История производства биобутанола

ВВЕДЕНИЕ

Нефть это один из главных источник энергии на нашей планете, но запасы нефти не безграничны. На создание их потребовались миллионы лет, а их количество таково, что израсходованы эти запасы могут быть за несколько столетий. С каждым годом энергетические ресурсы все больше истощаются, вследствие этого переработка и сохранение энергии становятся для человечества все актуальней. Серьезные проблемы связаны не только с истощением нефтяных запасов, но и с транспортировкой нефти и нефтепродуктов. Сырая нефть требует больших энергетических затрат для переработки. Существует ряд экологических проблем связанных с разливами сырой нефти и продуктов ее переработки. Поэтому необходимо сокращать использование нефти, а также другого ископаемого сырья путем привлечения альтернативных источников энергии. Одним из таких источников являются продукты биотехнологии. Биотехнология это дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов жизнедеятельности для решения технологических задач. Биоэкономика – экономика, основанная на биотехнологиях, использующих возобновляемое сырьё для производства энергии и материалов. Для большинства технологических процессов биоэкономики сырьем являются глюкоза (сахар), крахмал (зерно, сахарный тростник) или целлюлоза (солома, опилки). Одними из наиболее практически важных продуктов биоэкономики является биотопливо. Биотопливо — это возобновляемый источник энергии ,большой набор продуктов, синтезируемых химическими и биотехнологическими методами из природного сырья. Биобутанол — продукт конверсии биомассы с получением смеси бутанола, ацетона и этилового спирта (соотношение компонентов может быть смещено в сторону бутанола [1,2].Использование биобутанола в качестве добавки к автомобильному топливу в концентрации 8 – 32% не требует изменения конструкции двигателей [1]. В России необходимо проводить работы по организации рентабельного производства бутилового спирта как добавки в моторное топливо. Это вызвано прежде всего его преимуществами над другими видами топлив: бибутанол может добавляться к бензину, при этом улучшая качество бензина, может полностью заменять его; бутанол более энергоемок, по сравнению с другими топливами; также бутанол безопаснее в использовании, отличается своей экологичностью и возобновляемостью; не требует дополнительных разработок и затрат для своего использования. Применение микроорганизмов открывает широкие возможности для достижения поставленных целей. В данном курсовом проекте предложена схема получения биобутанола из мелассно-картофельного сырья. Технология производства бутилового спирта основана на брожении растительного сырья с использованием штамма анаэробных спорообразующих бактерий Clostridium acetobutylicum АТСС 824, отличающегося повышенной производительностью по биобутанолу.

Литературный обзор

Бутиловый спирт

Бутанол или бутиловый спирт с формулой С₄Н₉ОН. Бесцветную жидкость с ярко-выраженным запахом сивушного масла. В мире известны 4 вида бутанола: нормальный первичный бутиловый спирт СН₃(СН₂)₃ОН, нормальный вторичный бутиловый спирт СН₃СН₂СН₂(ОН)СН₃, изобутиловый спирт (СН₃)₂СНСН₂ОН и триметилкарбинол (СН₃)₃СОН.

Бутанол может производиться из биомассы и ископаемого топлива. В промышленных объемах бутанол получают путем оксосинтеза из пропилена с добавлением к реакции никель-кобальтовых катализаторов. Реакция протекает при температурах от 130 до 150 °C и давлении в 20 - 35 Мпа. Бутанол, произведенный из биомассы, называют биобутанолом, хотя он имеет абсолютно те же характеристики, что и бутанол, полученный из нефти.

Биобутанол можно производить изразличного растительного сырья: кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, маниоки, ячменя, клубневых культур, в частности, картофеля и сахарной свеклы, а также целлюлозосодержащих компонентов сельскохозяйственных культур, таких как, сухие стебли кукурузы или соломы.

Бутиловый спирт (бутанол) как и этиловый спирт (этанол) может быть получен:
а) путем переработки сахара или крахмала сельскохозяйственных растительных культур (биобутанол I поколения);

б) путем переработки целлюлозы растений (биобутанол II поколения);
в) путем синтеза химического сырья (бутанол).

Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Теплота сгорания бутанола близка к теплоте сгорания бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах и как сырьё для производства водорода. Физико-химические характеристики разных изомеров бутанола приведены в таблице 1.1 [5].

Таблица 1.1 – Физико-химические характеристики бензина и разных изомеров бутанола

Бутиловый спирт используется во многих отраслях промышленности:

– используется в синтезе карбамидно-формальдегидных и меламино-формальдегидных смол;

– применяется для синтеза различных органических продуктов, в частности при глубокой переработке древесины и синтезе химических продуктов из древесной биомассы;

– используется в качестве добавки к традиционным топливам;

– является добавкой к большинству смесевых растворителей, повышая их растворяющую способность, улучшает адгезию покрытий за счет снижения поверхностного натяжения, препятствует помутнению пленок;

– входит в состав смесевых растворителей 646, 647, 648, 649, 650, Р-6, РКБ-1, РЭ-3В и др.;

– добавка небольшого количества бутилового спирта вместе с бутилацетатом предотвращает побеление лаковых пленок;

– может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода;

– используется при изготовлении флексографических пластин и в производстве реактивов.

История производства биобутанола

Биобутанол является продуктом брожения, это вещество токсичное, поэтому интерес к нему возник лишь в начале ХХ века, когда начала развиваться автомобильная промышленность. Эта отрасль требовала разработки технологий по производству искусственной резины и быстро сохнущих лаков. Промышленное производство бутанола началось в 1916 году. Тогда использовался метод ферментации АБЭ (ацетон, бутанол, этанол) с применением бактерии Clostridia acetobutylicum. Ферментация сахаров клетками Clostridium acetobutylicum с образованием смеси растворителей ацетон-бутанол-этанол является одним из первых и главным способом получения бутанола. Этот процесс представляет собой анаэробную конверсию, например, глюкозы в масляную, пропионовую, молочную и уксусную кислоты (стадия производства органических кислот).

Ферментационное производство на заводах базировалось на использовании пищевого растительного сырья (крахмала, сахара, злаковых культур). Таким образом, разрабатывался продукт, который сейчас называют биобутанолом I поколения. Типичная схема такого процесса представлена на рисунке 1.1. Помимо растворителей в качестве побочных продуктов получались кормовые добавки, витамины, при этом водород не находил применения [7].

Рисунок 1.1 – Схема получения бутанола I поколения [8]

Clostridia acetobutylicum впервые выделил ученик Луи Пастера Хаим Вейцман (патент США №1 315 585). Во время I мировой войны Англия обратилась к молодому микробиологу с просьбой передать ей право на производство таким методом ацетона для последующего получения кордита (бездымного пороха). В 1916 г. в Великобритании был построен первый ацетон-бутанольный завод. Производство было основано на крахмальном субстрате, т.е. на зерне. Из-за недостатка зерна в Великобритании в том же 1916 г. производство ацетона и бутанола было перенесено в Канаду. Процесс использовался вплоть до 1920-х годов для получения исключительно ацетона. Однако на каждый литр ацетона во время ферментации получалось дополнительно два литра бутанола. Кто-то однажды взял нитроклетчатку, смешал ее с бутанолом и получил быстросохнущий лак. Через три года автомобилестроение кардинально изменило весь рынок, и к 1927 году основным продуктом АБЭ процесса стал бутанол, тогда как ацетон стал побочным продуктом. Во время II мировой войны бутанол использовался в производстве синтетического каучука.

Таким образом, в первой половине ХХ века биобутанол производился из кукурузы или патоки путем ферментации с помощью бактерий Clostridium acetobutylicum. В результате получался ацетон, бутанол и этанол (отсюда процесс носит название АБЭ). Побочными продуктами ферментации АБЭ являются водород, изопропанол, уксусная, молочная, пропионовая и масляная кислоты, а также диоксид углерода и липиды. Необходимость разделения основных продуктов ферментации и удаления побочных – влияет, в частности, на увеличение себестоимости бутанола.

С 1954 года цена нефти стала ниже цены сахара – в связи с тем, что США лишились дешевых поставок сахара с Кубы. В результате на фоне постоянного роста спроса на бутанол ферментационное производство начало сокращаться.

Нефтяной кризис в 1973 г., начавшийся на фоне Семидневной войны Израиля с Египтом и Сирией, привел к резкому скачку цен на нефть с $3 до $12 за баррель. В США ограничили снабжение жидким топливом учреждения, жилые дома и школы. Впервые после Второй мировой войны ввели жесткое нормирование мазута. Всем отраслям было запрещено переходить с угля на нефть, авиакомпании сократили количество рейсов, были ограничены часы работы школ, учреждений и магазинов. С ростом цен на нефть возрастал и интерес к биобутанолу [9].

Сегодня бутанол используется, прежде всего, в качестве промышленного растворителя. Мировой рынок этого продукта оценивается в 350 млн. галлонов в год, из которых 220 млн. галлонов в год приходится на долю США. Сегодня над разработкой технологий производства биобутанола работают многие фирмы: Arbor Fuels, BUTALCO GmBH, Bioenergy International, Butamax (DuPont/BP), Cobalt Biofuels, Gevo Inc., Green Biologics Ltd., METabolic Explorer, TetraVitae Bioscience и другие. Присутствие на рынке крупных игроков, таких как DuPont и British Petroleum, является гарантией развития новой топливной отрасли. Рынок начинает приспосабливаться к новой роли биобутанола.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: