Получение биоэтанола второго поколения из шрота семян бобовых культур

Процесс предварительной обработки является ключевым технологическим этапом биоконверсии лигноцеллюлозы в биотопливо. На сегодняшний день наиболее распространенными методами предобработки лигноцеллюлозного сырья для производства этанола является измельчение, обработка паром, разрушение лигноцеллюлозы аммиаком, обработка сырья с применением сверхкритического углекислого газа, щелочной гидролиз, предварительная обработка горячей водой, органосольвентные процессы, влажное окисление, озонолиз, гидролиз разбавленными и концентрированными кислотами [1]. Основными недостатками указанных методов предварительной обработки являются большой расход энергоресурсов, дорогостоящих и довольно агрессивных реагентов, что в свою очередь приводит к формированию в реакционной среде различных типов ингибиторов, таких как карбоновые кислоты, фураны и фенольные соединения. Эти вещества подавляют рост микроорганизмов - продуцентов этилового спирта, результатом чего может стать снижение выхода целевого продукта [1-4].

Биоконверсия линглоцеллюлозной биомассы в биоэтанол является приоритетной областью научных исследований. Лигноцеллюлозный этанол производится из недорогого и широкодоступного сырья, которое может снизить зависимость от ископаемого топлива. Использование биоэтанола в качестве топлива способствует снижению загрязнений окружающей среды, поскольку выбросы CO2 при сжигании биоэтанола равны объему CO2, которое растения поглощают из атмосферы во время фотосинтеза. Этанол в качестве биотоплива позволяет снизить в бензине содержание ароматических углеводородов, повысить октановое число. Кроме того, развитие биотопливной промышленности в мире становится экономически выгодным при растущих мировых ценах на углеводородное сырье [2].

Основные варианты применения биоэтанола в качестве топлива:

• •    как добавка к бензину от 5 до 15% для использования в

обыкновенных бензиновых двигателях.

• •    в виде смесей с содержанием этанола до 85% для использования в

автомобилях с двигателями с универсальным потреблением топлива.

• •    для синтеза этилтретбутилового эфира - высокооктанового

компонента бензина [1,3].

По мнению ряда ученых [1-4], среди всех видов биотоплив наибольший потенциал имеет биоэтанол. Перспективность использования его как экологически чистого топлива, а также как сырья для химической промышленности, способствовала резкому увеличению в ряде стран финансовых затрат на соответствующие программы. Уже более половины этанола, производимого в мире, используется в качестве добавки к топливу (бензину) для двигателей внутреннего сгорания и лишь около 15% - для производства спиртных напитков. В настоящее время производство биоэтанола является наиболее динамично развивающимся сектором биотопливной отрасли.

Согласно оценкам экспертов, к 2030 году выпуск биотоплива в мире составит 150 млн т при ежегодном приросте производства 7-9%. При этом преимущество будет иметь биоэтанол, т.к. себестоимость его производства снижается быстрее, чем себестоимость производства биодизеля [1]. Для производства целлюлозного этанола, который является одним из наиболее многообещающих источников «чистой и дешевой энергии», возможно, в принципе, использовать самое разнообразное сырье (например, жмыхи, солому, шелуху и т.д.), что в свою очередь позволяет избежать дилеммы «топливо против пищи», которая являлась серьезной проблемой при производстве биоэтанола первого поколения из пищевого сырья.

Были проведены эксперименты по получению биоэтанола, в которых использовалось дополнительное осахаривание (нагрев и выдерживание реакционной среды) лигноцеллюлозного сырья и эксперименты без указанной стадии.

В представленной работе для получения биоэтанола использован шрот семян бобовых, который остался после ультразвуковой экстракции белковых комплексов и крахмалов. После обработки ультразвуком в растительной биомассе, остающейся после извлечения целевых компонентов, появляются четко выраженные изменения в структуре биоматериала, что и озволяет использовать данные растительные отходы для получения биотоплив. При получении биоэтанола с дополнительной стадией осахаривания можно отметить, что через 4 ч осахаривания (для шрота зеленого гороха) и через 6 ч (для шрота желтого гороха) происходит увеличение концентрации редуцирующих веществ, а затем до происходит их накопление в среде до 18 (для шрота зеленого гороха) и 20 ч (для шрота желтого гороха). Максимальная концентрация редуцирующих веществ была отмечена в экспериментах со шротом зеленого гороха в среде с исходной концентрацией субстрата 80 г/л. При выполнении экспериментов с использованием стадии осахаривания удалось получить бражку с содержанием этанола 1,8±0,05 об %.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-08-00336.