Пищевая солнечная биоэнергетика Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.51

Пищевая солнечная биоэнергетика

Юницкий А.Э.1, 2 Василевич В.В.2

1 ООО «Астроинженерные технологии»,

г. Минск, Беларусь

2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь

Представлено исследование по созданию замкнутой сбалансированной пищевой солнечной биоэнергетики. Данное направление является одной из составляющих эмориентированной технологической платформы uEnergy, необходимой для реализации программы «ЭкоМир». Авторы проанализировали методы получения спиртов из практически неограниченных возобновляемых растительных ресурсов; изучили особенности применения спиртов в качестве топлива; обосновали важность использования комплексной ресурсосберегающей технологии при производстве спиртов и предложили способы изготовления кормов для животных и пищи для человека из вторичных продуктов спиртового производства. Широкое потребление разработанного авторами вида альтернативного топлива ставит новые задачи по адаптации энергоустановок, организации предприятий нового типа, поддерживающих комплексные подходы для решения экологических и социальных проблем. Рассматриваемая технология может быть внедрена в линейных городах для обеспечения их электроэнергией и теплом, а также в экваториальном линейном городе (ЭЛГ) протяжённостью 40 000 км.

Ключевые слова:

возобновляемые источники энергии, биотопливо, этанол, метанол, бутанол, альтернативная энергетика, возобновляемое растительное сырьё, сахарная свёкла.

Введение

Программа «ЭкоМир» направлена на преодоление экологических проблем, связанных с развитием техногенной цивилизации, а также на установление нового мироустройства. Одно из важных решений, предлагаемых в данной программе, - вынос загрязняющей природу индустрии за пределы биосферы Земли. Основой будущей космотехногенной земной цивилизации, справившейся с глобальными экологическими, ресурсными и социально-политическими вызовами на планете, станет новый мир -ЭкоМир.

Этот совершенный мир, по мнению автора программы инженера А.Э. Юницкого, будет опираться на три главные составляющие, призванные обеспечить весь необходимый комплекс условий для безопасного и устойчивого развития земной цивилизации в обозримом будущем:

• БиоМир - биосфера Земли, свободная от внешнего антропогенного воздействия, восстановленная и естественно эволюционирующая;

• ТехноМир - перевооружённая на Земле на биосферные технологии и вновь созданная в ближнем космосе техносфера, не оказывающая антропогенного угнетающего воздействия на земную биосферу и гораздо более энерго- и ресурсоэффективная;

• ХомоМир - усовершенствованное мировое общественно-политическое устройство, которое охватывает социумы, проживающие на планете и в космосе [1].

Согласно программе «ЭкоМир» ключевым звеном экообновлённой техносферы Земли является экваториальный линейный город (ЭЛГ) - земной компонент геокосмического транспортно-коммуникационного комплекса, на территории которого размещена взлётно-посадочная эстакада общепланетарного транспортного средства (ОТС) со всей инфраструктурой, необходимой для осуществления полётов ОТС и обслуживания глобальных геокосмических грузо-пассажирских перевозок на космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита») и обратно на Землю. ЭЛГ представляет собой гармонично вписанные в природную среду сухопутных и океанических участков планеты поселения кластерного типа, соединённые между собой трассами иМ и размещённые на полосе вдоль экватора [2].

В ЭЛГ предусмотрены:

1) производство натуральных и экологически чистых продуктов питания - доиндустриальных аналогов (когда сельское хозяйство не знало химических удобрений и ядохимикатов);

2) получение «зелёной» электроэнергии и тепла (в южных странах, наоборот, холода) без ущерба для биосферы планеты;

3) строительство экокомфортного жилья, производственных зданий и сооружений;

4) транспортная и энергоинформационная экоориен-тированная инфраструктура.

Указанные условия обеспечат экоориентированные технологические платформы:

• иЭгееп - доиндустриальное органическое земледелие;

• иЕпегду - «зелёная» энергетика, преимущественно реликтовая солнечная биоэнергетика;

• Струнные технологии Юницкого (ЮСТ; англ. - иБТ);

• ЕеоИоиБе - экоориентированное жилое и промышленное строительство [1].

Создание экоориентированной технологической платформы иЕпегду предполагает разработку и использование реликтовой солнечной биоэнергетики и пищевой солнечной биоэнергетики.

Реликтовая солнечная биоэнергетика (РСБЭ) - энергетика, основанная на применении ископаемых бурых углей и сланцев для получения чистой энергии и попутно живого гумуса, необходимого для восстановления плодородия бедных и пустынных земель. РСБЭ будет активировать минеральное богатство древних почв и энергию древнего Солнца, накопленные растениями в периоды мезозоя и кайнозоя и сохранённые в угле.

Пищевая солнечная биоэнергетика (ПСБЭ) - энергетика, основанная на комплексном потреблении и переработке биомассы растений, впитавших энергию Солнца, для получения биотоплива, корма для животных, пищи для человека.

Биотопливо - различные виды горючих продуктов, произведённых из растительного сырья, главными преимуществами которых являются возобновляемость и аккумулирование солнечной энергии. Следовательно, использование биотоплива на транспорте, в промышленности и энергетике не изменит сложившийся природный энергетический баланс планеты.

Ежегодно в биосфере Земли образуются 170-200 млрд тонн растительной биомассы (в пересчёте на сухую массу), что энергетически равнозначно 70-80 млрд тонн нефти [3].

Спирты - экологически чистое топливо, которое практически эквивалентно природному газу и превосходит по своим параметрам топливо, выработанное из нефти, при этом 1 л этанола соответствует приблизительно 0,67 л бензина.

Выращивание определённых видов растений (например, сахарной свёклы) в качестве сырья для производства спирта позволяет получать не только экологически чистое топливо, но и корма для животных, пищу для людей. Урожайность сахарной свёклы может достигать более 100 т/га, что способствует выработке около 10 т спирта.

Мировое потребление жидкого топлива в 2020 г. составило 4,715 млрд тонн. Для того чтобы изготовить 1 млрд тонн спирта (примерно столько сегодня производится бензина в мире), необходимо задействовать 1 млн км2 посевных земель, что в 21 раз меньше площади пустынь на планете, занимающих 21 млн км2 (без учёта полярных пустынь Антарктиды и Арктики). Значит, восстановив плодородие только пустынь, человечество сможет закрыть свою потребность в экологически чистом углеводородном топливе на тысячелетия вперёд и обеспечить питанием миллиарды людей и животных.

Альтернативные источники энергии

Рост производства и населения приводит к увеличению потребления энергии. Причиной поиска и развития альтернативных способов её получения стали происходящие на планете климатические изменения.

На сегодняшний день нужны новые источники энергии, которые обеспечат сырьевую базу, улучшат состояние окружающей среды и повысят уровень жизни населения. Как поступать с отходами, остающимися после переработки традиционных источников энергии, - также сложная задача для индустриальных государств [4].

Нахождение альтернативных источников энергии на возобновляемом сырье является решением многих существующих проблем. Большой интерес в данном случае вызывает биомасса растений, так как у представителей флоры имеется ряд преимуществ перед ископаемыми углеводородами. Создание замкнутого цикла использования энергии и утилизации отходов поможет в вопросе обеспечения энергией, кормом для животных, пищей для человека, органическими удобрениями для растений. Комплексный подход в процессе получения и применения спиртов в качестве топлива (включает выращивание необходимого сырья, производство топлива, переработку отходов спиртового производства) позволяет справиться с поставленными задачами.

Фотосинтез лежит в основе жизнедеятельности растений, которые, поглощая углекислый газ из воздуха и воду из почвы, под воздействием солнечного излучения образуют углеводы - соединения из углерода, кислорода и водорода.

В результате сложных биохимических превращений из углеводов возникает разнообразие органических соединений, входящих в состав растений, - сахара, целлюлоза, крахмал, они могут служить сырьём для производства спиртов.

Процесс фотосинтеза упрощённо представлен формулой (1):

6С02

6Н20

С6Н1206 (глюкоза)

602.

(1)

Из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды под воздействием солнечного излучения образуются молекула углевода и шесть молекул кислорода.

Растения строят клетки и ткани из нескольких основных элементов - углерода, кислорода и водорода; содержание других химических элементов незначительно.

Кроме того, растения имеют нулевой углеродный баланс. После их гибели (в процессе гниения и разложения микроорганизмами) выделяется С02, количество которого соответствует объёму углекислого газа, поглощённого растениями при росте.

Спирты - органические вещества, производные углеводорода (СН), которые включают в себя гидроксильную группу (ОН) и состоят из тех же элементов - углерода, кислорода и водорода. При производстве спиртов из возобновляемого сырья и использовании их в виде топлива также сохраняется нулевой углеродный баланс.

Применение спиртов в качестве топлива

Применение в качестве моторного топлива спиртов, полученных из возобновляемого растительного сырья, обладает множеством преимуществ.

Существенное достоинство - улучшение экологической обстановки. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на спиртах, способствует значительному снижению выбросов основных токсичных компонентов (оксида углерода, несгоревших углеводородов, оксидов азота). Кроме того, КПД двигателя возрастает на 5-10 % по сравнению с двигателем, функционирующим на бензине. Применение спиртов характеризуется минимальной продолжительностью углеродного цикла.

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания наиболее часто используются метанол, этанол и бутанол.

Метанол (метиловый спирт) имеет формулу СН30Н. Представляет собой прозрачную бесцветную жидкость со слабым запахом этанола, легко воспламеняется и обеспечивает бездымное сгорание, ядовит для организма

человека (вплоть до смертельного исхода при попадании внутрь). Метанол отличается повышенной коррозионной активностью по отношению к некоторым конструкционным материалам (например, к алюминию), что требует доработки штатной топливной системы транспортного средства.

Этанол (этиловый спирт) имеет формулу С2Н5ОН. Представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с характерным запахом, легко воспламеняется, гигроскопичен, хорошо растворяется в воде в любых пропорциях (как и метанол), оказывает наркотическое действие на организм человека. В отличие от других спиртов получил наибольшее распространение в качестве моторного топлива.

Бутанол (бутиловый спирт) имеет формулу С4Н9ОН. Представляет собой бесцветную, слегка маслянистую жидкость с заметным сивушным запахом. Известно несколько изомерных форм, в качестве топлива применяется 1-бу-танол СН3(СН2)3ОН. Обладает более высокой, чем у других спиртов, теплотворной способностью, близкой к показателям бензина. Хорошо смешивается с органическими растворителями, однако не очень легко растворяется в воде, образуя 7,6-процентный раствор. У бутанола отсутствует наркотическое действие на организм человека; при попадании на кожу способен вызывать раздражение, а его пары опасны для слизистых оболочек.

Бензин - смесь лёгких углеводородов с диапазоном температур кипения 30-205 °С. Представляет собой бесцветную или едва желтоватую жидкость, легко воспламеняется,

активно испаряется при температуре выше 30 °С, пары этого нефтепродукта образуют взрывоопасную смесь при концентрации 0,8-8 об. %. Оказывает наркотическое действие на организм человека; пары вызывают раздражение слизистых оболочек; негативные последствия могут возникнуть при попадании бензина на кожу.

В таблице 1 сравниваются свойства спиртов и бензина. Из представленных данных видно, что спирты характеризуются меньшей энергией на единицу веса и единицу объёма, чем бензин, но не требуют большего количества воздуха для сгорания. Теплотворные способности топливовоздушных смесей различаются незначительно.

Спирты имеют большую теплоту испарения, у метанола подобный показатель в 3,3 раза выше, чем у бензина. Чем больше теплота испарения топливной смеси, тем больше энергии необходимо заимствовать от деталей двигателя, соприкасающихся с топливом. Данный аспект приводит к снижению температуры горючей смеси перед тактом рабочего хода. Соответственно, намного эффективнее происходит охлаждение особо теплонагруженных деталей двигателя (клапана и поршня). Температура топливной смеси во время такта впуска также более низкая, что способствует увеличению наполнения цилиндров топливной смесью -возникает компрессорный эффект спиртовых смесей. Так, при использовании метанола максимальная температура сгорания спиртовой смеси меньше примерно на 200 °С по сравнению с бензиновой.

Таблица 1 - Свойства спиртов и бензина

Свойства продукта Метанол Этанол Бутанол Бензин

Плотность, кг/м3 792 794 810 725-780

Октановое число, ед. 150 105 96 95

Теплотворная способность, МДж/кг 19,9 26,8 33,7 44

Соотношение воздуха и топлива, кг воздуха / кг топлива 6,42 9 11,1 14,95

Теплота испарения, МДж/кг 1,2 0,92 0,43 0,36

Теплотворная способность топливовоздушной смеси, МДж/кг смеси 2,68 2,68 2,78 2,75

Температура вспышки, °С 6 13 34 -43

Температура самовоспламенения, °С 4 СЭ 422,8 340 255-370

Температура замерзания, °С -97,6 -114,15 -89,8 -70*

Степень опасности воздействия на организм человека, класс 3 4 3 4

Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров в воздухе рабочей зоны, мг/м3 5 1000 10 100

* В зависимости от используемых присадок.

Соотношение воздуха и топлива для спиртов ниже, чем для бензина, поэтому возможно подавать более обогащенную смесь и тем самым увеличивать мощность двигателя. Повышенное количество спирта, попадающего в цилиндры двигателя, оказывает дополнительное охлаждающее действие [5].

В отличие от бензина спирты содержат атом кислорода, содействующий полному сгоранию топливовоздушной смеси, а также уменьшению нагарообразования. При использовании спиртов как компонентов моторного топлива снижаются выбросы монооксида углерода (CO) и окислов азота (NOJ на 5-15 % и выше.

У бензина теплотворная способность на единицу объёма больше, чем у спиртов. Данное свойство повышает расход спиртовых смесей по сравнению с бензиновой: для этанола - 156 %, а для метанола - 209 %0 от расхода бензина. Для того чтобы компенсировать чрезмерное потребление спиртовых смесей, необходимо увеличить объём топливных баков и изменить систему подачи топлива.

Двигатель, работающий на спиртовой смеси, при низких, и особенно при отрицательных, температурах запускается значительно сложнее, чем функционирующий на бензине. Это обусловлено высокой температурой вспышки, худшей по сравнению с бензином испаряемостью спиртов, а также образованием конденсата на электродах свечей.

Топливные смеси

В качестве моторного топлива применяются различные спиртовые смеси. Транспортные средства с гибким выбором топлива - Flexible-fuel vehicle (FFV) - могут использовать несколько видов топливных смесей: бензин, спирт и их комбинации. Топливо, содержащее спирт, имеет буквенно-цифровое обозначение. Буквы указывают на задействованный спирт: E - этанол, M - метанол, B - бута-нол; цифры - на процентное содержание спирта в смеси по объёму (таблица 2).

В разных странах распространены те или иные спирто-бензиновые топливные смеси. Наибольшую популярность получили [6]:

• Е5, ЕЮ - смеси с небольшим содержанием этанола (5 %, 10 %) и минимальным объёмом воды (менее 1 %) (безводный этанол). Активно задействованы в более чем 20 странах. Могут обеспечивать надёжную работу двигателей внутреннего сгорания без модификации топливной системы или двигателя. Одобрены для применения во всех новых автомобилях США, а в некоторых государствах обязательны для использования. Добавка небольшого количества этанола снижает вредные выбросы, повышает октановое число на 2-3 единицы и позволяет удалить вредную оксиге-нерирующую добавку метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).

Таблица 2 - Состав спиртовых топливных смесей

Топливная смесь Бензин, % Безводный этанол, % Водный этанол, % Метанол, % Бутанол, % Топливная присадка, %

E5 95 5

E10 90 10

E15 85 15

hE15 85 15

E20 80 20

E25 75 25

E70 30 70

E75 25 75

E85 15 85

ED95 95 5

E100 100

M85 15 85

М100 100

E85B 85 15

МТБЭ имеет большой спрос среди производителей топлива для увеличения октанового числа и улучшения горения топлива;

• E15 - смесь, состоящая из 15 % этанола и 85 % бензина. В США рассматривается вопрос о применении данной смеси вместо E10 в автомобилях моложе 2000-го года выпуска;

• hE15 - смесь включает 15 % водного этанола и 85 % бензина. Используется в Нидерландах с 2008 г. на государственных АЗС. Приведение этанола в соответствие техническим условиям на безводный этанол (содержание воды менее 1 %) требует значительных дополнительных затрат. В водном этаноле допускается объёмное содержание воды 3,5-4,9 %, которая является ингибитором «сухой» коррозии от воздействия этанола. Впрыск воды снижает общие выбросы CO2 и оказывает положительное влияние на термодинамический КПД двигателя;

• E20, E25 - смеси, содержащие 20 % и 25 % этанола соответственно. Их активное потребление наблюдается с конца 1970-х годов в Бразилии. Бензиновые двигатели всех выпускаемых в Бразилии автомобилей адаптированы для работы с данными смесями. Топливная смесь Е20 распространена в Таиланде, обсуждается её применение в Великобритании, некоторых штатах США;

• E70, E75 - смеси, в составе которых допускается 70 % и 75 % этанола соответственно. Используются в автомобилях FFV в качестве замены E85 в зимний период. Снижение температуры приводит к падению давления паров - при показателе ниже 45 кПа затрудняется воспламенение топлива. При температурах ниже 11 °C увеличение содержания бензина и, соответственно, уменьшение количества этанола облегчает запуск двигателя и сокращает выбросы этанола. E70 используется в США, E75 - в Швеции;

• Е85 - смесь, полученная из 85 % этанола и 15 % бензина. Имеет октановое число, равное 108; является стандартной для заправки транспортных средств FFV. Получила наибольшее распространение в Бразилии и США;

• ED95 - смесь изготовлена из 95 % этанола и 5 % топливной присадки, улучшающей воспламенение. Применяется в дизельных двигателях, модифицированных на более высокую степень сжатия. Присадка гарантирует нормальную работу дизельных двигателей. Данный тип топливной смеси используется в Швеции, Великобритании, Испании, Италии, Бельгии и Норвегии;

• Е100 - это 100 % этанол. Данный спирт гигроскопичен и хорошо поглощает воду. Получение безводного этанола требует дополнительных затрат. Под Е100 подразумевают прямой водный этанол. Азеотропная смесь включает в свой

состав по объёму 96,5 % этанола и 3,5 % воды; содержит максимальную концентрацию этанола, которую можно получить простой фракционной перегонкой [6]. Используется с конца 1970-х годов в Бразилии в качестве моторного топлива для транспортных средств со специально разработанными двигателями. Может применяться в транспортных средствах РРУ. Спецификация ДЫР (Бразилия) определяет максимальную концентрацию воды в этаноле, составляющую 4,9 об. % (примерно 6,1 масс. %);

• М85 - смесь, содержащая 85 % метанола и 15 % бензина. Была распространена в 1980-2005-х годах в штате Калифорния (США). Подходит для заправки транспортных средств РРУ. Использование смеси обсуждается в таких странах, как Индия, Бразилия, Китай;

• М100 - 100 % метанол. Самостоятельное моторное топливо; улучшает характеристику двигателя, увеличивает его мощность и крутящий момент. Транспортные средства РРУ способны работать на чистом метаноле;

• Е85В - смесь, включающая 85 % этанола и 15 % бутано-ла. Длинная углеводородная цепь бутанола делает его похожим больше на бензин, чем на этанол. Двигатель, предназначенный для работы на бензине, может эксплуатироваться на бутаноле без какой-либо модификации.

Технология получения спиртов

Технологии получения спиртов делятся на биохимические (изготовление биоспиртов из возобновляемого растительного сырья) и химические (изготовление синтетических спиртов из минерального сырья).

К возобновляемому растительному сырью, которое может использоваться в процессе получения спиртов, относят все его виды, содержащие углеводы. Способ получения этанола из сельскохозяйственных культур известен с древних времён. Это спиртовое брожение растительного сырья, включающего углеводы (крахмал, глюкозу, фруктозу и др.), под действием ферментов дрожжей и бактерий. Схема процесса брожения выражается формулой (2):

С6Н12О6 (глюкоза) - 2С2Н5ОН (этанол) + 2СО2. (2)

В результате брожения получается раствор, имеющий в своём составе этиловый спирт в концентрации до 15 %. При большей спиртовой концентрации дрожжи обычно гибнут. Произведённый таким способом этиловый спирт нуждается в дальнейшей очистке и концентрировании, обычно это осуществляется с помощью дистилляции.

Для приготовления этилового спирта часто используют сельскохозяйственные культуры со значительным содержанием сахаров или крахмала: сахарный тростник, кукурузу, картофель, зерновые культуры, сахарную свёклу и др.

Современные промышленные технологии позволяют вырабатывать спирты практически из любого сахаро-и крахмалосодержащего растительного сырья. Процесс получения этанола состоит из различных технологических операций:

• подготовка и измельчение сырья;

• ферментация с применением выделенных биоинженерным путём высокоактивных ферментов альфа-амилазы;

• образование чистого этанола на ректификационных колоннах.

Отходами промышленного выпуска спирта являются барда и сивушные масла. Барда может применяться в производстве кормов.

Гидролизный (технический, древесный) этанол синтезируют из сырья, содержащего целлюлозу. Целлюлоза -углевод, полисахарид, имеющий формулу (С6Н10О5)п; представляет собой линейный гомополимер из сотен и даже десятков тысяч остатков й-глюкозы. Глюкозу можно изготовить путём гидролиза целлюлозы (3) в присутствии серной кислоты (НД14):

(С6Н10О5)п (целлюлоза) + пН2О ^ пС6Н12О6 (глюкоза). (3)

Факторы, побудившие к разработке данной технологии: большая скорость прироста биомассы фитопланктона (до 100 т/га морского побережья в год); отсутствие необходимости задействовать плодородные почвы и пресную воду; нет конкуренции с производством пищи; высокий энергетический баланс производства метанола по указанной технологии (достигает семи).

Бутанол можно изготовить из возобновляемого растительного и минерального сырья. Из возобновляемого растительного сырья он вырабатывается в результате биоконверсии, которая проходит с участием бактерий, относящихся к роду Clostridium [3]. Данный процесс известен как ацетоно-бутиловое брожение. Сырьём для получения бутанола, как и для этанола, являются сахаро- и крахмало-содержащие сельскохозяйственные культуры, а также целлюлозосодержащие растения.

Используемый в качестве моторного топлива бутанол обладает лучшими свойствами, чем этанол. Сдерживающие факторы по его применению - более низкий по сравнению с этанолом выход бутанола на 1 кг растительного сырья и, соответственно, его более высокая стоимость. В настоящее время ведутся исследования селекции других штаммов бактерии и разрабатываются новые технологии, позволяющие увеличить выход бутанола [8]. Нарастить масштабы производства бутанола можно достаточно быстро: оно базируется на том же сырье, что и производство этанола, следовательно, допустимо использование существующего оборудования спиртовых заводов.

Серную кислоту необходимо удалить (например, осадив известняком). Этанол получают посредством дрожжевого брожения сахаров, выработанных в результате гидролиза целлюлозы. Тонна древесины даёт до 200 л этанола.

Изначально метанол изготавливали из водного дистиллята, добываемого в процессе сухой перегонки древесины (нагревание древесины без доступа кислорода). Производимый таким способом метанол содержал различные трудноотделимые примеси (в частности, ацетон).

Промышленных масштабов достиг каталитический синтез метанола (синтетический спирт) из оксида углерода и водорода, происходящий под давлением и с применением катализаторов. В настоящее время основное количество метанола производят на основе синтеза природного газа [7].

Перспективное направление получения метанола из возобновляемых ресурсов - выращивание морского фитопланктона, дальнейший биосинтез метанобактериями метана и последующая каталитическая конверсия в метанол.

Выход спиртов из различного сырья

Возобновляемым растительным сырьём для получения спиртов служат различные культуры пищевого и непищевого назначения, содержащие в своей структуре сахара, крахмал и целлюлозу.

Одни растения (сахарный тростник, сахарная свёкла) накапливают в больших количествах сахара; другие (злаковые, картофель, маниок, батат) - крахмал. Сахара и крахмал являются источником энергии для человека и многих животных.

В Бразилии основное сырьё, из которого производят этанол, - сахарный тростник, в США - кукуруза. В Европе для данной цели применяются зерновые культуры, а также сахарная свёкла (её доля в выработке этого спирта составляет более 20 %).

К растительному непищевому сырью, используемому для получения гидролизных спиртов, относятся древесина и различные её отходы, а также остатки после выращивания

и переработки сельскохозяйственных культур [9], ряд многолетних травянистых растений (например, мискантус, урожай которого (15-20 т/га) сохраняется в течение 20 лет и более).

В таблице 3 приведены значения выхода этанола из углеводов. В составе растений имеются различные углеводы (в частности, батат (сладкий картофель) содержит до 30 % крахмала и до 6 % сахаров).

При переработке разного сырья средний выход этанола с гектара посевной площади отличается. В таблице 4 представлены средние значения выхода спирта из различного сырья. Результаты могут отличаться в зависимости от сорта культуры, условий переработки, технологии производства и др

Применение современных инновационных технологий ведения сельского хозяйства позволяет получать высокие урожаи. Так, с гектара посевной площади можно собрать 100 тонн и более сахарной свёклы, что эквивалентно 10 000 л этанола.

Таблица 3 - Выход этанола из 1 кг углеводов

Углеводы, 1 кг Формула Этанол 96 %, л

Крахмал (С6Н10°5)л 0,59

Сахароза С12Н22ОЦ 0,56

Глюкоза (фруктоза) СвНА 0,53

Таблица 4 - Выход этанола из 1 кг пищевого сырья

Сырьё, 1 кг Этанол 96 %, л Углеводы, %

Горох 0,31 49

Гречиха 0,38 60

Картофель 0,1 17

Кукуруза 0,41 65

Овёс 0,38 60

Пшеница 0,38 60

Пшено 0,38 59

Рис 0,48 75

Рожь 0,35 55

Сахарная свёкла 0,098 17,5

Ячмень 0,37 58

Использование сырья и отходов производства спиртов для получения продуктов пищевого и кормового назначения

Важной особенностью производства спиртов является его зависимость от вида и качества сырья, а также значительная материалоёмкость технологии: 60-70 % себестоимости спирта приходится на сырьё. Возникает вопрос рационального использования образующихся вторичных сырьевых ресурсов, что позволяет повысить рентабельность, безопасность производства и экологичность; получить питательные корма, содержащие набор ценных макро-, микро- и ультрамикроэлементов.

При переработке растительного сырья в процессе брожения образуется брага, имеющая сложный состав. Она включает в себя воду, спирт и различные органические и неорганические соединения. На состав и содержание компонентов браги влияет вид используемого сырья, а также его качество, технологии и режимы переработки.

Преобладающий отход производства спиртов -барда. Она остаётся после извлечения из браги спиртов и представляет собой светло-коричневый водный раствор, в котором содержатся питательные вещества. В зависимости от технологии производства на 1 л спирта приходится 10-15 л барды, сухие вещества в ней составляют 5-10 %.

Реализация комплексной ресурсосберегающей технологии производства спирта предполагает различные варианты переработки барды с целью получения белково-углеводных продуктов пищевого и кормового назначения (рисунок 1): пищевой ферментированной клетчатки, кормовых дрожжей, белково-витаминных концентратов, премиксов, сухой барды [10]. Введение их в рацион животных и птиц обеспечивает увеличение мясной продуктивности на 10-15 %, повышение сохранности молодняка, рост надоев у коров и яйценоскости птиц.

Важная составляющая реализации комплексной ресурсосберегающей технологии производства спиртов -растительное сырьё. Растение, применяемое в качестве сырья для производства спиртов, должно обладать высокой урожайностью, содержать большое количество углеводов (сахаров, крахмала или целлюлозы), иметь короткий период созревания, давать возможность использовать все части при комплексной переработке.

Сахарная свёкла идеально подходит по всем указанным критериям. Она отличается высокой урожайностью (100 тонн

Рисунок 1 - Схема комплексной переработки сырья для ресурсосберегающей технологии производства спиртов

и более сахарной свёклы с гектара посевных площадей, что эквивалентно 10 000 л этанола). Её корнеплод содержит до 23 % сахаров. В сентябре, к началу уборки, масса листьев сахарной свёклы составляет 30-100 % от массы корнеплодов. Зелёная масса богата протеином и другими полезными веществами; может направляться на корм скоту.

По питательности не уступает сеяным травам: 5-6 кг зелёной массы соответствуют одной кормовой единице.

В таблице 5 представлен состав различных частей сахарной свёклы. Химический состав и содержание сахаров может значительно изменяться в зависимости от условий выращивания.

Таблица 5 - Состав корнеплодов и листьев сахарной свёклы [11]

Компоненты Содержание в 100 г натурального продукта, г Содержание в 100 г сухого вещества, г

Корнеплод Листья Корнеплод Листья

Сухие вещества 23,6 13,85 100 100

Сахароза 16,5 - 69,91 -

Сырой протеин 1,05 2,41 5 4 17,4

Сырой жир 0,12 0,19 0,51 1,37

Сырая клетчатка 1,16 0,78 4,91 5,63

БЭВ* (кроме сахарозы) 2,92 6,88 12,37 49,67

Зола 0,75 2,75 3,18 19,85

* БЭВ - безазотистые экстрактивные вещества (сахара, крахмал и другие растворимые соединения, используемые организмом на энергетические нужды).

Сахарная свёкла может быть преобразована в сахар, средний выход которого составит 12-13 %. При производстве сахара из свёклы получают побочные продукты (таблица 6).

Таблица 6 - Побочные продукты, % от массы переработанной сахарной свёклы

Сырой свекловичный жом Меласса Фильтрационный осадок

Побочные продукты, % 80-83 5-5,5 10-12

Свекловичный жом (обессахаренная стружка) - основной побочный продукт при получении сахара. Характеризуется высокой питательной ценностью, содержит достаточно много клетчатки, является готовым кормом для крупного рогатого скота. Имеющийся в жоме пектин повышает усвояемость корма. Используется в сыром виде, хорошо силосуется, сушится и гранулируется. В сухом виде 100 кг жома соответствуют 85 кормовым единицам, что приближается к концентрированным кормам.

Меласса - ещё один важный побочный продукт при производстве сахара, похож на сироп тёмно-коричневого цвета. Включает в себя 58-60 % сахаров, значительное количество азотистых веществ, БЭВ и др. Меласса применяется при производстве этанола, дрожжей, комбикормов, служит питательной средой при получении витамина В12; в смеси с другими компонентами направляется на корм скоту.

Фильтрационный осадок образуется после очистки свекловичного сока с помощью извести; имеет влажность 30-50 % (в зависимости от технологии фильтрации). Полезен в качестве удобрений для почвы с повышенной кислотностью, улучшает её структуру. Может задей-ствоваться при производстве строительных материалов (силикатного кирпича, цемента).

Энергетический баланс спиртов

Выработка спирта из возобновляемого растительного сырья состоит из нескольких этапов: посадки и выращивания культур, сбора урожая, подготовки и переработки сырья, утилизации отходов. Указанные шаги требуют соответствующих ресурсов и инфраструктуры. Отношение энергии, полученной при сжигании топлива,

к энергии, затраченной в процессе его производства, известно как энергетический баланс топлива.

Данный показатель является критерием оценки способности биотоплива и спиртов служить, в частности, заменой невозобновляемым источникам энергии. Многочисленные исследования и публикации показывают, что полученные результаты могут сильно различаться и иногда даже иметь противоречивые выводы. На рисунке 2 представлена информация об энергетическом балансе этанола, взятая из различных источников.

Энергетический баланс этанола зависит от вида растительной культуры, из которой производится спирт, эффективности методов ведения сельского хозяйства, урожайности и других факторов (таблица 7). Практика показывает, что даже при одном и том же исходном сырье

энергетический баланс будет отличаться. Причин тому несколько. Различия в изысканиях могут возникать на каждом из этапов: определение системы, инвентаризация жизненного цикла, оценка воздействия, интерпретация и анализ результатов [12].

Таблица 7 - Факторы, влияющие на результаты исследования энергетического баланса спиртов [12]

Фактор Определение системы Инвентаризация жизненного цикла Оценка воздействия Интерпретация и анализ результатов

1 2 3 4 5

Временные рамки +

Географическое положение (климатические факторы) + +

Методы ведения сельского хозяйства +

Механизация +

Тип удобрения (органическое, минеральное) +

Окончание таблицы 7

1 2 3 4 5

Урожайность, выход спиртов с 1 га посевной площади +

Качество сырья + +

Тип сырья (сахар /крахмал /целлюлоза) +

Вид сырья (урожай /отходы) + +

Доставка сырья (расстояние, способ доставки) + +

Характер производственного предприятия + +

Масштаб (коммерческий, пилотный, модельный) + + +

Технология, использование побочных продуктов +

Структура энергетической системы +

Производство электроэнергии +

Потребление электроэнергии +

Качество данных инвентаризации жизненного цикла + +

Надёжность + +

Полнота + +

Характер исследования (пристрастность) + + +

Распределение нагрузки на окружающую среду + +

Метод оценки воздействия + +

Ключевые факторы, влияющие на энергетический баланс спиртов: методы ведения сельского хозяйства; урожайность сельскохозяйственных культур; качество сырья, определяющее выход спиртов с гектара посевной площади; переработка вторичных ресурсов спиртового производства; доставка сырья на переработку.

Заключение

Спирты, задействованные в качестве топлива, обеспечивают ряд существенных преимуществ. Полученные из возобновляемого растительного сырья, они имеют нулевой углеродный баланс, т. е. нейтральны как источник парниковых газов в отличие от продуктов переработки нефти. Спирты обладают положительным энергетическим балансом (количество энергии, получаемой от спиртов, больше, чем затрачивается на их производство). Применение их

в составе моторного топлива снижает выбросы основных токсичных компонентов (оксида углерода, несгоревших углеводородов и оксидов азота), при этом повышается КПД двигателей. Использование спиртов характеризуется минимальной продолжительностью углеродного цикла.

Правильная организация процесса изготовления спиртов (освоение инновационных технологий ведения сельского хозяйства для достижения более высоких урожаев с меньшими энергетическими затратами, внедрение комплексной ресурсосберегающей технологии производства спиртов, сокращение затрат на доставку сырья для переработки) позволит значительно улучшить энергетический баланс получения спиртов.

Все побочные продукты, образованные в процессе выпуска спирта, могут понадобиться для питания земляного (дождевого) червя, а также аэробных и анаэробных микроорганизмов, необходимых для формирования живого гумуса - основы плодородия любых почв. Так, из 100 тонн

сахарной свёклы, выращенной на 1 га, после выработки спирта можно получить ещё до 50 тонн живого гумуса (при дополнительном использовании зелёных листьев свёклы) стоимостью до 50 000 USD (из расчёта до 1000 USD/т), что превышает рыночную стоимость самого спирта, поскольку эффективность гумуса в улучшении плодородия почв больше, чем, например, у природных чернозёмов.

Такой подход к технологии производства спирта делает его биосферным и высокорентабельным. При этом продукт, выделенный из растительного сырья и используемый в качестве топлива, не увеличивает углеродный след в биосфере, так как любые растения на земной суше в процессе естественного биосферного обмена веществ неизбежно преобразуются в гумус (неважно, в почве или через желудки животных, например коров) с выделением углекислого газа приблизительно в тех же количествах, что и при горении спирта.

Освоение альтернативных источников энергии, использующих возобновляемое сырьё, даст возможность решить энергетические и экологические проблемы человечества. Применение растений в производстве биотоплива, в частности спиртов, внедрение комплексных технологий переработки сырья для получения одновременно биотоплива, кормов для животных, пищи для человека и органических удобрений для растений позволит создать замкнутую и биосферно сбалансированную пищевую солнечную биоэнергетику.

Литература

1. Программа «ЭкоМир» [Электронный ресурс]. - 2020. -Режим доступа: http://ecospace.org/images/Program_ EcoSpace_RU.pdf. - Дата доступа: 11.03.2021.

2. Юницкий, А.Э. Экваториальный линейный город как альтернатива концепции «умных городов» /А.Э. Юницкий, С.С. Семёнов // Безракетная индустриализация космоса: проблемы'ы, идеи, проекты!: материалыы/ II между-нар. науч.-техн. конф, Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юниц-кого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 223-229.

3. Гельфанд, Е.Д. Технология биотоплив / Е.Д. Гельфанд. -Архангельск: Север. (Аркт.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова, 2012. - 60 с.

4. Шпагина, А.С. «Зелёная» химия / А.С. Шпагина, Ф.Р. Га-риева // Новые импульсыi развития: вопросыi научных исследований: сб. ст. Vмеждунар. науч.-практ. конф, Саратов, 14 нояб. 2020 г. / Науч. обществ. организация «Цифровая наука». - Саратов: Цифровая наука, 2020. -С. 6-12.

5. Морозов, Г. Спирто-бензиновые топливные смеси [Электронный ресурс]/ Г. Морозов // Катера и яхты. -1984. -№ 107. - Режим доступа: http://www.barque.ru/ship-building/l984/alcohol_gasoline_fuel_mixtures. - Дата доступа: 11.03.2021.

6. Топливные смеси этанола обыкновенные [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.other.wiki/ wiki/Common_ethanol_fuel_mixtures. - Дата доступа: 18.03.2021.

7. Кемалов, Р.А. Технологии получения и применения метанола /Р.А. Кемалов, А.Ф. Кемалов. - Казань: Казан. ун-т, 2016. -167 с.

8. Investigation of Availability of a High Throughput Screening Method for Predicting Butanol Solvent-Producing Ability of Clostridium beijerinckii [Electronic resource] / H. Su [et al]//BMC Microbiology. - 2016. - Vol. 16, No. 1. - Mode of access: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ PMC4957875/#. - Date of access: 13.04.2021.

9. Биоэтанол: технологии получения из возобновляемого растительного сырья и области применения [Электронный ресурс]/П.Е. Матковский [идр.]//Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - № 6 [86]. - Режим доступа: https://www.researchga te. ne t/publica tion/ 236204437_ Bioetanol_tehnologii_polucenia_iz_vozobnovlaemogo_ rastitelnogo_syra_i_oblasti_primenenia. - Дата доступа: 19.04.2021.

10. Комплексная переработка сырья - реальная перспектива повышения рентабельности спиртового производства /В.В. Кононенко [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2017. - № 10. - С. 10-14.

11. Петрушевский, В.В. Производство сахаристых веществ / В.В. Петрушевский, Е.Г. Бондарь, Е.В. Винокурова. - Киев: Урожай, 1989. - 168 с.

12. Gnansounou, E. Energy Balance of Bioethanol: А Synthesis [Electronic resource]/E. Gnansounou, A. Dauriat. - Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/ 37446371_Energy_balance_of_bioethanol_a_synthesis. -Date of access: 22.04.2021.