Биотехнологии // Винокуров М.А., Суходолов А.П. «Экономика Иркутской области» (2009)

Что такое биотопливо?

Биотопливо — это возобновляемое топливо, производимое из растительного сырья. Часть слова «био» указывает, что оно получено путем переработки биомассы с применением биотехнологий и что данное топливо не принадлежит к ископаемым видам энергосырья (как нефть, уголь и газ).

Благодаря замещению биотопливом традиционных видов топлива сокращается потребление нефти и нефтепродуктов, повышается экологичность и улучшаются энергетические характеристики двигателей, существенно снижаются выбросы парниковых газов.

К биотопливу можно отнести любое растительное сырье, используемое в качестве топлива, — опилки, стружку, дрова и т.д. Однако в современном значении под биотопливом понимаются технологические продукты (жидкости или газы), к числу которых относятся биоэтанол, биодизель, биобутанол, биогаз.

Таблица 60.6

Различные виды биотоплива в мировом его производстве, 2005 г.

Биоэтанол — это уже знакомый нам этанол, или этиловый спирт, полученный путем гидролиза древесины с последующим брожением либо ферментативным путем из растительного сырья. Доля данного продукта в мировом производстве биотоплива составляет 87 % (табл. 60.6).

Биодизель — является смесью метиловых или этиловых эфиров жирных кислот. Производится из богатых маслами культур (рапса, масличной пальмы и др.) путем реакции между триглицеридами и метиловым (или этиловым) спиртом в присутствии катализаторов. Применяется в современных дизельных двигателях. Его доля в мировом производстве биотоплива составляет 12 %.

Б и о г а з — представляет собой газовую смесь (с преобладанием метана), получаемую путем переработки органических отходов на специальных установках (в реакторах). Пик бума строительства небольших реакторов пришелся на 1970-1980-е гг., когда фермеры в странах с тропическим и субтропическим климатом приобретали подобные установки для переработки сельскохозяйственных отходов. В странах с умеренным и холодным климатом производство биогаза оказалось малоэффективным, поскольку часть метана приходилось тратить на подогрев реактора для ускорения реакции. В настоящее время объем мирового производства биогаза незначителен и не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на топливный рынок.

Биобутанол — это обычный бутанол, получаемый из растительного сырья. Данный вид топлива находится в стадии экспериментальных исследований и также пока не оказывает заметного влияния на мировой топливный рынок. Однако, по мнению ряда экспертов, он имеет хорошие перспективы и способен в будущем потеснить этанол.

Производство биотоплива наиболее эффективно в тропической и субтропической зоне, где влажный и солнечный климат обусловливает быстрый рост биомассы и она аккумулирует больше солнечной энергии. Именно в этой зоне рентабельность такого производства наиболее высока.

Однако биотопливо можно эффективно выпускать и в регионах с умеренным климатом. Во всех развитых странах мира растут инвестиции в разработку новейших высокоэффективных технологий его производства. Суммарный объем только бюджетных субсидий, направленных на развитие данного сектора энергетики, исчисляется миллиардами долларов и евро. Субсидируется выращивание фермерами пригодных для переработки в биотопливо сельскохозяйственных культур. Переработчикам законодательно вменено в обязанность смешивать нефтяное топливо с этанолом (при этом они частично освобождаются от налогов и даже получают прямые субсидии). Автозаправочные станции кроме обычного горючего обязаны продавать биотопливо, что тоже поддерживается налоговыми послаблениями. Например, в США подобные меры позволяют производителям биоэтанола экономить на налогах с литра топлива около 0,15 дол. при его розничной цене около 0,70 дол. В Германии производство и продажа биотоплива не облагаются налогами, что позволяет косвенно субсидировать до 60-80 % его отпускной цены. В Швеции автомобили, работающие на биотопливе марки Е-85, освобождаются от платы за парковку в центре города. И так далее.

Рис. 60.13. Фактическая и прогнозируемая динамика добычи нефти, газа и конденсата в мире (по данным геологической службы США). Как видим, предстоит снижение мировой добычи углеводородных ресурсов в связи с истощением их эффективных запасов

Биотопливо первого и второго поколений. Биотопливо, получаемое из пищевого сырья (сахарного тростника, зерновых и масленичных культур, картофеля и т.д.), относится к первому поколению.

Если при производстве биотоплива используется непищевое сырье (древесина и растения, отходы сельскохозяйственного и лесоперерабатывающего производства и др.), то оно относится ко второму поколению.

В последние годы во всех развитых странах мира основные исследования направлены на повышение эффективности производства биотоплива именно второго поколения.

Преимущества биотоплива. Столь большой интерес к производству и использованию биотоплива вызван рядом причин. Приведем основные из них.

Осознание исчерпаемости запасов нефти. Максимум открытий крупных нефтяных месторождений в мире пришелся на 1963 г., и уже через двадцать лет (в 1983 г.) объем потребления нефти превысил величину запасов открываемых месторождений. Начиная с 2003 г. не было открыто ни одного крупного нефтяного месторождения (впервые с 1920-х гг.). Уже в среднесрочной перспективе прогнозируется постепенное падение мировой нефтедобычи, связанное с истощением запасов наиболее эффективных месторождений (рис. 60.13 и 60.14).

В этой связи главным преимуществом биотоплива является то, что оно производится из возобновляемого сырья — из биомассы растений, а не из нефти и газа, запасы которых исчерпаемы.

Рис. 60.14. Ключевые моменты динамики мировой нефтедобычи: начало 1960-х гг. — максимум открытий месторождений; начало 1980-х гг. — впервые объем потребления нефти превысил величину запасов открываемых месторождений; начало 2000-х гг. — впервые (после 1920-х гг.) не было открыто ни одного крупного месторождения; в среднесрочной перспективе прогнозируется падение мировой нефтедобычи

Возможность снижения (устранения) зависимости от импорта нефти. Данное направление рассматривается правительствами ряда стран как стратегическое, повышающее энергетическую безопасность, подготавливающее экономику страны к дефициту нефти и нефтепродуктов. Наращивание производства биотоплива снижает зависимость развитых стран от импорта нефти. Например, добавка к бензину только 5 % этанола в масштабах США или Евросоюза приводит к замещению значительных объемов нефти. Немаловажен и тот факт, что замещение нефтепродуктов биотопливом снижает цену на нефть.

Устранение угрозы глобального потепления. Биотопливо не дает лишних выбросов парниковых газов. Оно нейтрально в качестве источника парниковых газов и обладает нулевым балансом диоксида углерода. При его сгорании выделяется столько же углекислого газа, сколько до этого было «взято» растениями из атмосферы (в то время как нефть, газ и уголь дают дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу). Поэтому использование биотоплива весьма привлекательно и в рамках Киотского протокола.

Создание рабочих мест в сопутствующих отраслях. Производство биотоплива развивает собственное сельское хозяйство, создает новые рабочие места в сопутствующих отраслях (рис. 60.15).

Рис. 60.15. Стимулирование производством биотоплива занятости в смежных отраслях, тыс. чел. Диаграмма показывает, сколько рабочих мест будет создано при получении 1 млн дол. добавленной стоимости в сфере производства биотоплива

Недостатки биотоплива. Ряд экспертов сомневаются в преимуществах биотоплива и считают, что оно имеет существенные недостатки.

Ограниченность объема растительной биомассы. Несмотря на огромный объем растительной биомассы нашей планеты (около 800 млрд т), ее ежегодно возобновляемая часть не превышает 200 млрд т. И лишь небольшая доля этого объема может быть изъята из природного оборота без угрозы нарушения экологического равновесия в биосфере. При этом биотопливо, производимое из пригодной для этого биомассы, не способно (при современном уровне биотехнологий) обеспечить получение такого количества энергии, которое ежегодно расходуется при использовании ископаемого сырья.

Достаточно сказать, что мировая энергетика за год расходует такой объем нефти, для образования которого в естественных условиях потребовались сотни тысяч лет. Из-за низкого КПД преобразования солнечной энергии растениями (в среднем 12 %, а у наиболее урожайных культур — 57 %) наращивание производства биотоплива требует расширения сельскохозяйственных угодий. Так, например, чтобы в США к 2012 г. выполнить программу производства 7,5 млрд галлонов этанола, потребуется 25 % зерновых площадей. Даже если бы удалось собрать всю сельхозпродукцию США, которую можно превратить в биотопливо (включая все сельскохозяйственные отходы), содержащаяся в нем энергия соответствовала бы лишь 7-8 % всего энергопотребления США.

Таким образом, по мнению ряда экспертов, биотопливо не сможет полностью заменить нефть и газ, а также существенно повлиять на их стоимость. Ведь, даже по оптимистичным оценкам, мировое производство биотоплива в ближайшие 10-15 лет увеличится только на 70 млн т, в то время как потребности человечества в энергоносителях в этот период возрастут на 3 млрд т нефтяного эквивалента. Более того, усиливающиеся с расширением его производства негативные экономиче­ский, социальный и экологический эффекты будут тормозить развитие отрасли.

Сомнительная экологическая эффективность. Несмотря на явную экологичность биотоплива, имеются сомнения в его общей экологической эффективности. Во-первых, ради увеличения его производства в экваториальных странах под плантации вырубаются тропические леса, необходимые для обеспечения экологического балан­са планеты. Во-вторых, интенсивное возделывание зерновых культур требует значительного количества удобрений, пестицидов и гербицидов, дизельного топлива для агротехнической подготовки поля, энергоресурсы также необходимы для переработки промежуточных продуктов и т.д. При этом вред от выделения в атмосферу парниковых газов гораздо больше, чем польза от применения биотоплива.

Рост цен на сельхозпродукцию и продовольствие. Резкое увеличение производства биотоплива повышает спрос на зер­новые (только в США на получение биотоплива уходит около 20 % всей выращиваемой кукурузы — главной зерновой культуры). В свою очередь, дефицит зерна ведет к росту цен на продовольствие. Так, уже в 2006 г. зерновые начали быстро дорожать, в том числе в результате осуществления закупок биотопливными заводами.

Социальные последствия. Рост цен на зерновые куль­туры и их нехватка могут привести к социальным конфликтам. Так, в Мексике произошли бунты бедняков, недовольных трехкратным повы­шением цены на кукурузные лепешки, сырье для производства которых стало скупаться биотопливными заводами. Проблемы острой нехватки продовольствия и развития биотопливной индустрии обсуждались в ООН, где был приведен такой пример: для получения биотоплива, необходимого для заправки одного автомобильного бака, требуется столько же зерна, сколько для питания голодающего ребенка в течение одного года.

Дороговизна продукта. Несмотря на внедрение эффек­тивных технологий, себестоимость производства биотоплива остается высокой. Развитие отрасли базируется пока на масштабной государ­ственной поддержке, осуществляемой правительствами ряда стран.

Низкая рентабельность. Рентабельность производства биотоплива определяется не столько ценой конечного продукта, сколько вилкой между стоимостью тонны нефти и тонны используемого сельско­хозяйственного сырья (пшеницы, кукурузы и др.). Когда нефть стоила дорого, а сельхозсырье оставалось дешевым, ситуация для произво­дителей биотоплива была благоприятной. После подорожания сырья (вызванного в том числе ростом производства биотоплива) ситуация ухудшилась, и некоторые европейские биотопливные заводы начали работать убыточно.

Таким образом, при всех своих преимуществах биотопливо в ближайшей перспективе не сможет стать полновесной альтернативой нефти и существенно сбить цены на этот продукт. Оно может занять нишу в 10-15 % рынка моторных топлив (в среднем в мире).

Мировые тенденции в производстве и использовании биотоплива

Еще 20-30 лет назад казалось, что запасы нефти и газа бесконечны и что этим энергоресурсам нет приемлемой альтернативы. Сейчас ситуация иная. Уже очевидно, что их мировые запасы исчерпаемы. Поэтому во всех развитых странах мира ведется поиск новых эффективных источников энергии, среди которых в особую группу выделяется биотопливо.

Его производство и потребление во всем мире неуклонно растет, главным образом с 2003 г. (темпами около 20 % в год). Основной причиной этому послужила мощная поддержка становления данной индустрии со стороны правительств США и стран Евросоюза, а предпосылками стали рост цен на нефть, актуализация идеи энергетической безопасности стран-импортеров нефти и газа, стремление к уменьшению выбросов парниковых газов, а также оказание помощи своим сельскохозяйственным товаропроизводителям, для которых был открыт новый и весьма перспективный рынок сбыта продукции (развитие своего сельского хозяйства вместо импорта нефти).

По ориентировочным оценкам, мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины и растительного сырья на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как запасы растительного сырья могут возобновляться. Прогнозируется, что уже в среднесрочной перспективе нас ожидает переход от нефтехимического производства к биохимической и химической переработке древесины и растительного сырья.

Активно поддерживают переход на биотопливо многие мировые автоконцерны (Volkswagen, FIAT, Ford, General Electric и др.), которые постоянно разрабатывают новые модели двигателей.

Рис. 60.16. Динамика и прогноз производства биотоплива во всем мире, млрд дал

Рис. 60.17. Использование биоэтанола в автомобильном топливе в странах мира в 2005 г., % к общему объему моторного топлива

Перспективным считается гибридный вариант, способный работать как на чистом бензине, так и на бензиноэтанольной смеси, включая марку Е-85. В США уже эксплуатируется более 10 млн подобных машин (весь автомобильный парк США составляет 230 млн). Изучается возможность использования биотоплива в авиации.

В странах Евросоюза уже несколько лет действует закон, предписывающий в обязательном порядке добавлять к нефтяному бензину до 5 % биотоплива. Предполагается, что к 2020 г. доля такого топлива достигнет 10 % в общем объеме транспортного топлива.

Собственные программы производства биотоплива реализуются практически во всех крупных странах, включая Индию и Китай. О планах заменить биотопливом традиционный нефтяной аналог заявили власти Малайзии. А в Швеции предполагается к 2020 г. полностью (!) отказаться от использования нефти. Даже богатые нефтью Норвегия и Объединенные Арабские Эмираты приняли программы производства альтернативного топлива.

Рассмотрим ситуацию с развитием индустрии биотоплива в некоторых странах и регионах мира.

Бразилия. Имеет почти 40-летний опыт производства биоэтанола из сахарного тростника. Долгое время являлась мировым лидером по его производству и потреблению в качестве моторного топлива.

Теплый солнечный климат в сочетании с дешевизной земли и рабочей силы позволяет выращивать тростник, из которого производится биотопливо, способное конкурировать с нефтепродуктами даже при относительно низких ценах на нефть (до 40 дол. за баррель).

Сейчас Бразилия ежегодно производит около 1,7 млрд дал биоэтанола в год, а его доля в общем объеме автомобильного топлива превышает 20 %. Планируется к 2010 г. увеличить площади посевов сахарного тростника на 60 %, объем экспорта этанола довести до 0,9 млрд дал, а доходы от экспорта — до 1,3 млрд дол. (против 600 млн дол. в 2005 г.).

США. Очень быстро наращивают выпуск биотоплива и являются сейчас мировым лидером по его производству. Новый президент страны Барак Обама поставил задачу за десять лет сократить потребление нефти на тот объем, который сейчас импортируется из стран Ближнего Востока и Венесуэлы. Это будет осуществлено за счет увеличения потребления этанола. Предприятия, производящие данное топливо, получат инвестиции в объеме 150 млрд дол. В итоге к 2015 г. на дорогах США появится не менее 1 млн энергосберегающих автомобилей. Планируется к 2030 г. производить до 90 млрд галлонов этанола в год (1 галлон = 3,78 л) по цене 0,5-0,6 дол. за галлон. Таким образом, почти треть нефтяного бензина будет замещена биотопливом. При этом 75 млрд галлонов намечается производить из непищевого растительного сырья (например, из опилок) и только 15 млрд — из пищевого (в основном из кукурузы).

Рис. 60.18. Динамика мирового производства биоэтанола

Рис. 60.19. Удельный вес возобновляемых источников энергии в общей структуре энергопотребления США (й) и расходов на развитие производства энергии из возобновляемых источников в расходах федерального бюджета США в сфере энергетики (б). Правительство США большое внимание уделяет перспективным технологиям получения энергии из возобновляемых источников, в том числе наращиванию производства биотоплива. Для этих целей выделяются значительные бюджетные средства. Как видим, бюджетные расходы США в сфере энергетики непропорциональны существующей структуре энергопотребления и нацелены на перспективу

Президент США убежден, что страна, способная получать энергию из чистых и возобновляемых источников, будет лидировать в XXI в. В этой связи он обратил внимание на то, что не США, а Китай сегодня предпринимает самые масштабные за всю историю усилия, направленные на то, чтобы сделать экономику энергосберегающей. Сейчас топливный этанол производится в 21 штате.

Евросоюз. Страны ЕС инвестируют огромные средства в производство биотоплива, в том числе биоэтанола (для его получения планируют использовать не только зерновые культуры, но и древесные и сельскохозяйственные отходы).

Эксперты ЕС подсчитали, что рост потребления биотоплива европейскими странами всего на 1 % увеличивает число рабочих мест в сельском хозяйстве на 4,5 млн чел. Показательно, что Евросоюз и США не хотят принимать экологичное топливо из других стран и ввели практически запретительную пошлину в 0,15 дол. за литр импортируемого этанола.

В ближайшем будущем в ЕС начнется рентабельное производство автомобильного биотоплива второго поколения — из макулатуры и древесных отходов, получаемых в результате деятельности торговых и промышленных предприятий.

Япония. Автопроизводители и ряд крупных японских компаний (Kajima, Mitsubishi, Nippon Oil, Sapporo Engineering, Toray Industries, Toyota) образовали консорциум, целью которого является снижение себестоимости производства биоэтанола до 0,4-0,2 дол. за литр. У каждой из перечисленных компаний есть собственные технологические разработки и большой научно-производственный потенциал. В Японии к 2015 г. предполагается производить более 20 млн дал биоэтанола без ущерба для пищевой промышленности и с минимальным воздействием на окружающую среду.

Россия. В нашей стране некоторые регионы уже проявили интерес к выпуску нового продукта. Например, опытно-промышленное предприятие создано в Иркутской области на базе Тулунского гидролизного завода.

В настоящее время в России имеется около 20 млн га невостребованной пашни, позволяющей производить до 1 млрд м3 биомассы (примерно столько же, сколько в США). Стоимость биоэтанола, полученного из такого количества сырья, могла бы составить около 10 млрд дол. Однако в условиях более сурового климата (чем в США) экономически целесообразно не ограничиться производством лишь одного этанола, а заняться более глубокой переработкой сырья, используя его для развития животноводства, пищевой и фармацевтической промышленности.

Китай. Намечается масштабный переход с бензина на этанол благодаря вводу в строй к 2020 г. нескольких крупных заводов по его производству. За счет биотоплива планируется покрывать до 15 % общей потребности в моторном топливе.

Индия. Здесь также развернута масштабная программа по производству биотоплива.

Поиск более эффективных способов получения биотоплива из древесины

Развитие производства биотоплива из зерновых культур изымает из оборота пищевые ресурсы, повышает цены на продовольствие и даже порождает социальные конфликты в ряде развивающихся стран. Избежать этих негативных последствий можно путем перехода к производству биотоплива из древесной массы и отходов сельскохозяйственного производства. Ведь древесная и растительная биомасса является возобновляемым и наиболее объемным из всех биоресурсов планеты (ежегодно образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы).

Основные компоненты древесины — полисахариды — представляют собой высокомолекулярные соединения класса углеводов. Один из этих полисахаридов — целлюлоза — давно применяется в качестве волокнистого вещества при изготовлении бумаги и является сырьем для гидролизного производства спирта, другие полисахариды, входящие в состав древесины, еще не используются. Но теоретически они также могут быть преобразованы в моносахариды, а затем служить сырьем при производстве топливного этанола.

Весь вопрос в том, как на практике осуществить данный процесс? Ответ на него станет ключом к созданию современных высокоэффективных биотехнологий, с помощью которых можно будет перерабатывать любую древесину.

Совершенно очевидно, что необходимо изменить процесс традиционной алкогольной ферментации, сориентировав его на получение спирта из любого органического сырья. Это позволит вместо зерна и злаков использовать всю биомассу растений (травянистых и древесных), а также отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и даже твердые коммунальные отходы. В итоге сырьевая база для производства этанола может быть существенно расширена и стать практически неисчерпаемой.

Расчеты показывают, что производство топливного этанола из отходов сельского хозяйства, деревообработки и коммунального мусора такой страны, как США, позволит заменить там этанолом до 40 % используемого бензина. А озеленив пустующие площади быстро растущими деревьями и использовав их биомассу в качестве сырья для производства биоэтанола, можно было бы весь громадный парк американских автомобилей перевести на этанол и полностью снять зависимость страны от поставок нефти.

Рис. 60.23. Цена производимого в разных странах и из различного сырья топлива по состоянию на 2003 г., дол. Как видим, бразильское биотопливо, получаемое из сахарного тростника, отличается наибольшей конкурентоспособностью

В поисках эффективных технологий гидролиза полисахаридов американские ученые обратили внимание на термитов, питающихся практически любой древесиной (они могут пожирать телеграфные столбы, железнодорожные шпалы, сараи, заборы, любые деревянные здания и т.д.). При благоприятных условиях колония термитов способна в течение нескольких месяцев полностью уничтожить деревянный дом вместе с мебелью!

Ученых заинтересовала удивительная способность этих насекомых к эффективному перевариванию древесины. Долгое время исследователи не могли понять, каким образом термиты усваивают древесину и преобразуют ее в энергию, достаточную для их активной жизнедеятельности. Оказалось, что секрет кроется в их кишечнике, в котором обитают различные микроорганизмы, способные эффективно перерабатывать древесину. В процессе ее расщепления с образованием определенных сахаров участвуют десятки различных ферментов, выделяемых кишечной микрофлорой термитов, в состав которой входят мало изученные симбиотические простейшие.

Группа сотрудников Калифорнийского технологического института в Пасадене провела генетические исследования кишечной микрофлоры термитов. Ученых интересовали гены, отвечающие за способность микроорганизмов к полномасштабному гидролизу древесины. Вскоре им удалось выявить такие гены.

Рис. 60.24. Производство биотоплива в зависимости от цены на нефть и зерновые культуры

Бактерии расщепляют древесину в кишечнике термитов, который представляет собой миниатюрный биореактор. Причем настолько эффективный, что теоретически из одного стандартного листа писчей бумаги в нем можно получить до 2 л водорода. До практической реализации полученных знаний дело пока еще не дошло, но ученые продолжают исследования и надеются выделить новые микроорганизмы, которые можно использовать в промышленных биореакторах.

Напомним, что в настоящее время для расщепления древесины используют сернокислый гидролиз и дрожжевые культуры. Однако у дрожжей есть один существенный недостаток: они способны расщеплять лишь виноградный сахар, т.е. глюкозу, а перед многими другими сахарами бессильны. Например, дрожжи не могут расщеплять пентозы (пятиуглеродные сахара). А это значит, что 30 % биомассы не может быть использовано в качестве сырья для производства биотоплива.

Расщеплять пентозы способны некоторые бактерии: они синтезируют ферменты, успешно справляющиеся с этой задачей. Однако само по себе это еще не решение проблемы, поскольку конечный продукт этой реакции еще не этанол. Этанол производят дрожжи, но они, как уже было сказано, не справляются с расщеплением многих компонентов древесины.

Ученые искусственно синтезировали определенные гены, имеющиеся у термитных бактерий (сегодня такое возможно), и внедрили их в геном традиционно применяемых в спиртовом производстве дрожжей, которые обрели способность практически полностью расщеплять до этанола и пятиуглеродные сахара.

В результате удалось на четверть увеличить выход биогорючего (пока в лабораторных условиях). Теперь стоит задача адаптировать созданную технологию к требованиям промышленного производства.

Расчеты показывают, что данная биотехнология позволит на первых этапах получать этанол из древесных отходов по цене 0,6 дол. за литр (это дешевле, чем продукция, полученная альтернативными методами). Затем, при переходе к промышленному производству, можно снизить стоимость продукции до 0,2 дол. За литр (что сопоставимо с ценой биотоплива, полученного из бразильского сахарного тростника).

Таблица 60.7

Теоретический выход этанола и сопутствующих продуктов из 1 т сырья

Опасения некоторых экологов по поводу возможности распространения генетически модифицированных дрожжей за пределы технологического процесса совершенно необоснованны. Ведь ферментация осуществляется в герметически закрытых биореакторах. Затем жизнедеятельность трансгенных дрожжей полностью подавляется. При этом такой технологический процесс позволяет более эффективно перерабатывать древесину в горючее, получая больший объем биотоплива с более высоким, чем у этанола, октановым числом.

Поиск эффективных путей производства биотоплива из бросовой древесины ведется и по другим направлениям. Например, исследователи национальной лаборатории в Ок-Ридже и Университета Джорджии сумели получить водородный газ высокой чистоты, который также можно использовать в качестве топлива. Данная технология расширяет возможности производства биотоплива из бросового древесного сырья.

Производство биоэтанола

В настоящее время биоэтанол занимает ведущее место среди всех других видов производимого в мире биотоплива. Он все больше удовлетворяет растущую мировую потребность в экологически безопасном и возобновляемом топливе, частично замещая бензин — традиционное автомобильное горючее.

Биоэтанол — это обычный этанол (или этиловый спирт, С₂Н₅ОН), полученный из растительного сырья, в качестве которого могут использоваться:

—          сельскохозяйственные продукты — сахарный тростник, зерновые (кукуруза, пшеница и др.), сахарная свекла и др. (биоэтанол первого поколения);

—          непищевое растительное сырье — опилки, солома, целлюлоза растений и т.д. (биоэтанол второго поколения).

Гидролизный спирт можно отнести к биоэтанолу второго поколения.

Этапы использования этанола в качестве топлива. Первое применение этанола как топлива относится к середине XIX в. Массовое же использование биоэтанола в качестве добавки к моторному топливу началось в 1970-х гг. в Бразилии, где практически не имелось собственной нефтедобычи, но благодаря природным условиям развивалось сельскохозяйственное производство. В странах с умеренным климатом и менее продуктивным сельским хозяйством выпуск биоэтанола начался чуть позже. В настоящее время во всем мире наращивается его производство и расширяется использование в качестве добавки к моторному топливу (табл. 60.8).

Топливные смеси на основе этанола. Этанол является эффективным топливом с октановым числом 108. Он хорошо смешивается с нефтяными видами топлива — бензином, керосином, соляркой. При этом добавка этанола к бензину уменьшает образование нагара в двигателе и продлевает срок его службы, повышает детонационную стойкость топлива и увеличивает октановые числа смеси (по сравнению с чистым бензином), облегчает завод двигателя в сильные морозы.

Таблица 60.8

Основные этапы использования этанола в качестве моторного топлива

Все крупные автопроизводители, а также производители мотоциклов, снегоходов и подвесных моторов в США одобрили использование смеси бензина и этанола (до 10 % этанола для обычных двигателей). Производство топливных смесей различных марок налажено в США, Бразилии, Японии, Швеции, Китае, Индии и ряде других стран. Евросоюз планирует довести выпуск биоэтанола до 5,7 % к 2010 г. по сравнению с 1,4 % в 2005 г.

В настоящее время можно выделить смеси марок Е-5, Е-7, Е-10 с содержанием этанола в бензине 5, 7 и 10 % соответственно («Е» от англ. Ethanol — этанол). Столь низкое содержание этанола в топливе не требует изменений в конструкции бензинового двигателя, при этом благодаря его использованию экономится бензин (путем его замещения этанолом), улучшаются энергетические и экологические характеристики топливной смеси.

Топливная смесь марки Е-20 (20 % этанола и 80 % бензина) уже требует изменений в двигателе. Планируется, что подобное топливо будет внедрено в США с 2015 г.

Топливо Е-85 представляет собой смесь, состоящую из 85 % этанола и 15 % бензина. Обычные бензиновые автомобильные двигатели уже не воспринимают подобное топливо, хотя прекрасно работают на Е-10 и даже Е-15. Хорошо работают на смеси Е-85 только автомобили «Flex-Fuel» или «Flexible-Fuel» (русского перевода пока нет). Подобные автомобили распространены в Бразилии и США и в меньшей степени в других странах (они могут работать и на обычном бензине).

Смесь Е-85 продается дешевле, чем чистый бензин, и становится все более популярным видом топлива. В мире произведено уже более 10 млн двигателей, работающих на любом соотношении этанола и бензина. В пределах Европы страной, впервые начавшей использование биотоплива Е-85, стала Швеция, где на заправочных станциях имеются соответствующие колонки. Заправка этим видом топлива позволяет водителю бесплатно въезжать в центр столицы и не платить за парковку.

Топливо марки Е-100 (100 % этанола) является на самом деле стандартной азеотропной смесью этанола и воды (96 % этанола и 4 % воды по весу или 96,5 % и 3,5 % в объемных величинах), поскольку из-за гигроскопичности этанола получить более высокую его концентрацию путем обычной дистилляции невозможно.

Таблица 60.9

Производство биоэтанола в основных странах мира

В чистом виде этанол в качестве топлива практически не используется. Лишь в Бразилии и Аргентине некоторые автомобили эксплуатируются почти на чистом спирте. Однако при низких температурах двигатель плохо заводится. Поэтому автолюбители используют небольшой объем бензина для зажигания, а затем двигатель работает на этаноле.

К сожалению, этанол является менее «энергоплотным» топливом, чем бензин. Поэтому пробег автомобиля на топливе Е-85 составит примерно 75 % от пробега стандартных машин на чисто бензиновом топливе.

Преимущества биоэтанола. Можно выделить следующие преимущества биоэтанола перед бензином:

—          это топливо производится из возобновляемого сырья (в отличие от бензина);

—          оно представляет собой экологически чистый продукт (его производство почти безотходное, позволяющее организовать выпуск различных видов сопутствующей продукции);

—          этанольные добавки экономят бензин;

—          добавка всего 10 % этанола в бензин (смесь Е-10) позволяет снизить выбросы парниковых газов на 10-15 % (например, использование в США биоэтанола сокращает выбросы парниковых газов на 7-8 млн т в год, что сравнимо с суммарным годовым выхлопом 1 млн автомобилей), выбросы угарного газа — на 30 %, уменьшить выхлопы аэрозольных частиц до 50 % и т.д.

Производство биоэтанола в России. В России можно организовать масштабное производство биоэтанола. Здесь имеются значительные незанятые сельхозугодия (20-40 млн га), выведенные из оборота в кризисные 1990-е годы.

Данное производство станет стимулом для развития аграрного сектора. При этом можно использовать новые ферментные технологии гидролиза для переработки послеспиртовой барды (ее в России образуется более 10 млн т в год), которая также может выступать как дополнительный источник сырья для изготовления биотоплива.

Биоэтанол можно получать и из отходов древесины, например из опилок, а также из соломы или травы. Интерес представляет биомасса быстро растущих деревьев, таких как ива или тополь, а также и морской растительности. Для производства биоэтанола можно использовать современные ферментные системы, содержащие альфа-амилазу, глюкоамилазу и другие энзимы, расщепляющие растительную продукцию до сахаров. Возможно также получение биоэтанола из различных видов крахмало- и сахаросодержащего сырья с использованием технологии вакуумного брожения.

Однако в России (в отличие от стран Евросоюза) существует налог (акциз) на этанол, и это сдерживает его производство. Очевидно, что отечественный рынок биоэтанола будет развиваться в два этапа: на первом произойдет увеличение выпуска биотоплива на экспорт, а второй будет связан с развитием его внутреннего потребления. Суммарная мощность российских заводов, производящих биотопливо, может составить 40 млн дал в год.

Производство биоэтанола в Иркутской области. При благоприятных экономических условиях производство биоэтанола второго поколения можно возобновить (с использованием более современных технологий) на площадках трех бывших гидролизных заводов с доведением объемов производства до 6 млн дал в год.

Производство биобутанола

Эксперты считают, что биобутанол может стать эффективным биотопливом, способным удовлетворить растущую мировую потребность в экологически безопасном транспортном топливе, производимом из возобновляемого сырья. Он может заменять нефтяной бензин даже в большей степени, чем этанол, а его использование не требует серьезных переделок автомобильных двигателей. При этом бутанол более экономичен, экологичен и безопасен по сравнению с этанолом и бензином. Его производство и применение могут быть достаточно эффективными.

Биобутанол — это обычный бутанол (или бутиловый спирт, С₄Н₉ОН), но полученный не из нефтепродуктов, а из растительной биомассы с использованием бактерий. В качестве биомассы может использоваться:

—          сельскохозяйственное пищевое сырье — сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, пшеница я др. (биобутанол первого поколения);

—          возобновляемые непищевые источники — опилки, солома, целлюлоза растений (биобутанол второго поколения).

Применение. Биобутанол, как и обычный бутанол, востребован в качестве растворителя, в лакокрасочной промышленности, при производстве смол и пластификаторов, в синтезе различных органических соединений. В последние годы бутанол стали все активнее применять как добавку к традиционному бензиновому моторному топливу. Ведутся эксперименты по его использованию в качестве самостоятельного топлива для транспортных средств.

Преимущества бутанола. Растущее применение бутанола как моторного топлива обусловлено его явными преимуществами перед этанолом. Главными среди них являются:

—          более высокая его энергоэффективность (на 25 % выше, чем этанола, на 10 % выше, чем бензина);

—          возможность добавления бутанола в бензин в более высоких концентрациях (до 16 % и более) без переделки автомобильных двигателей;

—          высокая безопасность в использовании (испаряемость бутанола в 6 раз меньше, чем этанола, в 14 раз меньше, чем бензина);

—          отсутствие окислов азота при горении (что повышает экологические характеристики топлива);

—          в перспективе возможность полной замены бутанолом бензина, тогда как этанол может применяться лишь как добавка к бензину;

—          меньшая себестоимость производства бутанола, чем этанола, благодаря современным биотехнологиям.

Кроме того, бутанол, в отличие от этанола, нельзя употреблять в качестве спиртного напитка (это устранит теневой оборот продукта при его производстве, транспортировке и потреблении).

Таким образом, бутанол экономичнее и эффективнее этанола, а его добавка в бензин значительно повышает эффективность горючего и увеличивает пробег автомобиля на единицу расходуемого топлива.

Биобутанол может производиться из того же самого сырья, что и биоэтанол, но с меньшими затратами. Благодаря своим качествам биобутанол может в ближайшие 10-15 лет стать основным видом биотоплива, оттеснив биоэтанол на второй план.

Сдерживающие факторы. Почему же, имея бесспорные преимущества, биобутанол до сих пор не получил широкого распространения в качестве биотоплива? Дело в том, что его выпуск для топливных целей никогда не считался экономически целесообразным. Он использовался в основном как промышленный растворитель и производился не из биосырья, а из нефтепродуктов (в период низких цен на нефть). Изготовление биобутанола из растительного сырья существовавшими в то время способами ферментации было более затратным. Только рост цен на нефть и совершенствование биотехнологий дали возможность экономично превращать биомассу в биобутанол.

Разработки новых биотехнологий производства биобутанола. В начале XXI в. американские ученые получили новые генетически модифицированные микроорганизмы, способные весьма эффективно преобразовывать кукурузу и другие зерновые в биобутанол. Результаты их исследований легли в основу новейших биотехнологий производства биоэтанола, разработанных рядом зарубежных компаний (Environmental Energy, DuPont, British Petroleum, Fermentation Biotechnology Research и др.). Первый биобутанол начали производить и продавать в качестве добавки к бензину в Великобритании в 2007 г.

В России технология производства биобутанола разрабатывается корпорацией «Биотехнологии». Причем ставка делается на биобутанол второго поколения, изготавливаемый из возобновляемого непищевого сырья — опилок, соломы, древесных отходов. Производство подобного биотоплива не создает дефицита пищевых продуктов и помогает решать проблему утилизации отходов.

Корпорация «Биотехнологии» разработала оригинальную технологию извлечения ферментативного биобутанола из целлюлозосодержащего сырья. Исследования проводились с участием специалистов МГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Московского инженерно-физического института, Института биохимии им. А.Н. Баха. Технология апробирована научно-исследовательским институтом синтеза белка (ГосНИИсинтезбелок). Получено положительное экспертное заключение Российской академии наук.

Производство биобутанола в Иркутской области. По данной технологии в сентябре 2008 г. в Тулуне на опытно-промышленной установке Восточно-Сибирского комбината биотехнологий произведен первый в мире биобутанол второго поколения из древесины. Этим биотопливом (смешанным в различных пропорциях с бензином) были заправлены три автомобиля «Лада Калина», которые совершили автопробег из Тулуна в Тольятти (в рамках совместного проекта с АвтоВАЗом). Они преодолели расстояние в 4 тыс. км и успешно доехали до конечного пункта. При этом было зафиксировано существенное снижение вредных выбросов двигателями.

Восточно-Сибирский комбинат биотехнологий создан на базе Тулунского гидролизного завода. Сегодня это единственное в России профильное предприятие по выпуску биобутанола второго поколения. Здесь создана опытно-промышленная площадка для апробации новейших технологий производства российского биотоплива. Аналогичные работы планируется развернуть и на других российских заводах, расположенных в различных регионах страны.

Производство кормовых дрожжей и белково-витаминных добавок для животноводства

Кормовые дрожжи представляют собой натуральный и готовый к использованию продукт (кормовую добавку), который обогащает рацион животных полноценными белками, углеводами, витаминами, макро- и микроэлементами. Производство подобных кормовых добавок (в отличие от заготовки кормов в сельском хозяйстве) не зависит от сезонных и климатических факторов и может осуществляться в соответствии с любым графиком поставок сырья.

Сырьевая база. Состав и биологические свойства кормовых дрожжей и белковых добавок, а также выход продукции обусловлены сырьевой базой, используемой для их приготовления (табл. 60.10).

В частности, дрожжевая биомасса может быть получена из следующего сырья:

—          гидролизата древесных (опилки, стружка, щепа) и сельскохозяйственных (солома, шелуха семян, кукурузная кочерыжка и т.п.) отходов;

—          отходов спиртового производства (послеспиртовая, содержащая сахар барда гидролизных и сульфитно-спиртовых производств);

—          отходов нефтепереработки (жидких парафинов, в основном С₁₀-С₂₀);

—          низших спиртов (этанола и метанола);

—          сульфитных щелоков целлюлозно-бумажного производства.

Таблица 60.10

Выход кормовых дрожжей

Таким образом, для выращивания биомассы дрожжевых клеток используется различная среда. При этом конечный продукт также будет различаться по составу и содержанию тех или иных компонентов. Так, кормовые дрожжи, производимые из гидролизатов древесного и сельскохозяйственного сырья, отличаются высокой экологической чистотой, наличием в  биомассе естественных природных соединений, более полной совместимостью с биологическими процессами живого организма.

Производство кормовых дрожжей в СССР. Выпуск сухих кормовых дрожжей из отходов спиртового производства был начат в СССР в годы Великой Отечественной войны. К середине 1980-х гг. в стране ежегодно выпускалось около 1 млн т данного продукта, что составляло две трети общемирового объема его производства. Кроме СССР в числе лидеров по выпуску дрожжевого кормового белка были ГДР и Венгрия.

Что касается промышленного производства искусственного кормового белка (паприна) из нефтепродуктов, то оно было освоено в 1970-х гг. В это время начал строиться завод белково-витаминных концентратов в Иркутской области (в Ангарске, вблизи нефтеперерабатывающего комбината «Ангарскнефте-оргсинтез»). Нефтепродукты давали значительно больший выход кормового белка, чем отходы спиртового производства, однако применение паприна в животноводстве оказалось не совсем эффективным. Предприятия по выпуску белка из парафинов закрыли. При этом снизился интерес к кормовым дрожжам, получаемым на гидролизно-спиртовых заводах с  использованием метода микробиологической переработки природного (древесного и  сельскохозяйственного) сырья.

Производство в Иркутской области. В пределах Иркутской области первая партия кормовых дрожжей была получена в 1953г. на Бирюсинском гидролизном заводе (мощность завода по выпуску данного продукта составляла 13,7 тыс. т в год). Аналогичные производства были созданы на Тулунском (9,7 тыс. т) и Зиминском (6 тыс. т) гидролизных заводах. Кроме того, выпуск кормовых дрожжей из отходов целлюлозного производства был налажен на Байкальском ЦБК (40 тыс. т) и Братском Л ПК (80 тыс. т). Намечалось также строительство дрожжевого цеха на Усть-Илимском ЛПК (мощностью 80 тыс. т), однако кризис 1990-х гг. помешал реализации данного проекта.

Суммарное производство кормовых дрожжей в Иркутской области в 1980-х гг. составляло 125 тыс. т (12 % общесоюзного производства). Возобновить выпуск этой экологически чистой и очень важной для АПК продукции можно будет при возрождении гидролизной и микробиологической промышленности в регионе.

Таблица 60.11

Среднее содержание некоторых компонентов в сухих кормовых дрожжах

Многочисленными исследованиями установлено, что кормовые дрожжи являются одним из лучших источников полноценного легкоусвояемого белка (табл. 60.11), которым можно эффективно дополнять традиционные растительные корма и усвояемость которого организмом животного достигает 90 %, что существенно выше, чем усвояемость белка зерновых культур, жмыха и отрубей.

Биологическая ценность дрожжей обусловлена также высоким со-держанием в них незаменимых аминокислот (более 10 %) (табл. 60.13) и витаминов группы В, а также отсутствием генетически модифицированных веществ и организмов.

Высокая усвояемость белка кормовых дрожжей и наличие в них незаменимых аминокислот и витаминов делают дрожжи высокоэффективной кормовой добавкой, повышающей степень усвоения растительных кормов и сокращающей их расход на 10-15 %.

Таблица 60.12

Рекомендуемые дозы добавки кормовых дрожжей в рацион домашних животных и птицы

Потенциальные потребители. Дрожжи являются исключительно ценным кормовым и биологически активным продуктом. Они могут достаточно долго (до 18 месяцев) сохранять свои качества (при условии их хранения в сухом, защищенном от атмосферных осадков месте при температуре от – 30 до 30 °С, а также в силосных емкостях).

Основными потребителями кормовых дрожжей могут быть животноводческие и птицеводческие комплексы. Это тем более важно, что существующие во многих хозяйствах типы кормления не позволяют сбалансировать рационы по важнейшим показателям (энергии и протеину). В результате генетически обусловленный потенциал продуктивности животных реализуется только на 50-60 %. Кроме того, несбалансированность рационов приводит к значительному (на 25-30 %) перерасходу кормов и, соответственно, увеличению затрат на их закупку. В структуре кормов высока доля так называемых грубых кормов, в то время как для быстро развивающихся отраслей животноводства (свиноводства и птицеводства) требуются в первую очередь концентрированные корма.

Биологический и экономический эффекты. Белок кормовых дрожжей занимает промежуточное положение между растительным и животным протеином, поэтому легко усваивается организмом. Добавка в рацион всего 3-16 % дрожжей ускоряет рост и привес животных и птиц, увеличивает надои и жирность молока, повышает яйценоскость кур, снижает падеж молодняка, активизирует репродуктивную функцию. При этом на 10-15 % сокращается общий расход кормов.

Опыт передовых хозяйств показывает, что применение в качестве добавки 1 т кормовых дрожжей позволяет дополнительно получить 0,5-0,8 т свинины, 1,5-2,0 т мяса птицы или 25-30 тыс. штук яиц, заменить до 8 т цельного молока при выкармливании телят.

Таблица 60.14

Эффективность применения дрожжей в качестве кормовой добавки в животноводстве

Производство продуктов на основе лигнина

Лигнин является побочным продуктом гидролизного и биохимического производства. Он представляет собой опилкоподобную массу влажностью около 65 % и с размерами частиц от нескольких миллиметров до микрона (табл. 60.15). Его плотность — 1,15-1,40 г/см³, температура воспламенения (и тления) — 180-190 °С.

Долгое время к лигнину относились как к отходу и вывозили в отвал. Полигоны с отвальным лигнином, созданные при гидролизных заводах, занимали значительные площади (до 20 и более га), а объем отвального лигнина исчислялся миллионами тонн. Например, за время работы трех гидролизных заводов Иркутской области было накоплено около 10 млн т лигнина.

В последние годы отношение к лигнину меняется. Его применяют в некоторых технологических процессах и при производстве различной продукции.

Использование как котельного топлива. Отвальный лигнин применяют в качестве топлива в котельных некоторых гидролизных предприятий. Например, подобная котельная была создана на Бирюсинском гидролизном заводе. По скорости и полноте сгорания высокодисперсное пылевидное лигниновое топливо приближается к жидкому топливу.

Изготовление топливных брикетов. Топливные брикеты отличаются более высоким качеством по сравнению с обычным лигнином. Они имеют высокую теплоту сгорания (до 5 500 ккал/кг), горят бесцветным пламенем, не выделяя коптящего дыма, образуют меньше золы. Брикетированное топливо может применяться для бытового и коммунального отопления.

Таблица 60.16

Теплотворная характеристика лигнина различной влажности и топлива на его основе

Производство лигнинового угля. Его получают при термической обработке лигнина без доступа воздуха (пиролизе). По своим физико-химическим свойствам лигниновый уголь близок к древесному активированному углю. В зависимости от условий обжига он содержит от 70 до 90 % углерода, 3-30 % летучих веществ. Лигниновый уголь малодымен, а его теплотворная способность достигает 7 000 ккал/кг. Он может применяться как эффективное топливо, а также для производства различных сорбентов.

Наиболее крупным потребителем данной продукции является цветная и черная металлургия. В этих отраслях лигниновый уголь с успехом заменяет традиционные углеродистые металлургические восстановители и кусковую шихту при производстве кристаллического кремния и ферросплавов. Дефицит восстановителей в металлургии оценивается в 1 млн т в год.

Производство сорбентов. Их можно изготовлять на основе лигниновых углей и лигниновых брикетов. Сорбенты эффективны при очистке промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, сорбции тяжелых и благородных металлов и т.д.

Улучшение дорожных покрытий. Порошкообразный лигнин находит применение в качестве активной добавки в дорожные асфальтобетоны. Такая добавка за счет модификации нефтяного битума существенно улучшает качество дорожного покрытия. Исследования показали, что добавка лигнина повышает прочность асфальтобетона на 25 %, увеличивает водостойкость на 12 %, расширяет температурные пределы трещиностойкости (хрупкости) от -14 до -25 °С. Кроме того, она экономит дорожно-строительные материалы (расход нефтяного битума сокращается на 15-20 %, известкового минерального порошка — на 100 %).

Лекарственное применение. Гидролизный лигнин является высокоэффективным энтеросорбентом и после специальной обработки находит лекарственное применение в виде порошка, гранул или таблеток. В частности, его используют в качестве адсорбирующего, нормализующего функции органов желудочно-кишечного тракта, детоксицирующего и регенерирующего средства.

Препараты на основе гидролизного лигнина называются «полифан», «полифепан» и «энтегнин» (рис. 60.29). Они связывают и выводят из организма патогенные бактерии и их токсины, различные яды, соли тяжелых металлов, алкоголь, аллергены, радиоактивные изотопы, аммиак и др. Препараты сорбируют также избыток некоторых продуктов обмена веществ (в том числе холестерин) и защищают организм от эндогенного токсикоза. При этом сами они не токсичны, не всасываются и полностью выводятся из организма в течение суток. Кроме того, их применение компенсирует недостаток  естественных пищевых волокон в пище человека, положительно влияет на микрофлору кишечника и на неспецифический иммунитет. Они эффективны при кишечных инфекциях, лекарственной аллергии и острых лекарственных отравлениях,  аллергодерматозах, алкогольной интоксикации, химических и пищевых отравлениях, токсикоинфекциях и т.д. Применение препаратов на основе лигнина в отличие от применения антибактериальных лекарственных средств не приводит к развитию дисбиоза.