Принципы получения биотоплива из растений

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Челябинский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»)

Биологический факультет

Кафедра микробиологии, иммунологии и общей биологии

 

Направление (специальность):	020400.62 «Биология»
	(наименование направления (специальности)
Дисциплина:	Введение в биотехнологию
	(наименование дисциплины)

 

РЕФЕРАТ

 

ТЕМА: Принципы получения биотоплива из растений.

 

 

	ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ
	Фамилия, имя, отчество					Полякова Е.А;
	Михайлова Т.С; Сагунов П.А
	Академическая группа				ББ-304		Курс	3
	Формы обучения		Очная
	(подпись)   «__» ______ 201_г.
	НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ
	Фамилия, имя, отчество					Филиппова
	Юлия Юрьевна
	Ученая степень	кандидат биологических наук
	Ученое звание	доцент
	Должность	доцент кафедры
	микробиологии,  иммунологии и общей биологии
	(оценка)                                           (подпись)   «__» ______ 201_г.

 

 

 

Челябинск 2014

 

 

 

Оглавление:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

Проблема дефицита энергоресурсов появилась не вчера, как и попытки решить ее за счет альтернативных источников энергии. Актуальность этой проблемы со временем только возрастает: необходимость перехода на альтернативные источники диктуется не только удорожанием ископаемых энергоресурсов, но и угрозами глобального изменения климата.

Биотопливо, получаемое из биомассы, – один из наиболее распространенных в современном мире возобновляемых источников энергии. Основными его видами являются биоэтанол и биодизель, для получения которых используют ценные продовольственные и фуражные культуры.

В научных кругах продолжается дискуссия о перспективах и последствиях производства биотоплива из растений в мире. Основным сырьем для производства биотоплива являются кукуруза, сахарный тростник и растительные масла. Почти 90% мирового производства биотоплива сосредоточены в США, Бразилии и ЕС.

На фоне роста цен на нефть будущее биотоплива, получаемого из растительного сырья, является одной из актуальных проблем в мире.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения. Основные группы сырьевых источников.

 

В качестве сырья для производства биотоплив может быть использовано любое сырьё биологического происхождения – от натуральных растений и животных до экскрементов животных и хозяйственно-фекальных сточных вод.

Различают две группы топлив: а) топлива, добываемые из земных недр (ископаемые топлива) и б) топлива, получаемые из наземного сырья (их принято называть биотопливами).

Основное различие между данными группами топлив состоит в том, что сжигание ископаемых топлив приводит к увеличению содержания углекислого (т.н. парникового) газа в атмосфере Земли (углерода в Земле становится меньше, а в атмосфере – больше); сжигание же топлив второй группы не увеличивает содержания углекислого газа в атмосфере (например, при сжигании древесины в атмосферу вводится ровно углекислого газа, сколько было изъято из атмосферы в процессе роста древесины за счёт фотосинтеза).

В специальной литературе пока нет универсального, всеобъемлющего

определения понятия «биотопливо». Наиболее близким к истинному значению является определение из интернет – энциклопедии: «биотопливо – это топливо, полученное из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов, или органических промышленных отходов».

Однако, в этом определении не учитывается следующее:

1) растения рассматриваются только  как сырьё для получения биотоплив, хотя большинство растений сами  по себе – готовые биотоплива;

2) в качестве сырьевых источников  для получения биотоплив не 

рассматриваются:

- биомасса микроорганизмов,

- сточные воды,

- углекислый газ с водой (в  процессах фотосинтеза),

- вода (в процессах биофотолиза);

3) в качестве сырьевых источников  для биотоплив рассматриваются  любые органические промышленные  отходы, что не точно, поскольку отходы образуются и при переработке ископаемых топлив.

Виды топлив:

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные.

• Твердые — это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).

 

• Жидкие топлива — это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.

 

• Газообразные топлива — различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

 

 

2. Сырьевые источники  растительного происхождения.

 

Поколения растительных биотоплив:

Растительное сырье разделяют на поколения.

 

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению.

 

Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья — занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

 

Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

 

3.Принципы и приемы воздействия на сырье при производстве биотоплива:

Физическое воздействие

К физическим методам обработки сырья относятся подсушивание и

экстракция.

Подсушивание применяют, в частности, при производстве пеллет и брикетов, а экстракцию – при извлечении масел из семян масличных культур при производстве биодизеля, а также – при извлечении сахарозы из сахарной свёклы при производстве биоэтанола.

Физико-механическое воздействие

Измельчение сырья применяют при производстве многих биотоплив как   приём интенсификации процессов и повышения выхода продукции.

Прессование применяют с целью удаления свободной влаги из сырья, или с целью отделения масла (из масличных культур) или получения гранул (либо брикетов).

Химическое воздействие

Этерификацию применяют при производстве топлив «биодизель».

Катализ применяют при производстве бионефти.

Биохимическое воздействие

Его применяют при производстве спиртов, а также – биогаза, биометана и биоводорода. Агентами такого воздействия являются ферменты или

микроорганизмы.

Термическое воздействие

Его применяют при производстве бионефти (скоростной пиролиз или

термоожижение растительного сырья), при производстве угля (обычный пиролиз), метилового спирта и жидких углеводородов (газификация сырья).

Комбинированное воздействие

При производстве большинства биотоплив используют не один, а несколько

приёмов воздействия на сырьё.

 

Сырьевые источники растительного происхождения предлагается делить на две группы по условиям произрастания: а)

наземное сырьё и б) водное сырьё. По запасам биомассы эти группы вполне сопоставимы, но водное сырьё на сегодня используется во всех сферах человеческой деятельности в значительно меньшей степени, чем наземное.

Поэтому классификация его пока не рассматривается, хотя следует отметить, что оно представляет большой интерес для производства биотоплив и работы с ним ведутся интенсивно.

Наземное сырьё делится на однолетнее и многолетнее. В обоих случаях для производства биотоплив используют как целые растения, так и отдельные их части – семена, плоды, стебли, ветки и т.п.; равно в обоих случаях используют отходы заготовки, хранения и переработки (твёрдые и жидкие).

Из сырья растительного происхождения производят твёрдые, жидкие и

газообразные биотоплива.

Классификация сырья растительного происхождения для производства

биотоплив представлена на рисунке 1.

Автор обращает внимание, что в данном разделе не рассматривается торф как сырьё растительного происхождения. Это сделано из-за того, что здесь рассматривается только возобновляемое сырьё; торф же является ископаемым сырьём.

Из разновидностей сырья, представленных на рис.1, наибольший интерес в настоящее время представляют корнеплоды (сахарная свёкла, сладкий картофель), семена (злаковых и масличных культур), стебли (сахарный тростник, сорго).

Ведутся работы по селекции и внедрению в производство новых специальных растений для производства биотоплива, в частности, отличающихся неприхотливостью, способностью произрастать на бедных почвах и в засушливых районах и давать хороший урожай либо биомассы в целом (так называемые энергетические растения), либо хорошо продуцировать углеводы, или масла, или –даже – углеводороды.

Из энергетических растений известны эвкалипт (Бразилия), быстрорастущая ива (Россия), способная за один сезон вырастать до высоты 4 метров; однолетнее травянистое растение miscantиs (известное как слоновья трава), способная вырастать до 4-метровой высоты и давать урожай биомассы до 60 т/год с 1 га, что эквивалентно по энергетическому потенциалу 28т нефти.

Из растений, активно продуцирующих углеводы, для производства

биоэтанола представляют интерес инулинсодержащие культуры и, в первую очередь, топинамбур; в частности, гибрид топинамбура и подсолнечника

(тописолнечник) отличается не только  высокой сахаристостью клубней (18-19%), но также – стеблей и листьев (до 14%); из других инулинсодержащих растений представляет интерес девясил и цикорий. Для южных регионов РФ особый интерес может представлять сахарное сорго как отличная альтернатива сахарной свёкле (если её рассматривать как сырьё для биотоплива); в данном случае стебли сахарного сорго после извлечения из них сахаров сами по себе являются хорошим биотопливом.

Из растений – продуцентов масел в качестве новых культур предлагается выращивать однолетние травы рыжик и ятрофу, отличающихся неприхотливостью и засухоустойчивостью. Высокой продуктивностью характеризуется западно-африканская масличная пальма, с 1 гектара плантации которой можно ежегодно производить от 4-6 до 14-16 (для вновь выявленных разновидностей) тонн масел.

Из растений – продуцентов углеводородов выявлены нефтяной орех

(произрастающий на Филиппинах) и молочай чинновидный (произрастающий  в США и Японии).

 

Как указывалось выше, водные растения в настоящее время не используются в качестве сырья для производства биотоплив. Однако, перспективность такого использования несомненна. Одним из важнейших преимуществ водных растений перед наземными является чрезвычайно высокая продуктивность, т.е. выход биомассы с единицы площади в единицу времени; по этому показателю отдельные виды водных растений превосходят наземные в несколько раз. Уже имеются десятки проектов по промышленному культивированию водорослей как в открытых водоёмах, так и в специальных плавающих аквареакторах. Уникальной особенностью водорослей является способность некоторых видов накапливать в своей биомассе до 80% липидов или углеводородов, что даёт основание считать их