Русский   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Біопаливо – це альтернативний вид палива, який отримують в результаті переробки продуктів життєдіяльності організмів, або органічних промислових відходів.

Біопаливо, як правило, ділиться на первинне (необроблене) і вторинне (оброблене). Первинне біопаливо представляє собою органічний матеріал, який використовується в своїй природній формі (деревина, гранули, брикети). Вторинне біопаливо можна умовно розділити на три покоління (на основі різних параметрів, типу технології обробки вихідної сировини та ін.); проводиться шляхом переробки біомаси рослин і використовується на транспортних засобах, різних промислових процесах [1].

1. Актуальність теми

Пошук нових альтернативних джерел палива є актуальною темою для всього світу.

В даний час існують паливно-енергетичні та екологічні проблеми, такі як вугілля, нафта і природний газ. Пов’язано це з нестачею і подорожчанням викопних енергетичних ресурсів. Підвищення цін на нафту і нафтопродукти, а також виснаження природних джерел палива стали причиною активного розвитку наукових досліджень у напрямку пошуку та розробки альтернативних технологій [2]. На сьогоднішній день не викликає сумнівів той факт, що біопаливо, яке отримують з відновлюваної сировини, сільськогосподарських відходів і відходів промисловості, може стати вирішенням енергетичних проблем. Вже у багатьох провідних країнах світу (США, Бразилія, Німеччина, Японія, Китай, Франція та ін.) освоєно промислове виробництво екологічно чистого біопалива, сировиною для одержання якого є рослинна і мікробна біомаса, відходи різних виробництв [3].

Останнім часом енергетичному використанню біомаси приділяється особлива увага, так як за умови її безперервного відновлення не відбувається збільшення в атмосфері концентрації СО2. Крім того, у багатьох країнах світу, при загальній насиченості їх продовольчих ринків, є величезні надлишки оброблюваних земель, частина з яких вже з успіхом використовується під оброблення энергокультур. В найближчому майбутньому всі надлишки оброблених земель планується зайняти енергоплантаціями. Так, наприклад, у Німеччині вирощування біомаси на різних типах энергоплантацій передбачається здійснювати до 2030 року на площі 2,0–4,3 млн. га, а к 2050-му – на площі 4,2–6,1 млн. га з 17,3 млн. га використовуються в даний час в сільсько-господарському виробництві [1].

Починаючи з кінця минулого тисячоліття, у всьому світі проявляється активний інтерес до біомаси як до джерела енергії. Існує ряд причин, які підштовхують промисловість до використання біомаси в паливній індустрії:

  1. стійкий розвиток: джерело чистої та відновлюваної енергії;
  2. універсальність застосування: енергетика, теплопостачання, транспорт;
  3. енергетична безпека: диверсифікація джерел енергії, регіональні джерела;
  4. охорона навколишнього середовища: зниження викидів парникових газів, деградації землі, впливу джерел, що ведуть до зміни клімату.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є пошук шляхів отримання різних видів біопалива на базі рослинної сировини і відходів органічного походження.

Основні задачі дослідження:

  1. розробити експериментальну установку для отримання біопалива на базі рослинної сировини і відходів органічного походження;
  2. вибір вихідної сировини для проведення процесу отримання біопалива;
  3. розробка математичної моделі отримання біопалива на основі рослинної сировини і відходів органічного походження.

Об’єкт дослідження: рослинна сировина і відходи органічного походження.

Предмет дослідження: можливість отримання біопалива на базі рослинної сировини і відходів органічного походження.

Заплановані результати:

  1. створення установки;
  2. дослідження динаміки росту культури мікроводорості;
  3. отримання достатньої кількості ліпідної фази для подальшого отримання біодизеля.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Тверде біопаливо

Найбільш давній видпалива у людства – дрова, які використовується сьогодні в основному як побічний продукт лісокористування, обсяги спеціальної заготовки дров для індивідуального опалення помешкань в світі швидко знижуються. Відходи від заготівлі та переробки деревини у вигляді обрізків, сучків, тирси, кори складають значну масу палива. З урахуванням тонкомірної та некондиційної деревини, порубкових залишків при лісозаготівлях, відходів лісопиляння та деревообробки, обсяги такого палива становлять понад 50 % обсягів лісозаготівель.

Сьогодні ресурси біомаси, в тому числі вторинні, використовуються не більше ніж на 5 % [4]. Щорічно в Росії заготовлюється близько 140 млн м3 деревини від рубок основного користування. При цьому більше половини обсягів лісозаготівлі та деревопереробки припадає на відходи. У найближчі п’ять-сім років обсяг лісозаготівель може зрости до 200 млн м3. При проведенні рубок догляду за лісом до 60 % деревини є низькоякісної, що не має товарної цінності. Загальний обсяг утворюються відходів і низькосортної деревини становить не менше 40–45 млн м3 на рік або не менше 10–12 млн т. у. т. (тонн умовного палива) на рік [5]. Практично 80 % деревних відходів лісозаготівель залишається невикористаними. Деревна біомаса в лісі, а також біовідходи переробних підприємств створюють ризик виникнення пожеж, розмноження шкідників лісу, а також є джерелом парникових газів. Щорічно емісія метану від відходів біомаси становить 7–8 млн т і порівнянна з потужністю основних наземних біогенних джерел [6].

3.2 Рідке біопаливо

Речовина, що отримується в процесі переробки рослинної сировини (кукурудзи, рапсу,цукрової тростини і ін.), відходів деревообробки засобами технологій, в основі яких лежить використання природних біологічних процесів (наприклад, бродіння) називається рідким біопаливом. Основне застосування рідкого біопалива – двигуни. Рідке біопаливо підрозділяється на біоетанол, біодизель, біобутанол та ін. [7].

До цього виду біопалива відноситься в першу чергу біоетанол С2Н5ОН – етиловий спирт. Найбільш поширеними видами сировини для виробництва етанолу є відходи цукрового виробництва: багаса або меляса (цукровий буряк), а також крохмаль кукурудзи, сорго, картоплі, пшениці і рису [4].

Паливний біоетанол отримують зброджуванням цукрів із застосуванням технології виробництва харчового етанолу, але без додаткових стадій очищення. Світове виробництво біоетанолу становить близько 40 млрд літрів, з яких 45 % припадає на Бразилію і 44,7 % – на США [1]. На сьогоднішній день біоетанол не є повноцінним замінником бензину. В основному використовується суміш палива, яке містить 10 % етанолу та 90 % бензину (стандарт Е10) [6]. Значно рідше зустрічається паливо з більш високим вмістом етанолу – Е85. Основними недоліками етанолу як палива є його невисока теплотворна здатність (на 37 % менше, ніж у бензину), що призводить до більш високих витрат. Другий недолік – висока здатність до поглинання води.

Біодизель – біопаливо на основі рослинних або тваринних жирів (масел), а також продуктів їх етерифікації. Сировиною для виробництва біодизеля служать жирні, рідше – ефірні олії різних рослин або водоростей: в Європі – ріпак; США – соя; Канаді – канола (різновид ріпаку); в Індонезії, на Філіппінах – пальмова і кокосова олія; в Індії – ятрофа; Бразилії – касторове масло; Африці – соя, ятрофа. Також застосовуються використане рослинне масло, тваринні жири, риб’ячий жир [2].

Біодизельне паливо має ті ж характеристики, що і звичайні дизельні масла. Служить джерелом палива в дизельних двигунах внутрішнього згоряння. Швидкий піроліз дозволяє перетворити біомасу в рідину, яку легше і дешевше транспортувати, зберігати і використовувати.

Найбільш перспективним джерелом сировини для виробництва біодизелю є мікроводорості. За оцінками експертів, з одного акра (4047 м2 ~ 0,4 га) землі можна отримати 255 літрів соєвого масла або 2400 літрів пальмової олії [8]. З такої ж площі водної поверхні можна виробляти до 3570 барелів біонафти (1 барель = 159 літрів) [9]. Основні переваги: при роботі двигуна на біодизелі одночасно проводиться змащення його рухомих частин, в результаті чого, як показують випробування, досягається збільшення терміну служби самого двигуна і паливного насоса в середньому на 60 %; немає необхідності модернізувати двигун; біодизель при попаданні в ґрунт, не заподіює шкоди рослинам і тваринам, піддається практично повному біологічному розпаду; у порівнянні зі звичайним дизельним паливом майже не містить сірки; виробництво біодизеля сприяє введенню в обіг низькоякісних невикористовуваних сільськогосподарських земель; Основний недолік: в холодну пору року необхідно підігрівати паливо, що йде з паливного бака в паливний насос, або застосовувати суміші 20 % біодизеля і 80 % мінерального дизельного палива; зберігати техніку, заправлену біодизелем більше 3 місяців, не рекомендується – він схильний до окислення і чутливий до води, конденсується на стінках паливних баків [4].

3.3 Газоподібне біопаливо

Біогаз – продукт зброджування органічних відходів (біомаси), що представляє собою суміш метану і вуглекислого газу [1]. Продукт метанового бродіння органічних речовин рослинного і тваринного походження, здійснюваного специфічним природним біоценозом анаеробних бактерій. Вміст метану в біогазі варіюється в залежності від хімічних властивостей сировини і може становити від 50 до 90 %. В залежності від природи вихідної сировини змінюється і вихід біогазу: від 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухої речовини [6].

У світі вже є кілька введених в експлуатацію установок отримання метану з деревних відходів.

Біоводень – водень, отриманий з біомаси термохімічним, електрохімічних, біохімічних або іншим способом. При термохімічному методі біомасу нагрівають без доступу кисню до температури 500–800 оC (для відходів деревини), що набагато нижче температури процесу газифікації вугілля [4]. В результаті процесу виділяється H2, CO і CH4. Біоводень можна отримувати термомеханічним способом з відходів деревини, однак собівартість даного методу поки що надто висока. У біохімічному процесі водень виробляють різні бактерії.

3.4 Типи біопалива

Біопалива також поділяються на три типи: першого, другого і третього поколінь.

Біопаливо першого покоління виробляється з традиційних сільськогосподарських культур з високим вмістом жирів, крохмалю, цукрів із застосуванням технологій, близьких до природних біологічних і термохімічним процесів. Однак ця сировина використовується в їжі людей і тварин. Крім витратного землекористування (необхідність використання земель) з виснаженням ґрунтів і високими потребами в їх обробленні, вилучення цієї сировини з ринку прямо вплине на ціну харчових продуктів (основний недолік виробництва біопалива першого покоління). Умовна ефективність виробництва біопалива з біомаси першого покоління становить приблизно 35–45 % [7].

Біопаливо другого покоління отримують з нехарчової сировини (відпрацьовані жири і рослинні масла, біомаса дерев і рослин) різними методами. Така сировина містить целюлозу і лігнін. Виробництво біопалива другого покоління являє собою процес отримання палива за допомогою переробки целюлози і лігніну, що містяться в деревній або волокнистій біомасі, що менш затратно, ніж отримання біопалива у культур першого покоління [2]. Його можна прямо спалювати, газифікувати (отримуючи горючі гази), здійснювати піроліз, який дозволяє перетворити біомасу в рідину. З рідини можна зробити автомобільне паливо або паливо для електростанцій. Сировиною для такого виробництва може бути будь-яка біомаса, включаючи відходи деревообробного виробництва і залишки їжі. Умовна ефективність виробництва біопалива з біомаси другого покоління становить приблизно 50 % [4]. Виробництво біопалива другого покоління є дуже капіталоємним процесом, тому що відповідні технології досить дорогі.

Біопаливо третього покоління – палива, отримані з нехарчової сировини, зокрема, мікроводоростей. За рахунок швидкого росту і розмноження мікроводоростей можна отримати палива від 15 до 200 разів більше, ніж з кращої сільськогосподарської масляної культури [8]. Первинне виробництво біомаси може здійснюватися шляхом культивування фітопланктону в штучних водоймах. З точки зору отримання енергії ця біосистема має суттєві економічні переваги в порівнянні з іншими способами перетворення сонячної енергії. Крім вирощування водоростей у відкритих ставках існують технології вирощування водоростей в малих біореакторах, розташованих поблизу електростанцій. Перспективність цього напряму розвитку пов’язана зі специфікою складу водоростей (в штамі водоростей вміст жирів становить від 75 до 85 % сухої ваги) [9]. Водорості розглядають як найбільш перспективну сировину для виробництва палива з відновлюваних джерел.

3.5 Мікроводорості для біодизельного палива

Найбільш перспективним джерелом рослинної сировини для виробництва біопалива є мікроводорості, в яких містяться ліпіди. Використання мікроводоростей дозволить скоротити споживання водних ресурсів, так як для їх вирощування можна використовувати стічні води.

Ідея використання мікроводоростей як енергетичної сировини не нова, але лише в даний час стала актуальною через прогнозованого дефіциту і високої вартості нафтопродуктів, а також проблеми глобального потепління в результаті спалювання викопних видів палива [9].

В даний час біодизельне паливо виробляють з рослинних і тваринних масел. Це перевірений вид палива, технологія його виробництва і використання відома вже близько 60 років. У США біодизельне паливо виробляють головним чином з соєвих бобів. Іншими джерелами біодизельного палива є масло канола, тваринний жир, пальмова і кукурудзяна олія.

За оцінками для заміни всього моторного палива в США буде потрібно 0,53 млрд м3 біодизельного палива щорічно. Перелічені види сировини не можуть забезпечити такий обсяг виробництва. У всякому разі для вирощування біомаси на їх основі будуть потрібні нереально великі земельні площі [10].

Разом з тим з даних випливає, що мікроводорості є єдиним джерелом біодизельного палива, які володіють потенціалом повної заміни викопних видів палива в США. На відміну від інших культур мікроводорості ростуть надзвичайно швидко і подвоюють біомасу за 24 години. Вміст масла в межах 20–50 % характерно для багатьох видів водоростей.

Деякі їх види містять до 80 % масла. Залежно від виду мікроводорості містять різні типи ліпідів, вуглеводнів і складних масел [10].

В штучних умовах для культивування водоростей використовують спеціальні ємності культиватори. Розрізняють культиватори відкритого і закритого типу. У перших водоросленева суспензія не ізольована від атмосфери. Вони, зазвичай, прості за конструкцією, дешеві, зручні в експлуатації, але дають низьку щільність суспензії мікроводоростей [8]. Конструкції культиваторів закритого типу забезпечують повне регулювання параметрів вирощування незалежно від зовнішніх умов.

Існують різні конструкції культиваторів, але в загальній схемі містять: реактор – резервуар, в якому відбувається ріст і розмноження культури; блок освітлення, живлення культури, відбору врожаю, контролю і управління.

На рис. 4 представлена загальна схема системи культивування мікроводоростей.

Загальна схема системи культивування мікроводоростей.

1 – резервуар для зберігання; 2 – насос; 3 – біореактор; 4 – відстійник; 5 – механічна мішалка; 6 – резервуар для осаду.

Рисунок 4 – Загальна схема системи культивування мікроводоростей
(анімація: 5 кадрів, 7 циклів повторення, 92 кілобайт)

Біореактор має вбудовані труби збоку для притоку і відтоку. Приток кінцевих стоків безперервно закачується в біореактор, який управляється насосом. Відтік є необмеженим для підтримки постійного обсягу в біореакторі. Подача тече знизу вгору, тут стоки випливають через випускну трубу в відстійник. Очищені стічні води розливаються у вигляді стоків, а водорості збираються на дні і переробляються назад в біореактор. Водорості та стічні води в біореакторі змішуються за допомогою механічної мішалки, щоб зберегти переміщення і суспензію клітин водоростей.

Умови культивування мікроводоростей

Для створення технології виробництва біодизельного палива з мікроводорості потрібно:

  1. вибрати штам мікроводоростей – гіперпродуцентів ліпідів з високою швидкістю росту;
  2. підібрати умови культивування (температуру, освітленість, живильне середовище, конструкцію фотобіореактора та ін.), які забезпечують активацію так званого ліпідного тригера – комплексу факторів, що забезпечують максимальний вихід біомаси, збагаченої ліпідами [8]. Для накопичення біомаси мікроводоростей необхідно культивувати на поживних середовищах, що містять азотний компонент, необхідно забезпечити освітленням і подачею вуглекислого газу, а створення стресових умов, дозволить накопичувати ліпіди;
  3. розробка фотобіореактора для отримання високої продуктивності. Для інтенсивного росту культури необхідно, щоб всі умови культивування строго дотримувалися і підтримувалися на певному рівні. У зв’язку з цим, мікроводорості необхідно культивувати в закритих фотобіореакторах, що дає можливість добитися більш високої продуктивності. Одна з проблем ефективного функціонування фотобіореактора – забезпечення рівномірного освітлення біомаси шляхом перемішування суспензії мікроводоростей [7].
  4. максимальне видалення ліпідів вимагає руйнування клітинної стінки мікроводоростей.

Висновки

Удосконалення процесів хімічної переробки рослинної біомаси спрямовано на підвищення ефективності використання основних її компонентів, а також створення нових методів комплексної переробки рослинних відходів.

На даному етапі дослідження, основна мета – досягнення ефективності роботи та управління фотобіореактора. Величезну роль при цьому, грає підбір і вибір складу живильного середовища, а також технологія ефективного вирощування штаму мікроводоростей.

При написанні даного реферату магістерська дисертація ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2020 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Виноградова А.В. Биотехнология топлива: учеб. пособие / А.В. Виноградова, Г.А. Козлова, Л.В. Аникина. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 212 с.
  2. Сидорович В. Мировая энергетическая революция: как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. М., 2015.
  3. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: сегодня – реальность, завтра – необходимость. М.: Лесная страна, 2007. – 120 с.
  4. Гельфанд Е.Д. Технология биотоплив: учебное пособие для магистрантов. – Архангельск, 2012. – 60 с.
  5. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: науч. аналит. обзор / под ред. д.э.н. С.Г. Митина – М.: ФГНУ Росинформагротех, 2007. – 204 с.
  6. Егорова Т.А. Основы биотехнологии: учеб. пособие для высш. пед. учеб заведений / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. – М.: Издательский центр Академия, 2003. – 208 с.
  7. Биотехнология: принципы и применение / И. Хиггинс, Д. Бест и Дж. Джонс – М.: Мир, 1988. – 480 с.
  8. Гайсина Л.А. Современные методы выделения и культивирования водорослей / Л.А. Гайсина, А.И. Фазлутдинова, P.P. Кабиров. – Уфа: БГПУ, 2008. – 152с.
  9. Росс М.Ю. Биодизельное топливо из водорослей / М.Ю. Росс, Д.С. Стребков; под ред. проф. Ю.М. Щекочихина. – М., 2008. – 252 с.
  10. Кофман В.Я. Энергоэффективные очистные сооружения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Микроводоросли для биодизельного топлива