Какое биотопливо получают с помощью ферментации

Биоэтанол и биодизель являются двумя наиболее многообещающими альтернативными жидкими видами топлива для транспортных средств, которые коммерчески производятся во всем мире. Конверсионные технологии производства этих двух видов биотоплива достаточно стандартизированы. В зависимости от исходного сырья может быть принята дополнительная предварительная обработка для подготовки исходного сырья в форме, которая может быть легко преобразована в биотопливо.

Биоэтанол

Этанол получают путем анаэробного брожения сахаров дрожжами. сахаромицеты церевисиае (рис. 2). В большинстве случаев 6-углеродные сахара являются обычным субстратом для ферментации. Пятиуглеродные сахара, полученные из растительного материала (лигноцеллюлозная биомасса), также могут ферментироваться другими микробами.Сырье на основе сахара, такое как сахарный тростник, сахарное сорго и сахарная свекла, легко обеспечивает ферментацию сахарами. Меласса, побочный продукт сахарного завода, содержащий примерно 49% сахарозы, может быть разбавлена ​​и использована так же, как исходное сырье на основе сахара. С другой стороны, сырье на основе крахмала, такое как кукуруза, маниока и зерно сорго, требует ферментативного гидролиза для высвобождения сахаров перед ферментацией. Сложные виды сырья, такие как лигноцеллюлозная биомасса, требуют более сложной предварительной обработки для высвобождения способных к брожению сахаров.

Богатый сахаром сок, полученный из исходного сырья на основе сахара, в основном состоит из дисахаридов, таких как мальтоза или сахароза (C₁₂ЧАС₂₂О₁₁), которые легко гидролизуются ферментами, присутствующими в дрожжах, а именно сахарозой или инвертазой (рис. 1). Полученные сахара представляют собой моносахариды, такие как глюкоза или фруктоза (C6H12O6), которые превращаются в этанол путем анаэробной ферментации (рис. 2).

Рис. 1 Ферментативный гидролиз дисахарида в моносахарид дрожжами

Рис. 2 Ферментация глюкозы дрожжами для производства этанола

Что касается стехиометрии, то один моль сахарозы дает четыре моля этанола и четыре моля углекислого газа. В результате теоретически из одной тонны сахарозы можно получить 163 галлона этанола. Однако при нормальных условиях работы завода из сахарного тростника можно ожидать около 141 галлона этанола на тонну сахарозы.

В отличие от сырья на основе сахара, сырье на основе крахмала требует гидролиза крахмала (сжижения и осахаривания) для получения сбраживаемых сахаров после измельчения и измельчения сырья. Стехиометрия гидролиза крахмала и ферментации этанола показана на рис. 3. Таким образом, теоретически выход этанола на бушель (56 фунтов) кукурузы, содержащей ~75% крахмала, составляет 3,63 галлона. Это эквивалентно 490,7 л этанола на тонну сухой кукурузы.Однако в реальном процессе получения этанола из кукурузы сухим помолом эффективность преобразования составляет около 71,6-77%, что приводит к выходу этанола от 2,6 до 2,8 галлонов на бушель кукурузы. Это соответствует фактическому выходу этанола от 351 до 378 л на сухую тонну кукурузы. Подобно чипсам из маниоки с содержанием крахмала 69,7%, теоретический выход этанола составляет 455 л на сухую тонну маниоки, тогда как фактический выход этанола составляет около 400 л на сухую тонну маниоки. Зерна сорго содержат от 50 до 75% крахмала, а выход этанола находится на периферии кукурузы.

Рис. 3 Стехиометрия конверсии этанола из сырья на основе крахмала

Биодизель

Биодизель производится посредством химической реакции, называемой переэтерификацией (рис. 5), при которой жиры и масла превращаются в смесь метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) в присутствии спирта (обычно метанола) с основным катализатором (в основном гидроксидом калия).

Рис. 4 Реакция переэтерификации для производства биодизеля

Масличные семена с содержанием масла более 20% считаются масляным сырьем для производства биодизеля. Большая часть биодизеля, доступного в настоящее время на рынке, обычно производится из растений (пищевых/кормовых культур), включая сою, рапс и пальмовое масло, тогда как биодизель, полученный из животного жира (биодизель на основе таллового жира), жизнеспособно только в странах с большим животноводческий сектор, как Парагвай и Уругвай. Однако из-за значительного землепользования и опасений по поводу продовольственной безопасности тенденция производства биодизельного топлива сместилась в сторону использования несельскохозяйственного сырья и непищевого нефтяного сырья, такого как отработанное масло, ятрофа и водоросли.

В отличие от производства этанола, расчет выхода биодизеля более сложен из-за разнообразия жирных кислот, присутствующих в масле/жировом сырье, и его чистоты. Как правило, 10 фунтов жира/масла можно преобразовать в 10 фунтов биодизеля при совместном производстве 1 фунта глицерина.В реальных условиях эксплуатации из бушеля соевых бобов (60 фунтов) можно произвести 1,5 галлона биодизеля, что эквивалентно 66 галлонам на акр (44 бушелям соевых бобов на акр).

Остатки/отходы биотоплива

Наряду с биотопливом в производственных процессах также образуются малоценные остатки и отходы. Некоторые остатки/отходы:

Малоценные отходы образовались в значительных количествах в результате увеличения производства биотоплива в последние годы. Как правило, остатки/отходы биотоплива: