В процессе газификации углерод биомассы является сырьем, которое преобразуется в газ путем частичного сжигания с получением моноксида углерода, водорода и диоксида углерода, которые используются в производстве этанола путем ферментации или термокаталитических процессов. химия (например, процесс Фишера-Тропша). В основе катализаторов лежат такие элементы, как железо и кобальт.
Основные концепции
Кукурузный этанол
1. Помол зерна:
Зерна кукурузы измельчают до муки.
2. Кукурузная масса и нагревание:
Подача жидкости к кукурузной муке для получения мази (пюре).
Повышение температуры процесса для превращения крахмала в жидкий раствор и уничтожения бактерий, присутствующих в тесте.
3. Ферментативный гидролиз:
Поставка ферментов для разложения (разрыва) длинных углеводных цепей, превращения крахмала в короткие цепи глюкозы (простой 6-углеродный сахар) и, в конечном итоге, в отдельные молекулы глюкозы.
4. Дрожжевое брожение:
Гидролизованная масса переносится в резервуар для брожения, куда добавляются микроорганизмы (дрожжи) для превращения глюкозы в этанол и диоксид углерода (CO2).
Большие количества CO2, которые образуются в процессе ферментации, рекуперируются и сжимаются для продажи другим отраслям промышленности (например, газированные напитки, сухой лед и т. Д.).
5. Дистилляция:
Продукт брожения (аналогичный пиву) содержит от 10% до 12% этанола (спирта), а также остатки теста и дрожжей. Этот продукт перекачивается через несколько колонн в дистилляционную камеру для удаления твердых остатков и воды из этанола.
Чистота этанола после перегонки составляет около 96%.
Твердые отходы, находящиеся в нижней части резервуара, перекачиваются наружу и перерабатываются как побочные продукты, богатые белком, для корма для скота.
6. Обезвоживание:
к. Небольшие количества воды, остающейся в этаноле, удаляются фильтрами для удержания молекул. Эти фильтры содержат серию мелких гранул, которые поглощают воду. Молекулы этанола больше по размеру, что не позволяет им проходить через фильтры. Таким образом получают этанол со спиртом марки 200 Proof.
Перед отгрузкой этанол смешивают с бензином (~ 5%) для денатурирования этанола. Таким образом избегается употребление этанола в качестве алкогольного напитка.
Комментарий:
Такие продукты, как кукуруза, не должны использоваться для производства этанола для машин.
Кукуруза - это пища, обеспечивающая человека энергией.
Целлюлозный этанол
1. Остатки овощей:
Большая часть вещества в овощах состоит из трех основных полимеров: а) Целлюлоза (от 35% до 50%). б) Гемицеллюлоза (от 20% до 35%). в) Лигнин (от 10% до 25%). Эти полимеры построены и связаны между собой сложными сборками внутри клеточных стенок растений.
Целлюлоза и гемицеллюлоза - это углеводы, которые могут превращаться в ферментируемые сахара. Части целлюлозы и гемицеллюлозы в биомассе обрабатываются отдельно, поскольку они имеют различную структуру и содержание сахара.
Целлюлоза состоит из длинных цепочек молекул глюкозы (простых 6-углеродных сахаров), встроенных в твердую трехмерную кристаллическую структуру.
Гемицеллюлоза - это разветвленный полимер, состоящий в основном из молекул ксилозы (простых 5-углеродных сахаров) и других сахаров. Лигнин нельзя превратить в этанол, потому что это не углевод, а жесткий ароматический полимер.
2. Механический процесс:
Биомасса (растительные остатки) измельчается, но не раньше, чем устраняются нежелательные вещества.
3. Предварительная обработка биомассой:
Для высвобождения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина из биомассы применяют тепло, давление или кислоты. Таким образом, целлюлоза становится более доступной для действия ферментов (гидролиза), а гемицеллюлоза гидролизуется до растворимой смеси сахаров, содержащей 5 и 6 атомов углерода. Небольшая часть целлюлозы может быть превращена в глюкозу. Кислоты, когда они используются в этом процессе, нейтрализуются добавлением извести. Как правило, применение только одного типа процесса (нагревание, давление, кислота) невозможно, поскольку биомасса поступает из разных источников (травы, солома, початки, древесина, бумага). Гидролиз = химическая реакция воды с другим веществом.
4. Разделение:
Сахарный сироп гемицеллюлозы отделяют от твердых волокон, содержащих лигнин и кристаллическую целлюлозу.
5. Ферментация сахаров гемицеллюлозы:
Посредством ряда биохимических реакций бактерии превращают ксилозу и другие сахара гемицеллюлозы в этанол.
6. Производство ферментов:
Некоторые твердые части биомассы используются для производства ферментов целлюлазы, расщепляющих кристаллическую целлюлозу. Эти ферменты получают из культур микроорганизмов. Покупка ферментов устранит этот этап процесса.
7. Гидролиз целлюлозы:
Волокнистые остатки, содержащиеся в целлюлозе и лигнине, переносятся в резервуар для брожения, куда поступают ферменты целлюлазы.
Смесь различных целлюлаз работает вместе для разложения кристаллической целлюлозы с получением цепей целлюлозы без кристаллизации и, наконец, для фрагментации каждой цепи целлюлозы на отдельные молекулы глюкозы.
8. Ферментация целлюлозных сахаров (глюкозы):
Дрожжи или другие микроорганизмы потребляют глюкозу (целлюлозные сахара) и вырабатывают этанол вместе с диоксидом углерода в результате ферментации в глюкозу.
9. Дистилляция:
Разбавленный этанол, который был получен при ферментации гемицеллюлозы и сахаров целлюлозы, перегоняется для удаления воды и концентрирования этанола. Твердые отходы, содержащие лигнин и клетки микроорганизмов, можно использовать в качестве топлива для выработки электроэнергии и тепла, необходимых в процессе, или преобразовать в побочные продукты для корма для животных или сельскохозяйственных удобрений.
10. Обезвоживание:
Оставшуюся воду удаляют из дистиллированного этанола.
Получение целлюлозного этанола газификацией
В процессе газификации углерод биомассы является сырьем, которое преобразуется в газ путем частичного сжигания с получением моноксида углерода, водорода и диоксида углерода, которые используются в производстве этанола путем ферментации или термокаталитических процессов. химия (например, процесс Фишера-Тропша). В основе катализаторов лежат такие элементы, как железо и кобальт.
Газы: монооксид углерода, водород и диоксид углерода подвергаются процессам ферментации микроорганизмами, такими как Clostridium ljungdahlii, которые ассимилируют газы (оксид углерода, водород, диоксид углерода), и в результате ассимиляции образуются этанол и вода., Этанол отделяют от воды перегонкой.
Препятствия при производстве целлюлозного этанола
Среди препятствий на пути производства целлюлозного этанола можно выделить следующие:
- Более низкое среднее содержание сахара на количество биомассы. Стойкая природа целлюлозы затрудняет получение сахаров. То есть требуются более совершенные методы предварительной обработки и солюбилизации гемицеллюлозы и целлюлозы, которые вместе с лигнином защищены жесткими структурами в клеточных стенках растений. Интенсивная предварительная обработка биомассы для получения этанола, генерации химических субпродуктов, которые ингибируют ферментативный гидролиз и снижают продуктивность микроорганизмов при ферментации. Кристаллическая форма целлюлозы затрудняет преобразование целлюлозы в глюкозу в водных растворах ферментов. Смесь сахаров с 5 и 6 атомами углерода, полученная гидролизом в гемицеллюлозе. Есть микроорганизмы, которые могут сбраживать сахара с 5 или 6 атомами углерода,но эти микроорганизмы демонстрируют более низкие средние производственные показатели при ферментации сахара и низкую толерантность к этанолу в качестве конечного продукта. Производство этанола из смеси сахаров с 5 и 6 атомами углерода ниже, чем у кукурузного крахмала при ферментации сахаров.
