Файл: Пр Боетанол.doc

Етанол виробляється методом зброджування цукрів (глюкози, сахарози та деяких інших) у безкисневому середовищі спиртовими дріжджами. Раніше майже весь етанол, отриманий таким шляхом, використовувався для виробництва алкогольних напоїв і лише невеликі обсяги, отримані хімічними методами, застосовувалися у промисловості. За останні 25 років ситуація докорінно змінилася. Зараз лише 15% етанолу використовується для виробництва алкогольних напоїв, решта – як добавка до пального для двигунів внутрішнього згорання.

Етанол з біомаси, що застосовується як паливо, називають паливним етанолом, або біоетанолом.

Біоетанол – це продукт біоконверсії вуглеводовмісної сировини (біомаса та/або органічні фракції відходів) з регламентованою кількістю супутніх та денатуруючих домішок.

2. Сировина для виробництва біоетанолу.

Майже будь-який матеріал рослинного походження може бути сировиною для виробництва біоетанолу. Всі рослини містять цукри, які можуть бути ферментовані для виробництва біоетанолу в процесі так званої "біохімічної конверсії (перетворення)." Рослинна сировина також може бути перетворена в біоетанол з використанням тепла і хімічних речовин у процесі, що має назву "термохімічної конверсії".

Сировиною для виробництва біоетанолу можуть бути будь-які цукровмісні (цукрова тростина, цукровий буряк, цукрове сорго, топінамбур) чи крохмалевмісні (кукурудза, жито, пшениця, картопля) сільськогосподарські культури, а також інші види рослин чи їх залишків, які містять целюлозні клітини, що в подальшому під дією ензимів можуть бути перетворені на глюкозу (стебла, трави, залишки сільськогосподарської та деревообробної промисловості). Целюлозна сировина складається з целюлози, геміцелюлози та лігніну, що в процесі обробки перетворюється на цукрозу.

Крім цукро- та крохмалевмісних культур для виробництва біоетанолу у світовій практиці широко використовують багаторічні трави (міскантус, просо).

В США основною культурою для виробництва біоетанолу є кукурудза, у менших кількостях використовується пшениця, сорго та цукрова тростина. У Бразилії та інших країнах південної Америки – цукрова тростина, в країнах ЄС – зернові та цукрові буряки.

В Україні найбільш сприятливими культурами для виробництва біоетанолу є цукрові буряки, фуражне зерно, кукурудза та меляса.

Таблиця 1

Орієнтовна урожайність різних сільськогосподарських культур та можливий вихід біоетанолу з біосировини

Культура (біосировина)	Планова урожайність, ц/га	Вихід етанолу
Культура (біосировина)	Планова урожайність, ц/га	з тонни сировини, л/т	на один гектар, л/га
Цукровий буряк	900	50	4498
Топінамбур	300	87	2610
Цикорій	350	92	3248
Картопля	324	114	3693
Кукурудза (зерно)	70	416	2912
Пшениця	50	395	1975
Ячмінь	58	370	2150
Жито	30	340	1020

3. Шляхи використання біоетанолу в якості моторного палива.

Біоетанол можна змішувати з бензином у різних пропорціях задля використання в якості моторного палива для автомобілів.

Існують наступні види палива з вмістом біоетанолу:

Е-5, Е-10 – це бензин з вмістом біоетанолу 5 та 10 % відповідно. Таке паливо реалізує більшість автозаправних станцій у США та країнах ЄС. Автомобілі, що випущені після 2000 року можуть працювати на сумішах біоетанолу з бензином (з вмістом біоетанолу до 10%) без шкоди для двигуна та будь-яких змін до конструкції.

E85 – суміш біетанолу з бензином, що містить від 51% до 83% етанолу, залежно від географічного розташування країни та пори року. Проте використання такого палива у автомобілях із звичайним бензиновим двигуном незаконне та може призвести до його поломки. На такому паливі можуть їздити автомобілі, що мають назву FFV (flexible-fuel vehicles) – автомобілів з “гнучким двигуном”, які здатні використовувати паливо з будь-яким вмістом біоетанолу. Дані автомобілі можуть їздити на паливі Е-15, Е-20, Е-30 та інших сумішах з вмістом біоетанолу до 85%.

Найбільшого поширення FFV зазнали у Бразилії. У 2010 році до виробників автомобілів з гнучким двигуном входили Chevrolet, Fiat, Ford, Peugeot, Renault, Volkswagen, Honda, Mitsubishi, Toyota, Citroen, Nissan і KiaMotors.

Кількість автомобілів із “гнучким двигуном” у 2004 році становила 22% від загального продажу автомобілів, 73% – у 2005 р. 87,6% – у липні 2008 року і досягли рекордної кількості 94% у серпні 2009 року. У березні 2009 року кількість FFV досягла позначки у 10 млн. Нині у Бразилії немає жодного легкового автомобіля, який би їздив на чистому бензині.З 2007 року у Бразилії діє вимога щодо обов’язкового вмісту не менше 25% біоетанолу.

У країнах ЄС з 2003 по 2010 роки обов’язковий вміст біоетанолу у складі палива становив 5,75%. До 2020 року цей показник поступово має бути доведений до 10%.

4. Світовий досвід виробництва біоетанолу.

У 1903 році Генрі Форд сконструював автомобіль ModelT , що працював виключно на рослинному спирті, отриманому шляхом конверсії насіння конопель. Форд вважав, що “Етиловий спирт – паливо майбутнього”. Однак на той час значної популярності вже здобули нафтові палива, які були значно дешевшими, і про використання біопалив “забули” до часів ІІ Світової Війни (під час війни у Німеччині виробляли спиртове паливо з картоплі, після війни інтерес до розвитку біопаливної галузі знову зменшився).

Проте постійна нестача палив, виникнення проблем, пов’язаних з енергетичною залежністю, усвідомлення можливості швидкого вичерпання традиційних видів палив, змусила науковців та Уряди багатьох країн активізувати дослідження у сфері виробництва та використання біопалив.

У 2005 році Конгрес США видав Закон “Про Енергетичну політику” (EnergyPolicyAct 2005), який вимагав використання 4 млрд. галонів біопалива, починаючи з 2006 року. До 2012 року обсяг біопалива у складі звичайного палива згідно із Законом, мав зрости до 7,5 млрд. гал.

У 2005 році США стали найбільшим виробником біоетанолу у світі. Частка біоетанолу на ринку бензину в США зросла за обсягом з 1 % у 2000 році до більше ніж 3 % у 2006 році та до 10 % у 2011 році. Внутрішні виробничі потужності з 2000 року до 2012 збільшилися більше ніж у дев’ять разів, з 1,63 млрд. гал до 14,9 млрд. гал.

Що стосується Бразилії, у 1975 році указом Президента було прийнято Програму виробництва етанолу (Programa Nacional do Álcool). Ця Програма зобов’язувала виробити 3,5 млрд. л біоетанолу з цукрової тростини до 1980 року. З 1976 року уряд Бразилії зобов’язав додавати біоетанол до бензину у межах від 10 до 22 %. У 1993 році обов’язковий вміст біоетанолу становив 22 %. У 2003 році було встановлено мінімальний та максимальний вміст: 20 % та 25 % відповідно. Загалом виробництво біоетанолу у Бразилії з 1975 року зросло у 49 разів. Бразилія є другим за величиною світовим виробником біоетанолу та найбільшим експортером цього палива у світі.

Світове виробництво паливного етанолу збільшилось втричі протягом 2000-2007 років з 17107 млн. л до 49550 млн. л. З 2000 року виробництво біоетанолу мало чітку тенденцію до збільшення, і лише у 2011 році зафіксовано слабке зниження обсягів виробництва. З 2007 по 2012 виробництво біоетанолу зросло ще на 71 % і становило 85088 млн. л.

У 2011 році США та Бразилія виробили 87,1% сукупного виробництва біоетанолу, яке склало 22,36 млн. гал. Причому США вдалося досягти абсолютного лідерства, виробивши 13,9 млн. гал. У Бразилії виробництво біоетанолу того ж року становило 5,6 млн. гал.

Згідно прогнозу Міжнародного Енергетичного Агентства прогнозований обсяг виробництва біоетанолу у світі у 2020 р. за оптимістичним прогнозом буде складати 281,5 млрд. л, за песимістичним – 187,5 млрд. літрів.

5. Технологія виробництва біоетанолу із зернової сировини.

У загальному вигляді технологія одержання біоетанолу складається з двох основних етапів, а саме: виробництва спирту-сирцю та зневоднення етанолу. Основна частка біоетанолу виробляється з використанням 4-ступеневого процесу:

1. Сировину для виробництва біоетанолу подрібнюють для швидшої обробки;

2. Цукор екстрагується із сировини, або ж крохмаль та целюлоза перетворюються на цукор;

3. Бактерії поглинають цукор та в процесі бродіння утворюється біоетанол та діоксид вуглецю як побічний продукт.

4. На останньому етапі етанол доочищують, зневоднюють та денатурують.

Щоб простежити повний процес виробництва біоетанолу із зернової сировини, візьмемо для прикладу один із найбільших заводів компанії, що знаходиться у місті Лільбольн (Франція).

На заводі переробляють 820 тис. т злакових у рік, що отримують з 100 тис. га посівів. При цьому в рік виробляють 300 тис м³ біоетанолу та 240 тис. т супутніх продуктів, так званого дрешу (сухої барди).

Виробництво біоетанолу на заводі Лільбольн компанії Tereos відбувається у кілька послідовних етапів (рис. 1).

Рис. 1. Структурна схема виробництва біоетанолу із зернової сировини

Спочатку відбувається збір сировини. Потім зерно розбивають на дрібні гранули, що робить крохмаль, який міститься в ньому, більш сприйнятливим до ферментативного гідролізу. Після цього отриману грубу муку зволожують та перемішують. Далі, до отриманої маси додають ензими двох типів за температури 90 °С. При цьому відбувається розбивання в’язкості та молекул крохмалю на дрібніші сполуки. Наступний етап – оцукрення. Цей процес зумовлює виділення глюкози, яка знаходиться в крохмалі. Далі насичена дріжджами глюкоза перемішується і переходить на етап зброджування. Уся глюкоза у процесі бродіння перетворюється на спирт. Після чого відбувається дистиляція, як результат її, отримують 94-%вий спирт. Проте щоб додавати його до бензину необхідно видалити з етанолу домішки води. Для цього етанол проходить процес зневоднення до 99,9% на молекулярних ситах. Після цього отримують кінцевий продукт – біоетанол.

Побічним продуктом виробництва біоетанолу є рідка післяспиртова барда, з якої отримують суху. Суху барду піддають сушінню за температури 400 °С, потім з неї формують гранули, що мають 6 мм у діаметрі. Такі гранули містять 32% білкових речовин і можуть використовуватись як готовий корм для тварин. Таким чином, у Франції, із 1 тонни пшениці отримують 375 л біоетанолу та 310 кг сухої барди.