозного комплекса, гидролиз сравнительно легко гидролизуемой фракции целлюлозы.

Сырьем для процессов спиртового брожения могут быть биомассы, имеющие в своем составе сахара в виде полимеров, включая крахмалсодержащие (зерно, картофель). Эти полимерные соединения требуют предварительного гидролиза до мономеров. В настоящее время более широкое признание получил ферментативный гидролиз крахмала (например, крахмал кукурузы). С этой целью используются такие гидролитические ферменты, как альфа и бета–амилазы, пуллуланазы как в иммобилизованном так и в свободном состоянии, а также в сочетании друг с другом.

Сырьем для процессов спиртового брожения может быть биомасса специально выращенных или собранных пресноводных и морских растений и водорослей. Взаимосвязь ферментов, производимых различными организмами, подбор разлагающих культур очень важны для использования водорослей в качестве субстрата (рис. 14.12;2).

Мезофильные бактерии рода Zymomonas (Zymomonas mobilis и Z. Аnaerobica; t_opt30-35^оС) обладают в несколько раз более интенсивным метаболизмом, чем дрожжи (рис. 14.12;3). Характерная черта этих бактерий состоит в том, что они способны перерабатывать в этанол и углекислый газ не только гексозы, но и другие сахара. Выход этанола при этом увеличивается в 1,5-2 раза. Эти бактерии также сбраживают глюкозу, фруктозу и сахарозу с большей скоростью, чем дрожжи и, в отличие от дрожжей, способны длительно расти анаэробно.

Группа термофильных этанолобразующих бактерий – Clostridium thermocellum, Cl. Thermohydrosulphuricum, Thermoanaerobacter ethanolicus (t opt 60-65°С) отличается рядом особенностей. Имеющиеся в ней микроорганизмы с целлюлозолитической активностью способны трансформировать растительные углеводные полимеры прямо в этанол. Бактерии этой группы перерабатывают целлюлозу и гемицеллюлозу, так что отпадает необходимость предварительного разложения целлюлозы. Они способны сбраживать субстраты с высокой скоростью, устойчивы к нагреванию, которое увеличивает летучесть этанола (облегчая его отгонку из ферментера) и повышает растворимость субстратов. Наконец, они обладают самой большой скоростью роста из пока известных микробов, разлагающих целлюлозу (рис. 14.12.;4).

Традиционно для конверсии углеводов в этанол используются дрожжи. Прежде всего, дрожжи родов: Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Candida, Kluyveromyces. Для биотехнологических целей выведена расса дрожжей Saccharomyces cerevisia-12, жизнедеятельность которой продолжается, даже когда объемная доля этанола в культуральной жидкости достигает 10-11 %. Промышленность осваивает другие виды дрожжей родов Schizosaccharomyces,Candida, Kluyveromyces, которые могут использовать субстраты, не характерные для дрожжей рода Saccharomyces, например ксилозу (Candida; рис. 14.12;5).

Промышленное получение спирта

При периодическом процессе свежевыращенные организмы вносят в субстрат для сбраживания. После завершения сбраживания субстрата клетки продуцента отделяют и для нового цикла получают, свежую порцию посевного материала. Недостаток процесса – высокая стоимость. Использование бактерий Zymomonas mobilis повышает продуктивность и экономический выход.

Перспективно применение биореакторов с клетками продуцентов, иммобилизированными на различных носителях (алюминиевые шарики, пористые керамические носители, полимеры, полые волокна).

Это позволяет повысить концентрацию клеток в биореакторе для ускорения биоконверсии субстрата с повышением выхода этанола. Снижается ингибирующее действие этанола на продуцент и расширяется устойчивость к изменениям температуры, кислотности и другим факторам среды.

При использовании этанола для улучшения качества бензина необходимо его обезвоживание. В вакуумных реакторах культивирование микроорганизмов и дистилляцию этанола проводят при пониженном давлении, в этом случае этанол кипит при низких температурах, допускающих рост клеток. Кроме того, обезвоживание спирта может достигаться добавлением растворителя. При получении газохола в качестве экстрагента этанола применяют непосредственно бензин. Обезвоживание спирта может быть достигнуто применением сжиженных газов, например, углекислоты.

По завершении процесса брожения концентрация спирта в бражке составляет 6-12 %. Дистилляция дает водноэтанольную смесь с содержанием 96% этанола. Эту смесь можно использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Широко используемые в настоящее время биореакторы имеют в своем составе систему отделения биомассы от культуральной жидкости или отделение и очистки этанола в первую очередь на основе применения мембранной микрофильтрации, ультрафильтрации или диализа.

Чем выше конечная концентрация спирта, тем менее энергоемка стадия перегонки. Так, при 5%-ной концентрации спирта в бражке затраты пара для получения 96%-го спирта составляют свыше 4 кг/л; при содержании спирта около 10% эта величина снижается до 2,25 кг/л.

Из одной тонны картофеля можно произвести 100 л этилового спирта, из одной тонны зерна ржи – 270 л, древесины 170-180 л этанола и 40 кг биомассы дрожжей.

Вырабатываемый углекислый газ используется в жидком (газирование напитков) или твердом (сухой лед) видах.

Биомасса дрожжей в дальнейшем используется в составе комбикормов. Сивушные масла в дальнейшем используются в химической индустрии.

Таким образом, необходимость разработки новых и эффективных способов производства энергетических носителей и восполнения сырьевых ресурсов стала особенно актуальной в последние два десятилетия из-за острого дефицита сырья и энергии в глобальном масштабе и повышения требований к экологической безопасности технологий. В этой связи стало интенсивно развиваться новое направление биотехнологии – биоэнергетика, разрабатывающая эффективные и экологически безопасные технологии получения и преобразования энергии.