Перспективные сельскохозяйственные отходы для производства биотоплива

В связи с быстрым ростом населения и индустриализацией существует огромная потребность в этаноле, спрос на который растет с каждым днем во всем мире [1]. Основным топливом, используемым в качестве альтернативы бензину, является биоэтанол. Основным источником сахара, необходимого для производства этанола, являются топливные или энергетические культуры. Эти культуры целенаправленно выращиваются для производства этанола и использования в энергетических целях. Отходы сельскохозяйственного производства все чаще используют для производства биоэтанола [2]. Такой подход в перспективе позволит решать основные задачи в области энергетики. Но на современном уровне развития этого процесса имеется ряд проблем, которые необходимо решать – это транспортировка биомассы, ее дальнейшая обработка, способы и методы предварительной обработки для делигнификации лигноцеллюлозной биомассы.

Лигноцеллюлозная биомасса представляет перспективный источник возобновляемой энергии. Биомасса из лигноцеллюлозы не подходит для использования в качестве источника пищи и может рассматриваться как превосходное вещество для производства биоэтанола [3]. Эти вещества содержат лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозы (таблица). Целлюлозы представляют линейные полимеры глюкозы, а гемицеллюлозы – гетерогенные полимеры молекул глюкозы. Сельскохозяйственная лигноцеллюлозная биомасса содержит 35–50% целлюлозы. Основными веществами этих полисахаридов являются ферментируемые сахара, такие как глюкоза и ксилоза. Предварительная обработка играет важную роль в производстве биотоплива. Точные методы предварительной обработки могут определенно улучшить усвоение ферментируемых сахаров после ферментативного осахаривания, тем самым повышая эффективность всего процесса.

Состав основных видов сельскохозяйственной биомассы

Вид отходов сельскохозяйственных культур	Целлюлоза, %	Гемицеллюлоза, %	Лигнин, %
Пшеничная солома	43	34	22
Соевая шелуха	57	12	18
Рисовая солома	39	21	6
Рисовая шелуха	33	21	19
Жмых подсолнечника	32	18	22
Рапсовая солома	32	16	18
Соевая солома	35	17	21
Кукурузная солома	43	21	8
Солома сорго	32	24	13
Сахарный тростник (багасса)	65 (общее количество углеводов)		18
Ячменная солома	40	30	15
Кокосовая шелуха	25	12	40
Скорлупа арахиса	40	15	26

Цель исследования – проанализировать текущее состояние и перспективные направления производства биотоплива с использованием отходов сельскохозяйственного производства.

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

Материалы и методы исследования

Биотопливо можно разделить на три типа. Они присутствуют в твердом, жидком и газообразном состоянии. В результате преобразования биомассы получают три формы: твердое топливо, например, древесный уголь; жидкое топливо, например, биоэтанол; и газ, например, биогаз (рис. 1).

Рис. 1. Схема основных перспективных видов биотоплива

В условиях развития современных глобальных производственных процессов в целом сельское хозяйство становится все более весомым в области их энергообеспечения. Одним из наиболее значимых направлений является поставка сырьевой массы для производства жидкого биотоплива (этанола и биодизеля) для нужд транспортного сектора (рис. 2).

культуры

- сорго

- тростник

• -    свекла

/^Крахмалистые

Целлюлозное

культуры

- ячмень

- пшеница

- картофель

- маниок

- рожь

V кукуруза

сырье

- тополь

- ива

- просо

- мискантус

культуры

- подсолнечник

• -    рапс

• - ятрофа

• -    арахис

• - соя

- пальма

ПРОИЗВОДСТВО БИОЭТАНОЛА

ПРОИЗВОДСТВО БИОДИЗЕЛЯ

Рис. 2. Схема преобразования сельскохозяйственного сырья в жидкое биотопливо

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

Среди видов биотоплива биоводород – один из самых современных, он находится в газообразном состоянии [4]. Его производство происходит в процессе анаэробной ферментации отходов агропромышленного комплекса с помощью таких групп бактерий, как ацитогенные, метаногенные и водородных. В отличие от этого, жидкие виды биотоплива делят на биодизель и биоэтаноле. Биодизель в настоящее время используется в качестве перспективной альтернативы бензину или дизельному топливу. В последнее время биоэтанол также приобретает все большее значение в связи с текущим энергетическим кризисом во всем мире. Далее рассмотрены эти виды биотоплива.

Результаты исследования

Биогаз образуется естественным путем при использовании органических веществ в анаэробных условиях. Происходит процесс так называемого анаэробного сбраживания сельскохозяйственных отходов, например, таких, как отходы растениеводства, навоз, сточные воды, зеленая масса, некоторые коммунальные отходы. Процесс протекает при помощи различных видов анаэробных бактерий или ферментации. В основном биогаз состоит из метана (CH 4 50–80%) и диоксида углерода (CO 2 15–50%) и может содержать небольшое количество влаги, сероводорода, силоксанов, насыщенных водяных паров и различных типов углеводородов.

Биогаз из сельскохозяйственных отходов. Производство и потребление биогаза из сельскохозяйственных отходов является одним из важнейших элементов энергетической системы на основе возобновляемых источников [5]. Отходы сельскохозяйственного производства культур с высоким содержанием энергии (например, свеклы, кукурузы и пшеницы) – большая перспектива для анаэробного сбраживания.

Целлюлоза – это вещество, которое легко разлагается анаэробным способом до уровня около 80%. В связи с этим набирает обороты выращивание таких культур, как травы с высоким содержанием целлюлозы. Различные виды материалов, такие как пшеничная солома, солома сорго и рисовая солома, являются широкодоступными целлюлозосодержащими отходами для производства биотоплива. Большое внимание необходимо уделить выбору видов и культур, чтобы получить большое количество метана с гектара. Такие важные факторы, как время сбора урожая, тип консервации, предварительная обработка биомассы и сбраживание, играют важную роль в производстве и выходе биотоплива. Подсолнечник и кукуруза – важнейшие энергетические культуры, используемые для сбраживания (рис. 3).

Рис. 3. Схема производства биогаза из сельскохозяйственных отходов

В целлюлозосодержащих культурах может присутствовать большое количество неразлагаемых веществ. Точный выход метана из таких культур может быть определен только после предварительной обработки, поскольку неразлагаемые вещества могут

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

быть удалены в ее процессе. Для получения метана существует несколько видов предварительной обработки, таких как механическая, термическая, кислотная, щелочная, окислительная, а также комбинации предварительной обработки аммиаком и углекислым газом. Особенно для производства метана у кислотной предварительной обработки наибольший потенциал по сравнению с производством этанола. Причина в следующем – метаногены могут удерживать такие соединения, как гидроксиметилфурфурол и фурфурол, в определенной концентрации до тех пор, пока они не адаптируются к условиям. Фруктовые и овощные отходы легко разлагаются и обычно подвергаются совместному сбраживанию с другими видами сырья. Отходы овощей и фруктов можно подвергать совместному сбраживанию с навозом крупного рогатого скота, в этом случае можно получить большое количество летучих жирных кислот [6]. Комбинация жидкого навоза крупного рогатого скота и отходов фруктов и овощей с их долей до 50% в подаче в состоянии обеспечить качественное совместное сбраживание с выходом метана.

Биоводород. Водород – один из жизненно важных элементов, максимально доступен в природе [7]. Однако производство биоводорода из возобновляемых ресурсов остается главной проблемой. Производят биоводород биологическим путем с помощью бактерий, водорослей и архей. Биоводород – один из перспективных видов биотоплива, которое можно получить как из сельскохозяйственных культур, так и из органических отходов. В настоящее время прямая конверсия водорода из солнечного света может дать более высокие гипотетические возможности по сравнению с 0,2– 2,6%-ной эффективностью фотосинтеза в энергетических культурах. Однако техническая и практическая жизнеспособность таких технологий требует их доработки, а расходы на содержание фотобиореактора также станут основной проблемой. Непрямое получение биоводорода заключается в ингибировании кислорода и производстве гидрогеназы из углеводов (рис. 4).

Рис. 4. Схема производства биоводорода из сельскохозяйственных отходов

Биоводород из сельскохозяйственных отходов. Сельскохозяйственные отходы, такие как зеленые листья, кожура фруктов, ореховая скорлупа, солома, патока из семян фруктов и стебли растений, – перспективные возобновляемые источники энергии. Существуют различные технологии производства биоводорода [8]. Их можно разделить

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

на две технологии, такие как фотосинтез (непрямой биофотолиз, прямой биофотолиз и фотоферментация) и темновая ферментация (анаэробная ферментация). Фотосинтез – это светозависимый процесс, в то время как темновая ферментация не требует света и является светонезависимым катаболическим процессом. Существует три типа микроорганизмов, которые способны производить водород – цианобактерии, фотосинтезирующие бактерии (водоросли), а также ферменты микроорганизмов. Что касается фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий, они производят водород, используя свет, в процессе фотосинтеза, а ферменты микроорганизмов производят водород на ацидогенной стадии анаэробного сбраживания. Выход водорода при ферментативных процессах всегда больше, чем при фотосинтетическом способе, и не зависит от наличия света.

Ферментирующие бактерии также используют различные источники углерода, такие как отходы различных отраслей, сельскохозяйственные отходы, органические соединения, нерастворимые целлюлозные материалы, сточные воды и т.д. Этот процесс экономически эффективен, требует меньше энергии, технически прост и стабилен. Цианобактерии разлагают воду непосредственно до водорода и кислорода в присутствии света посредством процесса фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии используют органические материалы, такие как органические кислоты, и превращают их в желаемые продукты. Анаэробные бактерии используют органические вещества в качестве единственного источника энергии и превращают их в водород. Процветающая конверсия органической биомассы в водород в значительной степени зависит от переработки сырья для получения исходного материала, который может быть легко ферментирован микроорганизмами.

Многочисленные органические отходы, такие как твердые отходы, например, рисовая солома, уже продуктивно используются для производства водорода. Большинство экспериментов показали производство значительного количества водорода с использованием ограниченного числа термофильных штаммов. Картофельная кожура также используется для производства водорода.

Методы получения биоводорода из сельскохозяйственных отходов:

• 1.    Прямой биофотолиз – расщепление молекул воды на водород и кислород в присутствии света фотоавтотрофными микроводорослями:

• 2.    Непрямой биофотолиз – получение биоводорода из воды путем водорослевого фотосинтетического преобразования солнечной энергии в водород:

• 3.    Темное брожение – процесс ферментативного преобразования органических субстратов в биоводород микроорганизмами в отсутствие света:

• 4.    Термохимическая газификация – частичное окисление биомассы для получения синтез-газа в восстановительной атмосфере:

2H2O + Свет -> 2H2 + 02(1)

12H2O + Свет -> 12H, + 6O2(2)

Cffl^O. + 2H,0 -> 2CH.C00H + 4Я, + 2C0(3)

С.Н^О, + Н.,0 + О, -» СО + Н, + иные газы(4)

О 1О                                           £\ х

Биодизель. Это еще одно перспективное альтернативное топливо – нетоксичное, возобновляемое, относится к экологически чистым топливам (рис. 5) [9]. Его особенность: полностью состоит из отходов сельскохозяйственного производства,

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

растительного масла или жиров животного происхождения, имеет невысокую опасность для окружающей природной среды и здоровья человека, по сравнению с топливами нефтяного происхождения, поскольку в своем составе не содержит полициклические ароматические углеводороды, выделяет небольшое количество диоксида серы, диоксида и оксида углерода. Обычно дизельные двигатели сталкиваются с проблемами, связанными с наличием триглицеридов, их вязкостью и колебаниями температуры. При использовании растительных масел и их производных двигатели не сталкиваются с проблемами из-за меньшего количества или полного отсутствия триглицеридов. Переэтерификация представляет технологический процесс, в которой триглицериды вступают в реакцию со спиртом в присутствии химического катализатора (кислоты или щелочи) либо биологического катализатора (фермента) для получения сложных эфиров, особенно моноалкиловых эфиров, которые обычно известны как биодизель. Катализаторы могут быть разными, если ацил-акцептор не является аналогичным. Например, гидроксид калия используется в качестве катализатора, когда ацил-акцептором является этанол, тогда как гидроксид натрия выступает в качестве катализатора, когда ацил-акцептором является метанол. Вызвано это проблемами с растворимостью.

Годы

Рис. 5. Мировое производство биодизеля

Биодизель из сельскохозяйственных отходов. Сырьем для производства биодизеля зачастую выступают: масло рисовых отрубей, рапсовое масло, пальмовое, подсолнечное, соевое (рис. 6). Выбор того или иного растительного масла для производства биодизеля полностью зависит от его доступности. Информации об использовании отходов агропромышленного комплекса для производства биодизеля не так много. Однако существует производство биоэтанола с использованием отходов агропромышленного производства, которые могут быть использованы для переэтерификации масел с целью получения моноэтилового эфира жирных кислот, который может быть использован в качестве биодизеля [10].

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

Рис. 6. Схема производства биодизеля из сельскохозяйственных отходов

Биоэтанол из сельскохозяйственных отходов. Биоэтанол – это нетоксичная и не нефтяная жидкость, которая выделяет незначительное количество диоксида углерода и других газов благодаря свободному доступу кислорода. Биоэтанол считается безопасной альтернативой бензину для использования в транспортных средствах в качестве топлива [11]. При его производстве и использовании в окружающую среду не выделяется много углекислого газа. Биоэтанол является производным сырья из возобновляемых ресурсов, как правило, таких растений, как кукуруза, древесина, сахарная свекла, пшеница и солома. Любое растительное сырье содержит большое количество сахаров или веществ, которые легко превращаются в сахар (целлюлозу или крахмал), которые могут быть использованы для получения биоэтанола (рис. 7). Около 60% общего объема производства биоэтанола приходится на сахарный тростник и 40% – на все остальные культуры. В настоящее время среди всего мирового производства биотоплива более 90% приходится на производство биоэтанола. Лидерами по производству биоэтанола являются Бразилия и США, их доля порядка 70%.

Рис. 7. Принципиальная схема производства биоэтанола из сельскохозяйственных отходов

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

На современном этапе развития технологий использование целлюлозной биомассы очень ограничено из-за дорогостоящей предварительной обработки, необходимой для разрушения кристаллической структуры целлюлозы. Биоэтанол также используют в производстве напитков, фармацевтических и косметических препаратов. По сути, этанол является старейшим синтетическим органическим веществом, используемым человечеством. Основным преимуществом технологического процесса производства этанола является то, что для этого используются дешевые и возобновляемые отходы сельскохозяйственного производства, происходит снижение уровня выбросов HO x , NO x , CO x и SO x .

Выводы

За последнее время цены на сырую нефть сильно выросли. Поэтому потребность в производстве биотоплива из биологических отходов все более актуальна. Основными видами биотоплива являются биометан, биогаз, биоводород, биоэтанол и биодизель. Биодизель и биоэтанол используются в качестве альтернативного топлива дизельному топливу и бензину соответственно. Использование современных биотехнологических методов для производства различных видов биотоплива из сельскохозяйственных, промышленных и растительных отходов – перспективное направление. Биотопливо, произведенное с помощью этих современных методов, будет выделять очень малое количество парниковых газов и токсичных загрязняющих веществ, тем самым защищая окружающую среду от загрязнения. Для увеличения производства биоэнергии можно применить такие доступные биотехнологические методы, как расширение ассортимента сырья для биомассы и повышение эффективности преобразования биомассы в биотопливо.