Биотопливо.
Реальность. Перспективы.
Весь мир, в том числе и Россия, должен в будущем году, а возможно, и в последующие годы быть готов к продолжительному подъему цен на продовольствие. Во всяком случае, вплоть до 2011 года миру угрожает рост цен на зерно, молочную продукцию, растительные масла и ряд других видов продовольствия. После этой даты можно считаться со стабилизацией и даже некоторым снижением цен на продовольствие. Эту точку зрения высказал недавно в интервью германской экономической и финансовой газете Handelsblatt секретарь зерновой группы Организации по продовольствию и сельскому хозяйству при ООН (FAO) Абдолреза Абассиан. Например, пшеница в 2007 году подорожала по сравнению с предыдущим годом на 80%, а цены на молочные продукты достигли своего исторического пика, увеличившись на 200%. Последнее связано с удорожанием кормов, что приводит к повсеместному росту цен на мясо и птицу. Подобная ситуация привела к резкому обострению проблемы питания прежде всего среди малообеспеченных слоев населения по всему миру. По данным ООН, сейчас на земном шаре недоедают примерно 854 млн. человек.
В основе сложившейся ситуации несколько факторов. Негативное влияние на ситуацию с продовольствием оказывает производство биотоплива из растительного сырья. В Европе в качестве основных сельскохозяйственных культур для этого используются рапс, кукуруза, пшеница, сахарная свекла. Ряд экспертов, таких как немец Удо Реттберг из Франкфурта-на-Майне, даже считают, что решающий толчок к росту цен на сельскохозяйственную продукцию дает производство биотоплива. Зависимость роста производства биотоплива и цен на сельскохозяйственное сырье однозначна. Так, если за 2006 год потребление биодизеля в Германии возросло на 40%, то цена рапсового масла за этот период подскочила на 37%. Как отмечает в этой связи специальный уполномоченный ООН по проблемам права на продовольствие Жан Циглер, безответственным является производство биотоплива, если оно приводит к росту цен на основные продукты питания. Однако, по мнению таких экспертов, как Джеффри Карри из финансовой корпорации Goldman Sachs, именно рост цен на нефть делает производство альтернативной энергии из биомассы таким привлекательным, что все большие сельскохозяйственные площади отдаются под производство энергетических растений, а не продовольственных культур.
.. В России источниками биомассы для производства биотоплива могут стать прежде всего леса (запас древесины составляет, по некоторым данным, 76,3 млрд. куб. м). При этом спелых и перестойных – 42,6 млрд. куб. м. Кроме древесины сырьевой базой могут быть и отходы переработки древесины, и отходы промышленные и сельскохозяйственные: навоз, сапорель, солома, лигнин, содержимое бытовых свалок, илы оросительных станций и канализации.
Биотопливо - это не что иное, как метиловый эфир, обладающий свойствами горючего материала.
Процесс получения биотоплива из рапсового масла представлен на рис.1. Как известно, молекулы жира состоят из так называемых триглицеридов: соединений трехвалентного спирта глицерина с тремя жирными кислотами. Для получения метилового эфира необходимо к девяти массовым частям растительного масла добавить одну массовую единицу метанола, а также небольшое количество щелочного катализатора. Ингридиенты перемешивают в специальных реакторах при воздействии температуры 50-80°С и нормальном атмосферном давлении. После отстоя и охлаждения жидкость расслаивается на фракции: глицерин (тяжелая) и метиловый эфир (легкая). Эти два продукта образуются в результате химической реакции этерификации или эфиризации. Побочный продукт глицерин можно использовать в фармацевтике и лакокрасочной промышленности.
Метиловый эфир обладает хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом, которое равно 56-58% и определяется содержанием цетана (С16Н34) в его составе. В минеральном дизтопливе доля цетана составляет 50-52%. Чем больше цетановое число, тем быстрее топливо воспламеняется, что позволяет легче запустить двигатель, что особенно актуально для зимнего периода. Двигатель работает с меньшим уровнем шума и меньше изнашивается. Благодаря такому свойству метиловый эфир, получаемый из растительных масел и жиров, и был назван биодизелем, так как по своему молекулярному составу почти идентичен минеральному дизельному топливу.
Плотность биодизеля при температуре150С равна 0,875-0,890 г/мл. Кинематическая вязкость дизтоплива при температуре 40° C составляет 4,5 мм2/с, а для биодизеля - 3,5-5,0 мм2/с. При этом он легче фильтруется через очистительные фильтры, его текучесть лучше, но более вязкое топливо обладает лучшими герметизирующими свойства.
Есть еще один способ получения биотоплива из растительного сырья, приводящий к снижению вредных выбросов в атмосферу с одновременной экономией углеводородного топлива – бензина. Суть его состоит в добавлении в бензин биоэтанола – этилового спирта, который можно получать как из растительного сырья, так и из зелени древесины. В США в настоящее время производится порядка 60 миллиардов литров биоэтанола, являющегося побочным продуктом глубокой переработки зерна кукурузы. К 2012 году эту цифру планируется удвоить, на что фермерам будет выделено 7 млрд. долларов.
Добавка этанола в бензин удешевляет его, а выхлопные газы становятся практически безвредными. В настоящее время соотношение бензина и этанола: 90 и 10% или 85 и 15%. Для существенного снижения стоимости бензина это соотношение необходимо довести до 80 и 20%. То есть, экономия бензина может составить 20% при серьезном экологическом эффекте. Этанол можно получать из картофеля, ржи, ячменя, рапса, шишек и зелёной хвои пихты, сосны, ели, лиственницы, кедра.
Как же связан процесс получения этилового спирта, прежде всего из зелени и шишек хвои пихты, сосны, ели, лиственницы, кедра.
Огромную роль в этом играет дыхание растений.
Дыхание - важнейший физиологический процесс, в результате которого происходит выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности растительного организма. При дыхании поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Установлено, что дыхание животных и растений протекает однотипно, несмотря на отсутствие у растений специальных органов дыхания.
Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода клетками и тканями растений и осуществляется при участии различных ферментов. Вначале сложные органические вещества (белки, жиры, углеводы) под действием ферментов распадаются на более простые, которые при участии кислорода расщепляются до конца, т.е. до образования углекислого газа и воды. При этом освобождается энергия, которая используется растением (а также любым живым организмом) на процессы жизнедеятельности: поглощение из почвы воды и минеральных веществ, их передвижение, рост, развитие, размножение.
Дыхание, подобно другим процессам жизнедеятельности, зависит от факторов среды: температуры, влажности, содержания кислорода, степени освещенности и др. Для протекания процессов дыхания требуются определенные температурные условия, причем они разные у каждого вида растений и его органов. У большинства растений для дыхания наиболее благоприятна температура 25 - 30°С. У некоторых видов растений дыхание происходит и при отрицательных температурах, хотя этот процесс протекает очень слабо. Например, почки лиственных и иглы хвойных деревьев дышат и при температуре - 20 - 25°С. У арктических растений даже при низких температурах интенсивность дыхания высокая.
Интенсивность дыхания растений зависит от содержания воды в клетках. Чем меньше воды в клетках, тем слабее идет в них дыхание. Очень слабо дышат сухие семена. С увеличением влажности дыхание семян возрастает в сотни и тысячи раз.
Сам же процесс дыхания представляет собой сложную много¬звенную систему сопряженных окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых имеет место изменение химической при¬роды органических соединений и использование содержащейся в них энергии.
Ферментативные реакции, обеспечивающие биосинтез белков, нуклеиновых кислот, других полимеров и их различных производ¬ных, называют анаболическими, в противоположность катаболическим, содержанием которых является разрушение, распад органи¬ческих соединений.
Совокупность ферментативных реакций, с помощью которых осуществляется процесс дыхания, относится к категории катаболических.
Растительная клетка использует в качестве дыхательного ма¬териала самые разнообразные органические вещества, окислитель¬но-восстановительные превращения которых осуществляются с участием весьма сложного комплекса каталитических механиз¬мов: ферментов, активирующих водород; ферментов, активирую¬щих кислород; ферментов, выполняющих роль промежуточных ме¬диаторов (или переносчиков электронов); и вспомогательных фер¬ментов. Таким образом, сложная цепь сопряженных окислительно-восстановительных процессов представляет собой многозвенное строго отрегулированное сочетание ферментативных систем раз¬личной природы, осуществляющих различные функции. Большой набор ферментативных систем, участвующих в акте дыхания, обе¬спечивает широкие адаптивные возможности растительного орга¬низма к постоянно меняющимся условиям внешней среды (тем¬пература, влажность, освещенность, концентрация кислорода и др.). С помощью каталитических систем дыхания запасы сво¬бодной энергии, содержащиеся в молекуле органического веще¬ства, являющегося дыхательным субстратом, превращаются в мо¬бильную форму, легко используемую в любых процессах, связан¬ных с потреблением энергии.
Дыхание меристематических тканей растений отличается рядом своеобразных особенностей. Это впервые показали Рулянд и Рамсгорн (1938), изучая дыхательный газообмен различных меристем (кончики корней бобов, камбий сирени и липы). Эти ученые обнаружили, что этим тканям свойст¬венно аэробное брожение, т. е. наряду с кислородным дыха¬нием в них осуществляется процесс спиртового брожения. Оказалось, что в камбии и кончиках корней содержится не¬большое количество этилового спирта и уксусного альдегида. Дыхательный коэффициент(ДК) этих тканей оказался повышен¬ным и иногда достигал нескольких единиц
Увеличение меристематической активности (ускорение клеточных делений), что достигалось в исследованиях Рулян-да и Рамсгорна воздействием гетероауксина, приводит к еще более высоким величинам ДК, обусловленным снижением по¬глощения кислорода. Одновременно при применении стиму¬лятора увеличивается накопление продуктов спиртового бро¬жения.
Анализируя эти материалы можно прийти к выводу, что технологию получения этилового спирта, наряду с традиционно применяемыми на спиртовых заводах, можно применить и при переработке зелени и шишек хвойных растений.
При этом, кроме производства биоэтанола, можно вырабатывать пихтовое, сосновое, еловое масла.
Есть еще область, где с успехом может быть использовано эфирные пихтовое, сосновое, еловые масла – это производство пластичных смазочных материалов, что делает такие смазки значительно экологичнее. Сейчас уже в качестве дисперсионной среды взамен минерального масла используется рапсовое масло. Организация производства пластичных смазок на основе пихтового, соснового, елового масел позволит России значительно сократить ввоз пластичных смазок необходимых для промышленного и сельскохозяйственного производства, транспорта, а часть их экспортировать.
Полученную органическую массу, после выработки эфирных масел, и этилового спирта можно использовать, как белковую добавку на корм животным.
Но можно пойти и по другому направлению.
Это вермикультивирование (то есть, получение биогумуса с помощью дождевых червей). Установлено, что внесение в почву 6 т/га биогумуса по своему влиянию на урожайность равноценно внесению торфонавозного компоста в количестве 60 т/га!
Дождевые черви перерабатывают органику гораздо быстрее и более полно, чем почвенные микроорганизмы в процессе компостирования. Поглощая вместе с почвой огромное количество растительных остатков, простейших нематод, микробов, грибов и водорослей, дождевые черви переваривают их. Вместе с копролитами (это кучки земли, выделяемые кишечником червей) черви образуют большое количество гумуса, собственной микрофлоры, аминокислот, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ, которые подавляют болезнетворную микрофлору почвы. При этом переработанная червями органическая масса теряет запах, обеззараживается и нейтрализуется, приобретает форму гранул и приятный запах земли.
Получаемое при помощи дождевых червей высокоэффективное натуральное органическое удобрение - это гарантия обильного урожая и выращивания экологически чистых продуктов. За сутки дикий дождевой червь пропускает через свой желудок количество почвы, равноценное его весу (в культуре дождевой червь съедает в два раза больше).
Во многих развитых странах эта биотехнология привлекает не только фермеров, но и городских жителей. Так, трава на красивых лужайках, которые мы видим в зарубежных фильмах, «питается» биогумусом, вырабатываемым червями. Очень интересны также результаты сельскохозяйственного производства в Саудовской Аравии, где практически нет земель, пригодных для сельского хозяйства. Тем не менее, с 1987 по 1990 гг. эта страна экспортировала более 8543 тонн пшеницы. Кроме зерна она ежегодно экспортирует в страны Персидского залива свежее коровье молоко (около 30 000 тонн) и вытеснила с этого рынка европейское молоко. Пшеницу и корма здесь выращивают в теплицах, используя для этого биогумус, привезенный из Европы. Большое поголовье крупного рогатого скота в этой стране дает огромную массу коровьего подстилочного навоза, на его основе налажено производство биогумуса. Применение биогумуса повысило урожайность пшеницы, которая составляет около 300 ц/га, а кормов - 280 ц/га в год (в пересчете на кормовые единицы). Можно привести немало примеров внедрения данной биотехнологии в Европе, а также в странах Восточной Азии и Америки, где давно поняли ее экономическую выгоду и безопасность.
Имея огромные сырьевые запасы хвойных лесов, в качестве источника биомассы для производства биотоплива, производства пластичных смазочных материалов, биогумуса, а также лекарственных средств, мы, в то же время, не имеем совершенной технологии и оборудования для переработки данного сырья.
Я, как изобретатель, готов присоединиться к решению данных задач.
Введение некоторых конструктивных изменений в разработанную мною «Передвижную, автономную установку для выработки смолистых веществ, эфирных масел …» позволит осуществлять большинство стадий технологического процесса производства этилового спирта, эфирных масел, биогумуса. См.
http://blogs.mail.ru/list/user-05/[вложение удалено Администратором]
Автор
Тема: Биотопливо. Реальность и перспективы. (Прочитано 4771 раз)