Биохимия ацетоно-бутилового брожения.

Масляная кислота (бутират), н-бутанол, ацетон, 2-пропанол и ряд других органических кислот и спиртов являются типичными продуктами сбраживания углеводов анаэробными спорообразующими бактериями (клостридиями). Поэтому клостридии, а также некоторые специализированные виды, сбраживающие только этанол, аминокислоты или иные вещества, рассматриваются здесь в связи с маслянокислым брожением, которое они вызывают [18].

1.3.1 Продуценты.

Род Clostridium относится к семейству Clostridiaceae. Клетки бактерий из рода Сlostridium, за исключением С. соссоides, имеют форму прямых или слегка изогнутых пало­чек с закругленными концами. Грам-положительны. Большинство видов подвижные. Движение осуществляется с помощью перитрихиально расположенных жгутиков. По мере старения клетки теряют подвижность, накапли­вают гранулезу (запасное вещество типа крахмала) и переходят к спорообразованию. Образующиеся споры обладают овальной или сфериче­ской формой. Диаметр их, как правило, превышает диаметр вегета­тивной клетки, поэтому, если формирующаяся спора расположена в центре клетки, последние меняют форму, становясь веретеновидными; если же споры образуются у одного из кле­точных концов, клетки приобретают форму барабанных палочек.

Физиологически клостридии отличаются резко выраженным бродильным типом метаболизма, а также чувствительностью к кислороду: они растут только в анаэробных условиях. Однако существуют, по-видимому, все переходные формы - от строго анаэробных видов (Clostridium pasteurianum, Сl. kluyveri) до почти аэротолерантных (например, Сl. histolyticum, Сl. acetobutylicum). Клостридии, как правило, не содержат гемопротеинов (цитохромов, каталазы). Некоторые виды способны, однако, образовывать цитохромы, если в питательной среде содержатся их предшественники. Из запасных веществ широко распространены крахмалоподобные полисахариды [19].

Температурный оптимум для роста большинства известных видов Clostridium лежит между 30 °С и 40 °С Наряду с этими мезофильными представителями встречается много термофильных видов с оптимумом 60-75 °С, таких как С. thermoaceticum и С. thermohydrosulfuricum. Клостридии способны расти только при нейтральной (или щелочной) реакции среды. Поэтому их рост, часто нежелательный, может быть полностью подавлен при подкислении (например, в квашеной капусте, силосе, фруктовых консервах, сырых колбасах).

Почти все виды рода Clostridium осуществляют ацетон-бутанол-этанольную ферментацию. Классификация этих бактерий окончательно не изучена, но два вида этого рода используют для получения растворителей – это Сl. acetobutylicum и Cl. beijerinckii. Обнаружены новые виды, полезные для получения ацетона и бутанола: Cl. aurantibutyricum и Cl. Tetanomorphum, Clostridium butyricum, Clostridium saccharoperbutylacetonicum (группа Накамуры, Япония) [20]. На основании строения клеточных стенок и гомологии ДНК вид Cl. butylicum объединили с Cl. beijerinckii. Один из штаммов вида Cl. tetanomorphum образует бутанол как главный продукт брожения при небольшом выходе таких побочных продуктов, как этанол, уксусная и масляная кислоты, но не ацетон.

Споры клостридий широко распространены в почве. Большое число штаммов (240) выделено из жидкости рубца. Бактерии ферментируют глюкозу, целлобиозу, крахмал. Известны три штамма с целлюлазной активностью [21].

1.3.2 Субстраты.

Клостридии очень сильно различаются по отношению к субстратам, которые они могут сбраживать. Одни виды мало разборчивы и могут использовать широкий круг веществ, другие узко специализированы и способны сбраживать лишь один или несколько субстратов. В целом же клостридии используют множество различных природных соединений в качестве питательных веществ. Они способны разлагать полисахариды (крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозы, гликоген, пектины), белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Некоторым клостридиям нужны сложные питательные среды или факторы роста, другие в них не нуждаются. Некоторые могут обходиться молекулярным азотом как единственным источником этого элемента; азот они связывают с большой скоростью (Clostridium pasteurianum).

В зависимости от вида сбраживаемого субстрата выделяют не­сколько групп клостридий: сахаролитические клостридии, использующие в качестве субстратов брожения вещества углеводной природы (моносахара, крахмал, клетчатка); протеолитические клостридии, субстратами брожения ко­торых являются белки, пептиды, аминокислоты; пуринолитические клостридии, специфически приспособленные к сбра­живанию гетероциклических соединений (пурины и пиримидины). Среди них есть виды, обладающие довольно широкими возможностями (субстратами брожения служат как углеводы, так и белки), и узкоспециализированные виды, способные использовать в качестве источника энергии и углерода какое-либо одно или очень небольшое число соединений.

Для получения накопительных культур бактерий рода Clostridium можно воспользоваться некоторыми их особенностями. Поскольку их споры терморезистентны, инокулят предварительно пастеризуют. Создавая строго анаэробные условия, заранее исключают рост всех аэробных бактерий. Так как некоторые бактерии, расщепляющие полисахариды, прикреплены к поверхности частиц, например к крахмальным зернам или к частицам целлюлозы в рубце жвачных или каких-то осадках, эти частицы можно сначала промыть, чтобы освободить их от других бактерий, а затем использовать как материал для инокуляции. Для поддержания способности к интенсивному брожению нужно и в последующей работе с выделенными штаммами всегда пользоваться пастеризованными инокулятами [18].

Рост культур происходит на довольно простых средах, содержащих различные углеводы. Сбраживание крахмала, гексоз или пентоз происходит с превращением их примерно на 30% в смесь растворителей, а остальное составляют газы Н₂ и СО₂ в соотношении 40:60. Кроме углеводов Cl. аcetobutylicum может сбраживать глицерин, маннит, глюконат, пируват и некоторые другие вещества. Нуждается в таких витаминах, как биотин и парааминобензойная кислота. Бактерия способна к фиксации молекулярного азота. Оптимальная температура для роста 37-38 °С, оптимальное значение рН среды 5,1 - 6,9.

Благодаря наличию амилолитических ферментов бактерия использует крахмал. Выделяет в среду протеиназы, в результате чего способна разлагать белки. Поэтому Cl. acetobutylicum относят к группе протеолитических клостридиев.

В отличие от дрожжей, которые могут только переработать сахар в спирт и углекислый газ, Cl. acetobutylicum и многие другие бактерии рода Clostridium может перерабатывать молочную сыворотку, сахар, крахмал, лигнин, целлюлозное волокно и другую биомассу непосредственно в бутанол, пропионовую кислоту, эфир, и глицерин. За исключением потребности в температурном управлении, процесс синтеза АБЭ (ацетон, бутанол, этанол) сравнительно прост. Продукты сформированы в слоях, которые могут легко разделяться [20].

1.3.3 Биохимия брожения и его продукты.

Продуктами брожения являются следующие вещества: спирты (бутанол, этанол, 2-пропанол), кислоты (масляная, уксусная, молочная), а также ацетон и газообразные продукты (Н₂ и СО₂).

Состав продуктов и их количество в процессе брожения в зависимости от условий, в которых оно происходит, может меняться. Сбраживание углеводов клостридиями происходит по пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса. Водород, освобождающийся при дегидрировании глицеральдегидфосфата, переносится, как правило, на органические кислоты или кетоны, образуемые из пирувата или ацетил-СоА.

Прототипом брожения, который осуществляют клостридии, можно считать сбраживание глюкозы Сl. acetobutylicum и Cl. butyricum; при этом образуются бутанол, этанол, ацетон, 2-пропанол, бутират, ацетат, СО₂ и Н₂. Cl. beijerinckii сбраживает крахмал и глюкозу с образованием главным образом н-бутанола и в меньших количествах изопропанола и этанола. Клостридии, различающиеся по характеру брожения представлены в таблице 1.3 [18].

Таблица 1.3 – Клостридии, различающиеся по характеру брожения

Необычный вариант Cl. saccharo-butyl-acetonicum-liquefaciens плохо сбраживает мелассы, но дает прекрасный выход продуктов в крахмальной среде и высокое образование бутанола; соотношение ацетон:бутанол:этанол равно 19:78:3. У Cl. toanum при росте в сахарозной среде с добавлением обезжиренных рисовых отрубей выход растворителей составляет примерно 30%, а их соотношение как 52,9 (бутанол):42,5 (изопропанол):3,2 (этанол):1,4 (ацетон). Выход продуктов варьирует в зависимости от условий. Так как процесс имеет двухфазный характер [21].

В течение первой фазы происходит активный рост культур и накопление в среде преимущественно органических кислот. Во вторую фазу преобладает образование нейтральных продуктов, а именно ацетона, бутанола и этанола, рН среды снижается, рост культур замедляется. В то же время количество органических кислот в среде может даже уменьшаться.

Динамика ацетоно-бутилового брожения имеет четко выраженную двухфазность, которая связана с рН среды. Если значение рН среды в результате накопления органических кислот падает до 4,5 и ниже, начинается интенсивное образование нейтральных продуктов. В результате этого предупреждается дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий. Если значение рН среды путем добавления в нее мела или другими способами поддерживать на уровне 5,0 и выше, то образования в большом количестве ацетона, бутанола и этанола не происходит.

Установлено, что при низких значениях рН у Сl. аcetobutylicum увеличивается активность ферментов, катализирующих превращение ацетоацетил-СоА в ацетон и больше NАДН используется на восстановление бутирил-СоА до бутанола. Кроме того, бутанол может частично синтезироваться из ранее образованной масляной кислоты, вновь поступающей в клетки из среды и превращающейся в бутирил-СоА. Поэтому для получения в большом количестве нейтральных продуктов важно соблюдать определенные условия процесса брожения [22].

Масляная кислота – продукт конденсации двух молекул ацетил-СоА при участии тиолазы с образованием ацетоацетил-СоА и его последующим восстановлением (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Образование ацетата, этанола, н-бутанола, бутирата, ацетона и 2-пропанола при брожениях, осуществляемых клостридиями

Начальное расщепление глюкозы идет по фруктозобифосфатному пути; пируват дегидрируется при участии пируват:ферредоксин-оксидоредуктазы. На схеме представлены только последовательности реакций, начинающихся от ацетил-СоА.

Ацетоацетил-СоА восстанавливается за счет NADH₂ при участии β-гидроксибутирил-СоА-дегидрогеназы до β–гидроксибутирил-СоА. От последнего с помощью кротоназы отщепляется вода. Кротонил-СоА под действием флавинового фермента бутирил-СоА-дегидрогеназы восстанавливается до бутирил-СоА. От бутирил-СоА с помощью СоА-трансферазы СоА может переноситься на ацетат; при этом освобождается масляная кислота, которая выходит в среду. Из ацетил-СоА при участии фосфотрансацетилазы и ацетаткиназы может быть получен свободный ацетат, что сопровождается синтезом АТР из ADP.

При чистом маслянокислом брожении водород, образующийся при окислении, пирувата выделяется в газообразном виде. Когда глюкоза сбраживается согласно уравнению баланс водорода сходится; на один моль глюкозы образуются три моля.

АТР:

Глюкоза Бутират + 2СО₂ + 2Н₂.

Бутанол, бутират, ацетон и 2-пропанол образуются при сбраживании глюкозы клетками Clostridium acetobutylicum. При этом вначале выделяется также масляная кислота; однако по мере подкисления среды начинают синтезироваться ферменты (в том числе ацетоацетатдекарбоксилаза), действие которых приводит к накоплению ацетона и бутанола. Процессы образования этих веществ тесно связаны между собой. В результате декарбоксилирования части ацетоацетата утрачивается потенциальный акцептор водорода, который при восстановлении в бутират мог бы дважды присоединить 2[Н]. Этот водород так или иначе должен быть передан другим акцепторам, в том числе и только что образовавшемуся бутирату. Для восстановления до бутанола бутират должен быть сначала активирован путем превращения в бутирил-СоА. При брожении в щелочной среде (например, в присутствии СаСО₃) Сl. acetobutylicum ведет себя как Сl. butyricum. Некоторые штаммы восстанавливают ацетон и выделяют 2-пропанол.

Этанол образуется в результате восстановления ацетил-СоА.

Молекулярный водород может происходить из NADH₂, образующегося как при расщеплении пирувата, так и при дегидрировании глицеральдегидфосфата. Чем больше водорода может быть образовано при этом, тем меньше нужно синтезировать акцепторов водорода (ацетоацетил-СоА). Таким образом, энергия связи ацетил-СоА может быть сохранена в форме АТР. Значит, если при сбраживании глюкозы Сl. butyricum на один моль глюкозы образуется больше двух молей Н₂ и, поэтому меньше бутирата и соответственно больше ацетата, то выход АТР может превышать 3 моля [18].

Таким образом, производство биобутанола является перспективным направлением в развитии биоэнергетики [19].

Технологии биобутанола

1.4.1 Биобутанол первого поколения

1.4.1.1 Компания Environmental Energy. Новое слово в АБЭ ферментации Ферментация АБЭ с помощью бактерий Clostridium acetobutylicum – один из первых процессов, примененных для промышленной ферментации бутанола. На основе использования упомянутых анаэробных микроорганизмов впервые в мире была создана такая отрасль, как микробиологическое производство. Однако до получения штамма под названием Clostridium beijerinkii и создания новой технологии компанией Environmental Energy, ферментация была сложным и трудноуправляемым процессом.

При типичной ферментации АБЭ вначале бактерии Clostridium acetobutylicum производят масляную, пропионовую, молочную и уксусную кислоты (стадия производства кислоты), затем водородный показатель культуры снижается и таким образом инициируется метаболический сдвиг к стадии производства растворителя, в результате чего получается бутанол, ацетон, изопропанол и этанол.

Сдвиг инициируется повышением концентрации масляной кислоты более 2 г/л и снижением водородного показателя менее 5. При использовании обычной АБЭ ферментации выход бутанола из глюкозы низок: примерно 15% и редко превышает 25% (5,91 литра на 27 кг). Производство бутанола ограничивается тем, что при концентрации в 1,0–2,0% бутанол существенно блокирует рост клетки и может вызвать прекращение ферментации. Поэтому концентрация бутанола при обычном АБЭ процессе обычно не превышает 1,3%. Все попытки, предпринятые за последние 20 с лишним лет, позволили в лучшем случае получить бутанол с концентрацией менее 2,0%, при производительности 4,46 г/л/ч и выходе бутанола менее чем 25% от веса глюкозы [9].

В начале 21 века Hans Blaschek, профессор пищевой микробиологии Университета штата Иллинойс, получил новый штамм бактерии Clostridium. В 2004 году Clostridium beijerinkii был выбран Министерством энергетики США для генного картирования. Работа проводилась в Объединенном институте геномов в Калифорнии. В апреле 2006 года на конференции в Университете штата Иллинойс, посвященной биоэнергии, профессор Hans Blaschek выступил с сообщением о существенном прогрессе в своей разработке технологии производства бутанола.

Используя запатентованный им генетически измененный микроорганизм Clostridium beijerinkii, он успешно преобразовал кукурузу в бутанол. Для инициации процесса ферментации профессор использовал полученную им карту генома микроорганизма. В дальнейшем, используя результаты анализа генома, он планирует вывести второе, еще более эффективное поколение микроорганизма Clostridium beijerinkii.

Кроме того, профессор Hans Blaschek разработал основы технологии получения бутанола путем извлечения из газа. При этом бутанол будет недорогим и без загрязнений, возможных при использовании технологий, основанных на применении мембран [9,10].

В планах ученого – масштабировать ферментационный процесс получения бутанола с помощью существующего штамма Clostridium beijerinkii, подобрать эффективное зерновое сырье и тип зерновых волокон для производства бутанола, а также создать второе поколение микроорганизмов.

Чуть позже, объединив в процессе два очередных, новых штамма бактерий и предъявив ряд инженерных решений, компания Environmental Energy заявила о создании полноценной технологии получения биобутанола. Компании был выдан патент США №5 753 474 «Непрерывный двухступенчатый анаэробный ферментационный процесс получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий». Патент описывает технологию, которая позволяет надеяться на получение эффективного и экономически рентабельного бутанола. Использование компанией сдвоенных биореакторов с иммобилизованными клетками непрерывного действия увеличивает выход бутанола до 11,37 литров на 27 кг зерна плюс дополнительных 0,27 кг водорода в качестве побочного продукта [10].

Первоначально разработка была осуществлена на средства федерального гранта, выделенного Министерством энергетики США в рамках программы развития малого бизнеса, и в сотрудничестве с доктором S.T. Yang из университета штата Огайо, который предоставил компании для этих целей запатентованный им биореактор.

Оптимизация процесса АБЭ ферментации и получение бутанола посредством масляной кислоты, преобразованной из углеводов, позволило существенно увеличить выход, объемную производительность и концентрацию бутанола. Использование компанией Environmental Energy иммобилизированных культур Clostridium tyrobutyricum и Clostridium acetobutylicum позволяет получить оптимальную производительность бутанола 4,64 г/л/ч и выход 42% от веса глюкозы, или 11,37 литров на 27 кг зерна (16 кг крахмала/лактозы/сахара).

По сравнению с обычным АБЭ процессом, технология компании Environmental Energy устраняет производство нежелательных продуктов, включая уксусную, молочную, пропионовую кислоты, ацетон, изопропанол и этанол, таким образом, сохраняя углерод и производя только углекислый газ, водород, масляную кислоту и бутанол. Этот процесс удваивает выход бутанола с 5,91 литров до 11,37 литров на 27 кг зерна.

Кроме того, новая технология связана с производством побочного водорода, который также является альтернативным топливом. Принимая во внимание попутное производство водорода, новая технология позволяет получить из бушеля зерна на 42% больше энергии, чем производится в ходе обычного получения этанола – 25% этой разницы дает бутанол и 18% – водород. Важно понимать, что даже в отсутствие технической базы для применения водорода в качестве альтернативного источника энергии – он является ценным химическим продуктом, востребованным во многих подотраслях химической промышленности.

Компанией Environmental Energy на территории США создана экспериментальная установка по производству биобутанола, на которой, по заявлениям специалистов компании, биобутанол можно производить из всего, что растет на земном шаре. Сначала компания Environmental Energy намерена наладить производство биобутанола для рынка растворителей, а в дальнейшем продавать его как альтернативное топливо [9,10].

1.4.1.2 Разработки компаний DuPont и ВР, British Sugar.

20 июня 2006 года компании DuPont и ВР объявили о создании стратегического партнерства для разработки, производства и реализации следующего поколения биотоплива. Это партнерство объединит возможности компании DuPont в области биотехнологий и биопроизводства и огромный опыт и ноу-хау компании ВР в области топливных технологий и рынка. В результате сотрудничества эти компании, по консолидированному мнению экспертов, станут мировыми лидерами в области разработки и производства биотоплива.

С 2003 года обе компании совместно работали над усовершенствованием технологии, вложив в проект сотни миллионов долларов. Для организации производства компании BP и DuPont сотрудничают с английской компанией British Sugar, филиалом Associated British Foods plc, которая занимается работами по переводу своего первого завода по производству этанола методом ферментации на производство биобутанола. Совместно разработанный продукт — биобутанол – консорциум надеялся представить миру в 2007 году, однако трудности, представшие перед разработчиками, отодвинули эти планы как минимум на два года [6,7].

В 2008 г. компании заявили, что в рамках партнерства велась разработка бутанола-1 и бутанола-2 (последний называется изомером бутанола, он содержит 4 атома углерода, но атомы спирта расположены в ином порядке).

В том же 2008 г. компании объявили о результатах тестирования топлива,

включая данные о том, что:

а) 16% биобутаноловая смесь действует так же, как и 10%-ная этаноловая смесь;

б) смеси с большим содержанием бутанола также показали себя с лучшей стороны;

в) плотность энергии биобутанола ближе к неэтилированному бензину;
биобутанол не смешивается с водой [11].

Рисунок 1.2 – Проект завода на площадке BP в штате Айова [9]

DuPont уже вложила более $200 млн в строительство завода по производству биотоплива, который расположится в Неваде, штат Айова. Ввод предприятия в эксплуатацию запланирован на III квартал 2015 года. Планируется, что новый завод сможет производить порядка 140 млн литров экологически чистого топлива в год. Завод займется производством этанола, при этом вторая, небольшая демонстрационная мощность приступит к выпуску биобутанола. Позднее все предприятие может быть переоборудовано для производства бутанола. Завод по производству этанола будет построен на уже существующем химическом производстве BP в Saltend. Мощность производства составит 420 млн. литров этанола в год. Этанол будет производиться из пшеницы. Смонтированный на общей площадке демонстрационный завод сможет производить 20 000 литров в год бутанола из различного биосырья, преимущественно – сахарсодержащих и крахмалсодержащих культур [12].

1.4.1.3 Научно-исследовательский центр Fermentation Biotechnology Research.

Проблема улучшения технологии процесса и микроорганизмов, которые осуществляют ферментацию, также являются движущей силой научных и правительственных исследований. Например, Nasib Qureshi изучал процесс биобутанолового производства более 20 лет. Он приехал в США из Новой Зеландии, чтобы разработать мембранный процесс для более эффективного получения бутанола из ферментационной среды. Он также работал над получением эффективных бутаноловых биореакторов. В последние годы, однако, его исследование получило новое направление. Оно сфокусировано на оптимизации процесса для более экономичных сырьевых ресурсов, таких, как солома пшеницы, ячмень, просо, фураж [13].

Прежде всего, в микробиологическом процессе ферментации бутанола есть одна парадоксальная особенность: хотя бутанолобразующая бактерия создает энзимы, которые конвертируют простые сахара в алкоголь, сам бутанол токсичен для этих микробов. Результатом такого бутанолового ингибирования является низкая концентрация спирта в ферментирующей среде, что приводит к снижению выхода бутанола и увеличению издержек производства. Это проблемы, которые возникают при использовании высокоочищенного сырья. Когда используется более дешевое биологическое сырье, дополнительные бактериальные ингибиторы вырабатываются на стадии предварительной обработки [11].

Развиваются стратегии по снижению токсичности бутанола и увеличению выхода, включая несколько интегрированных уровней в процессе управления микробиологическими культурами. Общий процесс, который команда Qureshi разработала для производства бутанола из сельскохозяйственных отходов, включает

четыре этапа:

а) первоначальная обработка, которая раскрывает оболочку клеточной структуры и удаляет лингин;

б) гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы на простые гексозные и пентозные сахара, используя энзимы;

в) ферментация простых сахаров в бутанол, используя чистую культуру Clostridium beijerinckii P206, анаэробные бактерии;

г) получение бутанола.

Уникальная характеристика процесса состоит в том, что последние три этапа сочетаются и осуществляются в одном реакторе. Команда Qureshi сейчас занимается получением патента на этот процесс.

К тому же Qureshi сотрудничает с Lars Angenent, специалистом в области окружающей среды Вашингтонского университета, также как и с другими специалистами Исследовательского подразделения министерства сельского хозяйства США, чтобы повысить рентабельность этапа гидролиза. Идея состоит в том, чтобы заменить необходимые энзимы, которые зачастую дорого стоят, на смешанную культуру микроорганизмов. В сотрудничестве с Qureshi, Angenent будет использовать микробы, собранные из осадка в метантанке, и микробы из овечьего рубца, чтобы ферментировать предварительно обработанные волокна кукурузы в масляную кислоту. Полученное решение будет отправлено в лабораторию Qureshi, где будет ферментировано в бутанол при помощи монокультуры Clostridium.

Сотрудничество находится еще в периоде становления, оно финансируется грантом, полученным от министерства сельского хозяйства США. В настоящее время команда Angenent работает над оптимизацией производства масляной кислоты, изменяя такие условия, как pH и температура. Когда условия будут благоприятны для производства масляной кислоты в значительных количествах, Qureshi примет руководство на себя [13].

1.4.1.4 Достижения компании Celtic Renewables Ltd.

Celtic Renewables Ltd, новая компания, выходец из исследовательского центра по изучению биотоплива Университета Эдинбург Нейпир, произвела свой первый биобутанол, который может быть прямой заменой бензина или использоваться в виде смеси, без необходимости модификации двигателя.

Шотландская компания стала первой в мире, которая производит жизнеспособное биотопливо из промышленных отходов производства виски.

Компания потратила последний год на разработку своего процесса в рамках программы, бюджет которой составил 85 млн рублей, финансируемой Департаментом по энергетике и изменению климата из своего фонда поддержки предпринимателей в отрасли энергетики.

В настоящее время производятся первые образцы биобутанола, следующего поколения биотоплива, изготовленного из отходов на 340 млрд рублей, оставшихся после годового производства солодового виски Шотландии.

Биобутанол был получен в производственном процессе, называемом ацетон-бутанол-этанол (Acetone-Butanol-Ethanol (ABE)) ферментацией, в первый раз в начале прошлого месяца. Процесс ABE ферментации был впервые разработан в Великобритании сто лет назад, но не выдержал конкуренции с нефтехимической промышленностью [14].

Биобутанол, в отличие от других видов биотоплива, которые изучаются в настоящее время, может быть использован в качестве прямой замены бензина или в виде смеси, без необходимости модификации двигателя.

Процесс ферментации использует два основных побочных продукта производства виски: отходы, оставшиеся после затирания солода, смешанные с остатками от дистилляции и барда, остатки солодового сусла.

Каждый год шотландская вискокуренная промышленность производит около двух миллиардов литров отходов и 750 000 тонн барды.

По оценкам Celtic Renewables технология может предвещать новую эру в области устойчивого биотоплива и создать в Великобритании промышленность с годовым оборотом в 8500 млн рублей.

На данный момент компания стремится обеспечить необходимое финансирование в 2100 миллионов рублей для строительства демонстрационного проекта и, в случае успеха, первый демонстрационный центр на нефтехимическом заводе Grangemouth будет готов к 2018, он будет производить как минимум 1 миллион литров биотоплива в год.

Представляя первый образец биобутанола, профессор Мартин Тангней (Martin Tangney), основатель и президент Celtic Renewables Ltd, сказал: «Демонстрация миру нашего первого образца биотоплива, производимого на основе побочных продуктов производства виски, очень важный момент для всех участников проекта. Мы успешно работали с неиспользуемой сегодня технологией и адаптировали ее к текущим рыночным условиям, привлекая инвестиции и партнеров, необходимых для расширения до промышленного производства, и доказали, что она может работать в большом масштабе».

Эд Дэйви (Ed Davey), государственный секретарь по энергетике и изменению климата, (который несколько дней назад участвовал в церемонии открытия крупнейшей береговой ветроэлектростанции в Англии) сказал: «Это новая технология использует побочные продукты от лучшего экспорта Шотландии для энергообеспечения транспортных средств, и на сегодняшний день, это ведущие мировые инновации» [13,14].

1.4.2 Биобутанол второго поколения.

В последнее время, громче стали звучать вопросы о том, как впишется мировой курс на создание полноценной мировой биотопливной индустрии в насущную концепцию обеспечения продовольственной и энергетической безопасности. Когда говорят о сомнениях и возможных негативных последствиях, то имеют в виду, прежде всего биоэтанол. Его производство достаточно широко развито в ведущих странах мира, особенно в США. В последние годы на этой почве в странах-производителях произошло резкое повышение спроса на такие сельскохозяйственные продукты, как кукуруза, сахар, масличные культуры и т.д. В результате – рост цен на сельскохозяйственную продукцию, повышение стоимости ресурсов, используемых для производства биоэтанола. Возникла реальная угроза продовольственной безопасности, причем не только в развивающихся странах, как заявляют некоторые эксперты, но и во всем мире.Россия – единственная страна в мире, которая вплоть до 90-х годов двадцатого века сохраняла свою гидролизную промышленность – ведущую производство спирта из непищевого растительного сырья, главным образом из отходов древесины.

ОАО «Корпорация «Биотехнологии» делает ставку на производство биобутанола II поколения, который производится из возобновляемых непищевых источников сырья – опилок, соломы, торфа. Такой подход не просто решает проблему использования не по назначению сельхозпродукции, но и помогает справиться с еще одной серьезной проблемой – повсеместным скоплением отходов, попросту замусориванием территорий. ОАО «Корпорация «Биотехнологии» разработали и предлагают такую технологию производства биобутанола, когда в качестве первичного сырья используются целлюлозосодержащие отходы сельхоз-переработки и лесной промышленности. Сама по себе эта технология уникальна, имеет инновационный характер. В целлюлозе главная проблема – это чисто научная проблема: как ее разрушить для того, чтобы могли работать ферменты. В российском изобретении эта проблема решается с помощью помола до микронных размеров – это первый этап, который позволяет вскрыть целлюлозу.

Многие зарубежные компании, уже вложили сотни миллионов долларов в разработку подобной технологии. Но все усилия оказались напрасными, особенно в части реализации в промышленном масштабе. По заявлениям ОАО «Корпорация «Биотехнологии» их научные разработки оказались более успешными. К проекту привлечены специалисты ведущих научных школ: химического факультета МГУ, МГТУ имени Баумана, Московского инженерно-физического института, Института биохимии имени Баха. Получен желаемый результат, по которому Российская академия наук дала свое положительное экспертное заключение [11].

По сути, из целлюлозосодержащего сырья извлекается ферментативный бутанол. Технология является продуктом коллективного творчества, к ее разработке и реализации привлечены ведущие российские ученые в этой области. Схема производства биобутанола II поколения представлена на рисунке 1.3. Апробирована она ведущим научно-исследовательским институтом – ОАО «ГосНИИсинтезбелок» [15].

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема получения бутанола II поколения [9]

Более того, 9 сентября 2008 г. на предприятии ОАО «Восточно-Сибирский комбинат «Биотехнологии» (ВСКБТ) в г. Тулуне Иркутской области на опытно-промышленной установке по данной технологии был успешно произведен первый в мире биобутанол из древесины. На полученном биобутаноле (в различных пропорциях с бензином) из Тулуна в Тольятти совершили пробег в рамках совместного проекта с ОАО «Автоваз» три автомобиля Lada Kalina. Заправленные биотопливом (смесью бензина и биобутанола), они преодолели расстояние в 4 тыс. километров и без каких-либо осложнений доехали до конечного пункта. Произведенные промежуточные и финальные замеры показали значительное снижение двигателями этих машин вредных выбросов в атмосферу.
ВСКБТ создан на базе ОАО «Тулунский гидролизный завод». Это профильное предприятие по выпуску биобутанола. На сегодняшний момент по оценкам ОАО «Корпорация «Биотехнологии» оно является самой оптимальной площадкой, причем как для апробации, так и для реализации этой технологии в промышленных масштабах. ОАО «Тулунский гидролизный завод» – один из немногих в отечественной гидролизной отрасли, которому удалось уцелеть.

Старая технология за счет своей энергоемкости в настоящее время нерентабельна, поэтому в России разработана новая, полностью безотходная, технология производства биобутанола, по своим показателям не имеющая аналогов в мире. Данная технология ориентирована на производство биобутанола из отходов сельскохозяйственного производства. Можно сказать, что старт для создания новой отрасли уже состоялся. А для ее развития в ближайшей перспективе потребуются модернизация и запуск еще четырех аналогичных предприятий в Сибири. По расчетам ОАО «Корпорация «Биотехнологии» и уже фактически проработанным планам, биотопливная отрасль России будет включать до 30 профильных заводов. Это вполне реально с учетом возможных объемов сбыта продукции. В число 30 предприятий войдут как бывшие заводы гидролизной промышленности, так и предприятия спиртовой отрасли, мощности которых сегодня загружены только на треть.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: