Инжиниринг и комплексные поставки биотехнологического оборудования

Прорыв в создании биотоплива второго поколения – биобутанола

Мировое потребление энергии в мире неуклонно растет в связи с увеличением населения Земли и ростом наших энергетических потребностей, что, в свою очередь, неизбежно приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу. Единственной возможностью снизить эмиссию CO2, при этом, не ухудшая качество жизни населения, является использование возобновляемых источников энергии. Осознавая всю важность этого вопроса для нашей страны, в 2008 году правительство Российской Федерации поставило задачу разработать технологию получения биотоплива из возобновляемых источников непищевого сырья (биомассы). 

Почему биобутанол?

biobut.gifУхудшение экологической обстановки в мире неизбежно диктует свои правила игры и устанавливает все новые более жесткие требования к используемым материалам, в том числе и моторному топливу. Вот почему производство жидкого биотоплива стало одним из приоритетных стратегических направлений развития экономики многих европейских стран, США, Бразилии и других государств. По данным исследований, выполненных компанией BP, потребление полученной из биомассы энергии в мире увеличится более чем вдвое к 2035 году (см. рисунок).  При этом одним из самых привлекательных и перспективных продуктов на развивающемся рынке является биобутанол.

Бутанол может производиться как из ископаемого топлива, так и из биомассы. Бутанол, полученный из биомассы, принято называть биобутанолом, хотя по своим физическим и химическим характеристикам он никак не отличается от бутанола, произведенного традиционным способом. Отличием является лишь то, что при сжигании биобутанола дополнительного выброса углекислого газа в атмосферу не происходит. Более того, производство биобутанола оправдано и с экономической точки зрения по ряду перечисленных ниже причин:

  • Биобутанол по своим физическим свойствам близок к бензину, ввиду чего его использование не требует переделки двигателя автомобиля.
  • Биобутанол может использоваться либо в смеси с бензином, либо в будущем полностью заменить его.
  • Биобутанол по сравнению с другими альтернативными видами биотоплива (в частности этанолом) обладает большей энергоемкостью, а, следовательно, более экономичен в использовании.
  • Биобутанол обладает меньшей коррозионной активностью по сравнению с этанолом, и его смесь с бензином меньше подвержена расслоению в присутствии воды, ввиду чего, бутанол может транспортироваться по уже существующим трубопроводам.

Многие зарубежные компании уже вложили немалые денежные средства в разработку технологии получения биобутанола. Однако цель все еще не достигнута. Одна из причин заключается в том, что предполагаемым сырьем для получения биобутанола являются пищевые источники (зерно, кукуруза), что неизбежно влечет за собой рост цен на продукты питания. А использование непищевых источников сырья таких как стебли кукурузы, солома злаковых, багаса, различные породы деревьев, приводит к значительному усложнению технологии, делая производство нерентабельным. 

Производство биобутанола в России

Транспортный биобутанол, изготовленный из непищевого сырья, мог бы стать экологически чистым инновационным товаром России, конкурентоспособным на мировом рынке, экспорт которого мог бы способствовать поступлению значительных средств в государственный бюджет страны. Это стало причиной того, что правительство Российской Федерации в лице госкорпорации «Ростех» акцентировало свое внимание на производстве биобутанола второго поколения, сырьем для которого выступают возобновляемые непищевые источники – опилки, торф и солома. Для реализации намеченных планов необходимо было, прежде всего, разработать технологию получения биобутанола, что решено было доверить ведущему научно-исследовательскому институту – ОАО «ГосНИИсинтезбелок».

Благодаря высокому качеству поставляемого оборудования и надежной репутации на отечественном рынке группа компаний «БИОТЕХНО» совместно с учеными приняла активное участие в решении ряда вопросов, связанных с разработкой технологии получения биобутанола из целлюлозосодержащего сырья. Технология производства является уникальной, поэтому во время реализации проекта группе разработчиков пришлось столкнуться с рядом непредвиденных обстоятельств.

Перед командой специалистов стояла непростая задача – в кратчайшие сроки нужно было провести комплексное оснащение научно-экспериментального комплекса НИИ современным оборудованием, необходимым для исследований, а также выполнить его монтаж и пуско-наладочные работы. Из ряда предлагаемого на рынке лабораторного оборудования необходимо было выбрать то, которое бы удовлетворяло следующим критериям: 

  • высокая эффективность работы;
  • минимальные затраты при обслуживании;
  • простота в управлении;
  • минимум занимаемого пространства.
Поставленное оборудование:

biobut1.jpg Для осуществления параллельного культивирования с целью отработки оптимальных технологических параметров нами предложено было использовать линию лабораторных автоклавируемых ферментеров. Особенностью наших ферментеров является то, что управление процессом ферментации осуществляется с клавиатуры персонального компьютера. Это без лишних усилий позволяет контролировать и поддерживать основные параметры ферментации.















biobut2.jpgОтработка технологических приемов получения биобутанола проводилась на линии пилотных стерилизуемых на месте ферментеров (10-50-200 литров), объединенных под одним контроллером. Установленная автоматическая программа управления постоянно сравнивала и корректировала параметры культивирования на каждом этапе и указывала операторам оптимальное время для сбора биомассы.














biobut3.jpgНа следующем шаге необходимо было произвести отделение воды от целевого продукта. Идеальным решением данного вопроса являлось использование лабораторной проточной центрифуги CEPA. Ее преимуществом перед прочими аналогами является довольно быстрое центрифугирование при небольшой занимаемой площади, что в условиях лаборатории является определяющим фактором.














Дополнительно для нужд лаборатории нами была произведена поставка нескольких сушилок:

  • Сублимационная сушилка ilShin. Предложенная нами сублимационная сушилка позволяет обеспечить превосходное качество продукта при минимальной продолжительности процесса, что способствует минимизации затрат.
  • Распылительная сушилка Anhydro. Распылительная сушилка позволяет при достаточно высокой производительности (5-7 литров в час) осуществлять полный автоматический контроль качества. Данная сушилка характеризуется низкими энергозатратами, долгим сроком эксплуатации и простотой в обслуживании.

Решенные задачи:

Одной из наиболее важных задач, успешно решенных командой специалистов, являлся подбор оптимального режима ведения непрерывного процесса ацетонобутилового брожения, который бы отличался высокой удельной производительностью и повышенной концентрацией растворителей в среде.  

biobut4.jpg

Вся сложность заключалась в том, что целевой продукт ферментации – биобутанол – представляет собой клеточный  метаболит, подавляющий активность клеток продуцента биобутанола Clostridium acetobutylicum в случае превышения в среде пороговых значений его концентрации. Нами был подобран уникальный для данного случая прибор – EloTrace, производства Biotronix GmbH, Германия, позволяющий в непрерывном режиме производить мониторинг клеток микроорганизмов в процессе ферментации путем измерения их метаболической активности электрооптическим методом, и своевременно реагировать на любые изменения. Это, в свою очередь, привело к снижению производственных затрат, увеличению выхода целевого продукта, а следовательно, повышению рентабельности производства.

biobut5.jpgПомимо аппаратурного оснащения лаборатории процесс разработки технологии потребовал привлечения опыта и знаний специалистов из различных областей науки. Ученым и специалистам  совместно пришлось решить массу вопросов, без которых получение технологии являлось бы просто невозможным. Все дело в том, что основная сложность в использовании древесины в качестве сырья для производства биобутанола заключается в присутствии в составе клеточной стенки лигнина, связанного с волокнами целлюлозы. Лигнин представляет собой полимер и является негидролизуемой составной частью древесины, который препятствует эффективной работе ферментов. 

Российскими учеными был разработан инновационный метод подготовки и дальнейшей обработки целлюлозосодержащего сырья с использованием ферментов грибов, при котором происходит практически полное расщепление целлюлозы на составляющие ее простые сахара. Данный метод позволяет избежать появления большого количества шлама, образующегося при традиционном подходе. Более того, получаемый в качестве побочного продукта лигнин является абсолютно готовым сырьем для дальнейшего получения полимерных материалов, топливных гранул, энтеросорбентов и т. д. Это, в свою очередь, приводит к повышению рентабельности производства. Основной трудностью в решении данной задачи являлся подбор наиболее эффективного комплекса ферментов, штамма продуцента и соответствующего аппаратного оформления процесса, обеспечивающего оптимальные условия для жизнедеятельности.
 biobut6.jpg

Итог? Конечно, биотопливо. А еще сложная, требующая полной самоотдачи, но очень интересная работа, позволившая специалистам нашей компании приобрести бесценный опыт и новые знания. Разработанная технология позволила не только получить биотопливо, себестоимость которого намного ниже международных аналогов, но и решить проблему утилизации отходов и сокращения энергоемкости производства.


Сбросить
фильтр
Свернуть >

Технологическая карта

Хранение культур
Ёмкости и резервуары