Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив

У статті проаналізовано розвиток біопаливної галузі, зокрема виробництва біоетанолу, у світі загалом і в Україні зокрема. Зазначено, що в Україні біоетанол отримують переважно з меляси. Розглянуто перспективи виробництва біоетанолу другого покоління, який виготовляють з непридатної для харчового с...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Долінський, А.А., Ободович, О.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Статті та огляди
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162507
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив / А.А. Долінський, О.М. Ободович // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 11. — С. 29-37. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-162507
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1625072020-01-11T01:26:36Z Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив Долінський, А.А. Ободович, О.М. Статті та огляди У статті проаналізовано розвиток біопаливної галузі, зокрема виробництва біоетанолу, у світі загалом і в Україні зокрема. Зазначено, що в Україні біоетанол отримують переважно з меляси. Розглянуто перспективи виробництва біоетанолу другого покоління, який виготовляють з непридатної для харчового споживання сировини — лігноцелюлозної біомаси (побічні продукти сільського господарства, відходи лісогосподарської діяльності, муніципальні відходи тощо). З метою зниження енерго- та ресурсовитрат у виробництві біоетанолу з лігноцелюлозної біомаси в Інституті технічної теплофізики НАН України розроблено універсальну тепломасообмінну установку, яка дозволяє одночасно в одному апараті проводити процеси диспергування, розчинення, нагрівання, гідролізу. The development of the biofuel industry, in particular, the production of bioethanol in Ukraine and in the world in general, are analyzed in the paper. It is noted that in Ukraine bioethanol is obtained mainly from molasses. Prospects for the production of second-generation bioethanol, which is made from non-edible raw materials - lignocellulosic biomass (byproducts of agriculture, forestry waste, municipal waste, etc) are considered. To reduce energy and resource consumption in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass, the Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine has developed a multipurpose heat and mass exchange setup that allows simultaneous carrying out of processes of dispersion, dissolution, heating, hydrolysis in one apparatus. 2019 Article Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив / А.А. Долінський, О.М. Ободович // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 11. — С. 29-37. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2019.11.029 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162507 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Долінський, А.А. Ободович, О.М. Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив Вісник НАН України
description	У статті проаналізовано розвиток біопаливної галузі, зокрема виробництва біоетанолу, у світі загалом і в Україні зокрема. Зазначено, що в Україні біоетанол отримують переважно з меляси. Розглянуто перспективи виробництва біоетанолу другого покоління, який виготовляють з непридатної для харчового споживання сировини — лігноцелюлозної біомаси (побічні продукти сільського господарства, відходи лісогосподарської діяльності, муніципальні відходи тощо). З метою зниження енерго- та ресурсовитрат у виробництві біоетанолу з лігноцелюлозної біомаси в Інституті технічної теплофізики НАН України розроблено універсальну тепломасообмінну установку, яка дозволяє одночасно в одному апараті проводити процеси диспергування, розчинення, нагрівання, гідролізу.
format	Article
author	Долінський, А.А. Ободович, О.М.
author_facet	Долінський, А.А. Ободович, О.М.
author_sort	Долінський, А.А.
title	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
title_short	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
title_full	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
title_fullStr	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
title_full_unstemmed	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
title_sort	реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162507
citation_txt	Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив / А.А. Долінський, О.М. Ободович // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 11. — С. 29-37. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT dolínsʹkijaa realíísʹogodennâtaperspektivivirobnictvabíoetanoluâkkomponentasumíševihpaliv AT obodovičom realíísʹogodennâtaperspektivivirobnictvabíoetanoluâkkomponentasumíševihpaliv
first_indexed	2025-07-14T15:02:09Z
last_indexed	2025-07-14T15:02:09Z
_version_	1837635029506719744
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 11 29 СТАТТІ СТАТТІ ТА ОГЛЯДИТА ОГЛЯДИ РЕАЛІЇ СЬОГОДЕННЯ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ВИРОБНИЦТВА БІОЕТАНОЛУ ЯК КОМПОНЕНТА СУМІШЕВИХ ПАЛИВ У статті проаналізовано розвиток біопаливної галузі, зокрема виробництва біоетанолу, у світі загалом і в Україні зокрема. Зазначено, що в Україні біо- етанол отримують переважно з меляси. Розглянуто перспективи вироб- ництва біоетанолу другого покоління, який виготовляють з непридатної для харчового споживання сировини — лігноцелюлозної біомаси (побічні продукти сільського господарства, відходи лісогосподарської діяльності, муніципальні відходи тощо). З метою зниження енерго- та ресурсовитрат у виробництві біоетанолу з лігноцелюлозної біомаси в Інституті техніч- ної теплофізики НАН України розроблено універсальну тепломасообмінну установку, яка дозволяє одночасно в одному апараті проводити процеси диспергування, розчинення, нагрівання, гідролізу. Ключові слова: біоетанол, крохмалевмісна сировина, цукровмісна си- ровина, лігноцелюлозовмісна сировина, ДІВЕ-технологія, універсальна теп ломасообмінна установка. Зараз у всьому світі відбуваються глобальні зміни у структурі виробництва енергії. Ці тенденції вже привели до того, що на сьогодні частка різних видів біопалива в загальному обсязі спо- живання енергії становить близько 14 % (рис. 1). У сільському господарстві 17 % врожаю кукурудзи, 19 % цукрової тростини і 13 % виготовленої рослинної олії спрямовуються на виробни- цтво біопалива. Біопаливо — продукт з високою доданою вар- тістю. Його випуск вирішує відразу кілька завдань, що стоять перед сільгосптоваровиробниками: • дозволяє підвищити загальну рентабельність виробництва; • розширює ринок збуту; • дає можливість ефективно переробляти некондиційну продукцію та відходи сільгоспвиробництва. Виробники біопалива є ефективним каналом впровадження передових наукових розробок та важливою частиною загальної системи підтримки досліджень у галузі біотехнології та енер- гетики. ДОЛІНСЬКИЙ Анатолій Андрійович — академік НАН України, завідувач відділу тепломасообміну в дисперсних системах, почесний директор Інституту технічної теплофізики НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2019.11.029 ОБОДОВИЧ Олександр Миколайович — доктор технічних наук, головний науковий співробітник Інституту технічної теплофізики НАН України 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (11) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ лу та біодизелю. Причому виробництво біоета- нолу є більш перспективним, ніж біодизелю (рис. 2). Світовим лідером з виробництва моторно- го біопалива є Сполучені Штати Америки. Виробляючи майже 15 800 млн галонів (за даними на 2017 р.), США випереджають най- ближчого конкурента — Бразилію більш ніж удвічі (рис. 3). У Бразилії 90 % автомобілів, що випускаються в країні, оснащено двигунами, призначеними для функціонування на етанолі: 3 млн автомобілів їздять тільки на етанолі, а ще 16 млн — на суміші етанолу і бензину. У США 12 % автомобілів працюють або можуть пра- цювати на альтернативному паливі, зокрема на етанолі. Значного поширення у Сполучених Штатах набув так званий газохол — бензин, що містить 10 % спирту. Застосування газохо- лу допускається всіма великими виробниками автомобілів без будь-якої переробки двигуна. Як уже зазначалося, частка біопалива у за- гальному світовому споживанні енергії стано- вить 14 %, але з них лише 4 % припадає на су- часні види біопалива — біоетанол і біодизель, а решта — це традиційні дрова, деревне вугіл- ля тощо. У деяких регіонах світу, наприклад у Центральній Африці, частка традиційного біопалива в загальному енергетичному балансі перевищує 60 %, а в країнах Південно-Східної Азії залишається на рівні 20–25 %. Для порів- няння, частка таких джерел енергії в Європі становить лише 0,3 %, в США — наближається до нуля. Світовим лідером з використання біологіч- них джерел енергії є Швеція. Частка різних ви- дів біопалива в загальному обсязі виробництва енергії становить близько 35 %, з них понад тре- тина припадає на промислове використання. Біоенергетика — великомасштабне вироб- ництво, в якому ключовим фактором є наяв- ність орних земель. У цьому плані Україна має сильну конкурентну позицію. Важливу роль відіграє також розвиток пов'язаних з біоенер- гетикою технологій — мікробіологічні вироб- ництва біоетанолу, технології спільного спа- лювання для використання відходів сільсько- го господарства у виробництві енергії тощо. Це Рис. 1. Структура споживання енергії в світі (за дани- ми World Bioenergy Association, 2016 р.) Рис. 2. Динаміка і прогноз світового виробництва біо- етанолу та біодизелю З точки зору глобального сталого розвитку головна перевага біопалива полягає в тому, що це — поновлюваний ресурс. Крім того, вико- ристання біопалива є нейтральним щодо ви- кидів CO2. На відміну від вітроенергетики, до- даткова інфраструктура, необхідна для вироб- ництва і використання біопалива, мінімальна. Системні переваги біопалива і підтримка цьо- го напряму в багатьох країнах, починаючи з 2000 р., забезпечили швидке зростання у світі виробництва моторного біопалива — біоетано- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 11 31 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ефективний інструмент розвитку цілого клас- тера інноваційних технологій, орієнтованих як на внутрішній, так і на світовий ринки. Основний напрям використання біоетано- лу пов’язаний з отриманням сумішевих палив (етанол + бензин) з високим енерговмістом (табл. 1). Для біоетанолу та сумішевих бензинів на його основі використовують спеціальні по- значення: Е5, Е10, Е85 (Е — від англ. ethanol, цифрові індекси — процентний (в об’ємних частках) вміст біоетанолу в паливі). У світі найбільш поширені суміші Е5, Е10 і Е85, крім того, в Бразилії виробляють і використовують як моторне паливо й чистий біоетанол — Е100 (табл. 2). Паливний етанол — найпопулярніша до- бавка до бензину. Біоетанол як паливо має як Рис. 3. Світове виробництво моторного біопалива (за даними Renewable Fuels Association, 2017 р.), млн га- лонів Таблиця 1. Порівняльні показники енерговмісту різних видів палива Вид палива Енерговміст, МДж/л E100 23,5 E85 25,2 E10 33,7 Бензин автомобільний 34,8 Бензин авіаційний 33,5 Дизельне паливо 38,6 Автомобільне газове паливо 26,8 Таблиця 2. Поширені марки паливних сумішей етанол–бензин [2] Країна Марка Характеристика США Е10 Газохол (10%-ва суміш етано- лу з бензином) Бразилія Е70-Е85 Е25-Е75 Е100 У різних регіонах співвідно- шення етанолу і бензину варі- юються. Суміші з найвищим вмістом етанолу застосову- ють для заправки адаптова- них автомобілів Flex-Fuel Європа Е5 Cуміш з неетильованим бен- зином Е85 Наразі мало поширена очевидні переваги, так і низку серйозних не- доліків. До безперечних переваг біоетанолу нале- жить низька токсичність, практично повна від- сутність CO в продуктах згоряння і біорозкла- дання, можливість підвищення ефективності використання ресурсів сільського господар- ства, зменшення залежності від нафти, посла- блення парникового ефекту тощо. Основними недоліками біоетанолу є вико- ристання харчової сировини, нестабільні вро- жаї деяких рослин — джерел біомаси, низька ефективність ферментувальних мікробів, гіг- роскопічність, підвищені витрати і низька те- плота згоряння етанольного палива (порівняно з нафтовим) [1]. Слід зазначити, що в багатьох наукових центрах світу зараз ведуться активні дослідницькі роботи з метою подолання пе- релічених недоліків використання етилового спирту як палива, а тому можна сподіватися, що найближчим часом цю проблему вдасться вирішити. Сировиною для виробництва біоетанолу є крохмале-, цукро- та лігноцелюлозовмісна сировина. 32 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (11) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ У процесі виробництва біоетанолу з крох- малевмісної сировини насамперед потрібно зруйнувати макромолекулярний ланцюжок крохмалю. При цьому отримують велику кіль- кість глюкозних ланок, які являють собою розчин цукрів і можуть бути перетворені на етанол за допомогою дріжджів. У Північній Америці і Європі як крохмалевмісну сировину переважно використовують кукурудзу і пше- ницю. Крім того, сировиною для виробництва етанолу можуть бути цукрова тростина, буряк, бульби картоплі, топінамбура, маніоки, відхо- ди цукрового виробництва тощо [3]. Одним з найпривабливіших напрямів отри- мання біоетанолу є використання лігноцелю- лозовмісних відходів сільського господарства і деревообробки. У процесі перетворення такої сировини на біоетанол головним завданням є її попередня підготовка до ферментації [4]. Для руйнування міцної структури лігноцелюлоз- ного комплексу і видалення лігніну потрібен частковий або повний гідроліз геміцелюлози і переведення кристалічної целюлози в аморф- ний стан, придатний для подальшої переробки. На початковому етапі гідролізу проводять попередню підготовку (обробку) лігноцелю- лози з метою руйнування структури клітинної стінки деревини для вилучення геміцелюлози і полегшення доступу гідролітичних фермен- тів, а отже, підвищення реакційної здатності целюлози. Передобробка може здійснюватися різними фізичними методами [5]: оброблен- ня γ-променями, потоком електронів, НВЧ- випромінюванням [6], нагрівання, охолоджен- ня, оброблення за підвищеного або зниженого тиску, під дією ультразвукових коливань тощо. Усі відомі способи переробки відходів рос- линної сировини можна розподілити на три групи: механічні (розмелювання), хімічні (кон- версія), біологічні (біоконверсія). В біотехно- логіях ці способи зазвичай поєднують. Сьогодні біоетанол з лігноцелюлозної си- ровини є неконкурентоспроможним на ринку рідкого палива через його високу собівартість. Зниженню собівартості такого біоетанолу може сприяти вдосконалення процесу гідро- лізу і створення економічно ефективного та екологічно чистого виробництва. Економічна ефективність виробництва біо- етанолу залежить насамперед від виду сирови- ни й технологій її підготовки до біоконверсії. Відомі порівняльні економічні розрахунки собівартості біоетанолу із зерна та деревини (виробничі дані). У структурі собівартості ета- Рис. 4. Розміщення заводів з виробництва біоетанолу на території України ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 11 33 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ нолу із зерна витрати на сировину і ферментні препарати становлять 62–70 %. У гідролізно- му виробництві етанолу з відходів переробки деревини витрати на сировину оцінюються у приблизно 12 % його собівартості. Досить велику частку витрат на сировину в першо- му випадку можна пояснити високими ціна- ми на ферментні препарати — витрати на них становлять 5 % повної собівартості продукції, проте процес отримання біоетанолу із зерна характеризується низькими витратами тепло- енергоресурсів. У разі виробництва етилового спирту з деревини найбільші витрати припада- ють на теплоенергоресурси (40 %) та покриття постійних витрат (близько 40 %) [7]. Розвиток виробництва біоетанолу в Україні є актуальним, проте відбувається досить по- вільно. Власний видобуток сировини (нафти і газових конденсатів) забезпечує можливість виробництва лише 20 % від необхідної кількос- ті, решту бензину виробляють з імпортованої нафти або завозять паливо із сусідніх країн. Бензинову залежність України можна істот- но знизити, розвиваючи виробництво і розши- рюючи сфери використання альтернативних видів палива, зокрема біоетанолу. На карті (рис. 4) наведено приблизне розміщення ді- ючих підприємств з виробництва біоетанолу. Зараз в Україні є 12 виробників біоетанолу, з них 9 заводів державної форми власності, які перебувають в оренді у приватних компаній, а 3 заводи — приватні. Зацікавленість інвесто- рів цим видом діяльності з’явилася лише тоді, коли ціна літра бензину на заправках досягла рівня 1,25–1,35 дол. США. Собівартість етано- ловмісних добавок на згаданих вище підпри- ємствах становить 0,7–0,8 дол. США за літр. Змішані з дешевим прямогінним або газокон- денсатним бензином, вони дають змогу отри- мувати бензин марки А-95 з низьким вмістом сірки і ароматичних вуглеводнів. Назви етано- ловмісних добавок, які виробляють ці заводи, переважно є варіантами абревіатури терміна «компонент моторного палива альтернатив- ний»: КМПА, ОМПА, КБПА тощо. На думку заступника директора з наукової роботи Інституту харчової біотехнології та ге- номіки НАН України доктора технічних наук С.П. Циганкова, вживати термін «біоетанол» не варто з таких причин. Згідно з прийнятим національним стандартом, чинним з 1 січ- ня 2011 р., біоетанол має містити не менш як 98,3 % (об.) етанолу і не більш як 0,2 % (об.) води. При цьому біоетанол є підакцизним то- варом, хоча й з нульовою ставкою, і підлягає всім вимогам і правилам регулювання його ви- робництва і обігу: • ліцензія на виробництво; • податковий пост на підприємстві; • супровід перевезення; • особливі вимоги до обліку зберігання; • оформлення банківського векселя в роз- мірі акцизного збору на харчовий спирт (при- близно 5 тис. дол. США за кубометр) при від- вантаженні споживачеві з терміном погашення до 90 днів у разі використання біоетанолу за призначенням. За таких умов усі виробники етаноловміс- них паливних добавок уникають випуску саме біоетанолу відповідно до національного стан- дарту. Вони виробляють етанольну продукцію, яка формально не підпадає під товарну назву «біоетанол», тобто за складом відрізняєть- ся від вимог стандарту. Чотири з перелічених вище заводів продають свою продукцію на- фтотрейдерам з власною мережею заправок. У бензинах марки А-95, які реалізуються на українських АЗС, міститься до 15 % етанолу, яким замінюють більш дорогий метилтретбу- тиловий ефір. У продажу є також види пали- ва, що містять до 40 % етанолу, під власними торговими марками, наприклад «Pulsar-95», «А-95ек», «Ultimate-95». Завод «БіоХімГруп» організував власне виробництво біопалива А-95а з вмістом понад 30 % етанолу і успішно його реалізує. Сировиною для паливного етанолу в Украї- ні поки що майже повністю є меляса — побіч- ний продукт бурякоцукрового виробництва. Це пояснюється тим, що меляса, незважаючи на періодичні цінові сплески, наразі є найде- шевшою сировиною для етаноловмісних доба- вок. Для виробництва 30 тис. т етаноловмісних компонентів за рік використовують 120 тис. т 34 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (11) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ меляси. На жаль, це сировинне джерело з кож- ним роком усе більше вичерпується. У 1991 р. в Україні діяло 192 цукрових заводи, які виро- бляли 5,3 млн т цукру і майже 2 млн т меляси на рік. У минулорічному сезоні 42 працюючих заводи виробили 1,82 млн т цукру. З огляду на те, що меляса є сировиною для виробництва ба- гатьох видів продукції — від хлібопекарських дріжджів до харчових компонентів, потенціал виробництва мелясного біоетанолу навряд чи перевищить 100 тис. т на рік. Отже, як для вітчизняного, так і загалом для світового виробництва біоетанолу, актуаль- ним є розроблення інноваційного енерго- та ресурсоощадного обладнання й технологій пе- реробки лігноцелюлозної сировини (відходів сільськогосподарської та лісотехнічної про- мисловості). Проблеми і труднощі, пов’язані з процесом перероблення лігноцелюлозної сировини в біоетанол, було описане вище. Шляхи їх подо- лання намагаються знайти вчені різних країн світу, в тому числі й науковці НАН України. Зокрема, співробітники Інституту харчової біотехнології та геноміки НАН України під ке- рівництвом доктора технічних наук С.П. Ци- ганкова розробили установку для зневоднення (дегідратації) спиртової пари при виробництві біоетанолу. Наразі в Україні працюють дві такі установки продуктивністю 3000 та 6000 дал на добу за зневодненим продуктом. Вище вже було зазначено, що одним з най- більш технічно і технологічно складних пи- тань виробництва біоетанолу з лігноцелюло- зовмісної сировини є підготовка сировини до гідролізу, тобто процес приготування сусла. Для цього застосовують різні способи конвер- сії: хімічні, фізичні, біологічні та комбіновані, які реалізують за допомогою різноманітного обладнання й технологій. Вчені НАН України поставили собі за мету розробити універсальне, багатофункціональ- не тепломасообмінне обладнання, за допомо- гою якого можна одночасно проводити різні процеси, що сприяють конверсії лігноцелю- лозної сировини, а саме: диспергування, пере- мішування, нагрівання, розчинення, гідроліз, ферментацію тощо. Вирішення поставленого завдання пов’язане із застосуванням методу дискретно-імпульсного введення та трансфор- мації енергії (ДІВЕ) як узагальнювального ме- тоду спрямованого, локального та інтенсивного використання концентрованої енергії в рідких дисперсних середовищах [8]. Ідея ДІВЕ поля- гає в тому, щоб попередньо стаціонарно введе- ну і довільним чином розподілену в робочому об’ємі енергію акумулювати (сконцентрувати) в локальних дискретних точках системи і на- далі імпульсно реалізувати для досягнення не- обхідних теплофізичних ефектів. Мета ДІВЕ полягає в інтенсифікації тепломасообмінних і гідродинамічних процесів у технологічних середовищах, а також у створенні методики їх оптимізації і способів керування ними. Реалізація методу ДІВЕ передбачає ство- рення великої кількості рівномірно розподіле- них у дисперсному середовищі робочих орга- нів чи робочих елементів, які трансформують стаціонарну теплову, механічну або інші види енергії в енергетично потужні імпульси, дис- кретні в часі і просторі. Ударні хвилі, які супро- воджують ці явища, міжфазна турбулентність, мікрокавітація, проникні кумулятивні мікро- струмені, вихори спричинюють на міжфазних поверхнях нестійкості типу Релея–Тейлора або Кельвіна–Гельмгольца, що приводить до інтенсивного дроблення дисперсних вклю- чень, значного збільшення сумарної поверхні контакту фаз і посилення процесів масо- і теп- лопереносу. Подібні ефекти часто недосяжні в разі використання традиційних методів об- робки дисперсних середовищ, навіть за значно більшого рівня питомих енерговитрат. Співробітниками Інституту технічної теп- лофізики (ІТТФ) НАН України накопичено великий досвід з виготовлення різних видів енергоощадного тепломасообмінного облад- нання, що дозволяє їм успішно реалізувати цей метод. Найчастіше його використовують у роторно-пульсаційних апаратах, які широко застосовуються в різних галузях промисловос- ті: харчовій, фармацевтичній, хімічній, мікро- біологічній, в агропромисловому комплексі тощо [9]. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 11 35 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ На думку фахівців, використання такого об- ладнання при приготуванні сусла з лігноцелю- лозної сировини може інтенсифікувати техно- логічний процес, а саме: зменшити тривалість попередньої підготовки, гідролізу та фермента- ції, збільшити кількість редукуючих речовин у суслі, знизити енерговитрати і загалом зроби- ти цю технологію більш економічно привабли- вою. Співробітники ІТТФ НАН України роз- робили універсальний роторно-пульсаційний апарат (РПА), призначений для приготування сусла при виробництві біоетанолу. Схему тех- нологічної лінії наведено на рис. 5. Приготування сусла для виробництва біо- етанолу за запропонованою схемою відбуваєть- ся так. У приймальний бункер 1 подають воду, за необхідності (залежно від виду оброблюва- ної сировини) додають кислоту, луг, фермент- ні препарати та інші інгредієнти. Відкривають двоходовий кран 2 і приготовлений розчин по- дають у роторно-пульсаційний апарат 5, який одночасно є насосом. Потім відкривають три- ходовий кран 7 так, щоб розчин повертався в приймальний бункер 1. За 2–3 цикли прокачу- вання через роторно-пульсаційний апарат всі інгредієнти розчину добре перемішуються. На 3–4-му циклі прокачування вмикають дозатор, який у встановлених пропорціях подає вихід- ну сировину в потік розчину. Змішуючись з потоком, тверда вихідна сировина подається в робочі органи роторно-пульсаційного апара- та (ротор, статор), де відбуваються одночасно процеси диспергування, розчинення, нагріван- ня, гідролізу. Одночасність цих процесів до- сягається завдяки впливу ударних хвиль, між- фазної турбулентності, кавітації та вихорів. Це дозволяє зруйнувати не лише структуру більш слабкого крохмального комплексу (амілоза та амілопектин), а й міцну структуру лігноце- люлози з видаленням лігніну і переведенням кристалічної целюлози в аморфний стан, при- датний для подальшої переробки. Суміш рідкого розчину та перероблюваної сировини циркулює по контуру приймальний бункер 1 — роторно-пульсаційний апарат 5 від кількох хвилин до кількох годин. За цей час у суміші відбуваються процеси диспергуван- ня, перемішування, розчинення, нагрівання. Комплекс таких операцій забезпечує підготов- ку рослинної сировини до гідролізу. Після цьо- го в приймальний бункер 1 подають ферментні препарати і знову в режимі рециркуляції про- водять гідроліз полісахаридів до вуглеводів, які далі зброджуються. Після гідролізу готове сусло подають до збірника готової продукції. Далі біоетанол отримують за класичною схе- Рис. 5. Апаратурно-тех но ло гічна схема приготування сусла в техно- логії біоетанолу: 1 — приймальний бункер; 2 — двоходовий кран; 3 — бункер для подачі сировини; 4 — дозатор; 5 — роторно-пульсаційний апарат; 6 — електродвигун; 7 — триходовий кран; 8 — ректифікаційна колона; 9 — дефлегматор; 10 — збірник готового сусла; 11 — ротаметр; 12 — вакуумметр; 13 — манометр 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (11) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ мою: зародження, брагоректифікація, зневод- нення на молекулярних ситах. Запропонована установка універсальна і до- зволяє отримувати сусло для виробництва біо- етанолу з цукро-, крохмале- та целюлозовміс- ної сировини (рис. 6). Технологічна, енергетична та економічна привабливість такого способу полягає в тому, що процеси диспергування, перемішування, розчинення, нагрівання та гідролізу відбува- ються одночасно з використанням одного виду обладнання. Висновки. Виробництво біоетанолу є секто- ром біопаливної галузі, що наразі розвивається найбільш динамічно. На його частку припадає 85 % світового виробництва біопалив. Най- більші країни-виробники — США і Брази- лія — забезпечують 89 % загальносвітового ви- робництва. В ЄС працює близько 50 заводів з випуску біоетанолу, які забезпечують 10–15 % світового виробництва. Головним напрямом використання біоета- нолу є отримання паливних сумішей (етанол + бензин) з високим енерговмістом. В Україні біоетанол отримують з меляси. Його річне виробництво становить 36 тис. т, що відповідає приблизно 0,7 % світового вироб- ництва. Для виробництва КМПА (компонент моторного палива альтернативний) в 99,85 % випадків використовують біоетанол першого покоління, який виробляють з продовольчої сировини, багатої на цукор або крохмаль. Це спричинює протиріччя між популяризацією біопалива та забезпеченням продовольчої без- пеки, особливо гострою ця проблема є у краї- нах Азії та Африки. Перед світовою наукою та промисловістю постає завдання з розроблення економічно ви- гідної технології та обладнання для виробни- цтва біоетанолу другого покоління, який виго- товляють з непридатної для харчового спожи- вання сировини — лігноцелюлозної біомаси, до якої відносять побічні продукти сільського господарства, відходи лісового господарства, багаторічні трави, муніципальні відходи тощо. Виробництво біоетанолу другого покоління порівняно з біоетанолом з крохмалевмісної сировини наразі залишається енерго- та ре- сурсозатратнішим через особливості струк- тури целюлозовмісної сировини. Поєднання декількох методів обробки целюлозовмісної сировини в процесі попереднього оброблення при підготовці до гідролізу (кислотного або ферментативного) дозволяє збільшити ступінь конверсії біомаси та вихід продукту (біоетано- лу) завдяки зменшенню ступеня кристалічнос- ті целюлозної матриці, розділенню основних компонентів сировини, забезпеченню кращого доступу гідролітичних ферментів (при фер- ментативному гідролізі) до поверхні матеріалу. Незважаючи на те, що комбіновані методи по- передньої обробки в деяких випадках компен- сують енергетичні витрати, пов’язані з етапом помелу, виробництво біоетанолу другого по- Рис. 6. Зовнішній вигляд експериментальної універ- сальної установки для виробництва біоетанолу із за- стосуванням методу ДІВЕ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 11 37 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ коління залишається енерговитратнішим, ніж виробництво біоетанолу з крохмалевмісної сировини. Виходом може стати вдосконалення технології завдяки застосуванню енергоефек- тивного обладнання, що працює за принципом ДІВЕ і дає можливість інтенсифікувати про- цес попередньої підготовки сировини до гідро- лізу без збільшення енерго- та ресурсовитрат. Для зниження енерго- та ресурсовитрат у ви- робництві біоетанолу в ІТТФ НАН України розроблено універсальну тепломасообмінну установку, яка дозволяє одночасно в одному апараті проводити процеси диспергування, розчинення, нагрівання, гідролізу. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Cardona C.A., Sanchez O.J. Fuel Ethanol Production: Process Design Trends and Integration Opportunities. Biore- source Technology. 2007. 98: 2415. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.002 2. Bringezu S., Schutz H., O’Brien M., Kauppi L., Howarth R.W., McNeely J. Towards sustainable production and use of resources: assessing biofuels. United Nations Environment Programme, Washington, DC, 2009. P. 38. 3. Walker G.M. Bioethanol: Science and Technology of Fuel Alcohol. Holstebro: Ventus Publishing ApS, 2010. P. 32. 4. Janick J., Whipkey A. Trends in new crops and new uses. Alexandria: ASHS Press, 2002. P. 17. 5. Budaeva V.V., Mitrofanov R.Yu., Zolotukhin V.N. Investigation of enzymatic hydrolysis of cereal processing waste. Polzunovskiy vestnik. 2008. (3): 322. [Будаева В.В., Митрофанов Р.Ю., Золотоухин В.Н. Исследование ферментативного гидролиза отходов пере- работки злаков. Ползуновский вестник. 2008. № 3. С. 322–327.] 6. Kisurin I.V., Arapov K.A., Gushchin P.A., Ivanov E.V., Vinokurov V.A. Prospects for the use of microwave radiation in the process of conversion of cellulose. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal. 2010. 17(3): 167. [Кисурин И.В., Арапов К.А., Гущин П.А., Иванов Е.В., Винокуров В.А. Перспективы использования микро- волнового излучения в процессе переработки целлюлозосодержащего сырья. Башкирский химический журнал. 2010. Т. 17, № 3. С. 167–173.] 7. Yarotsky S.V., Sushkova V.I., Sineokiy S.P., Lukina G.P. Economic analysis of biobutanol production and its develop- ment prospects. Moscow, 2008. [Яроцкий С.В., Сушкова В.И., Синеокий С.П., Лукина Г.П. Экономический анализ производства биобутанола и перспективы его развития. М.: Деп. в ВИНИТИ 10.04.2008, № 308. 65 с.] 8. Dolinskiy A.A. The principle of discrete-impulse energy input and its use in technological processes. Visnyk of Acad- emy of Sciences of Ukraine. 1984. (1): 39. [Долінський А.А. Принцип дискретно-імпульсного введення енергії та його використання в технологічних процесах. Вісник АН УРСР. 1984. № 1. С. 39–46.] 9. Dolinskiy A.A. et al. Micro- and nano-level processes in the technologies of DIEI. Kyiv: Akademperiodyka, 2015. [Долинский А.А. и др. Микро- и наноуровневые процессы в технологиях ДИВЭ. К.: Академпериодика, 2015.] A.A. Dolinsky, A.N. Obodovych Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv) THE REALITIES OF THE PRESENT AND THE PROSPECTS OF THE PRODUCTION OF BIOETHANOL AS A COMPONENT OF MIXED FUELS The development of the biofuel industry, in particular, the production of bioethanol in Ukraine and in the world in gen- eral, are analyzed in the paper. It is noted that in Ukraine bioethanol is obtained mainly from molasses. Prospects for the production of second-generation bioethanol, which is made from non-edible raw materials - lignocellulosic biomass (by- products of agriculture, forestry waste, municipal waste, etc) are considered. To reduce energy and resource consumption in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass, the Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine has developed a multipurpose heat and mass exchange setup that allows simultaneous carrying out of processes of dispersion, dissolution, heating, hydrolysis in one apparatus. Keywords: bioethanol, starch-containing raw materials, sugar-containing raw materials, lignocellulose-containing raw materials, DIIE- technology, multipurpose heat and mass exchange setup.

Реалії сьогодення та перспективи виробництва біоетанолу як компонента сумішевих палив

Репозитарії

Схожі ресурси