ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ презентация

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Классификация биотоплива Биотопливо – это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом. Классифицируют по агрегатному состоянию: твердые дрова, пеллеты, топливные брикеты жидкие биоэтанол, биометанол, биодизель, биобутанол и др. газообразные биогаз (биоводород, биометан), диметиловый эфир. Классифицируют по поколениям: 1 поколение получаемые традиционными технологиями 2 поколение получаемые не из пищевого сырья (напр. целюллоза, лигнин, отработанные масла) 3 поколение получаемые из водорослей

Биоэтанол Этиловый спирт классифицируют на пищевой и технический спирт. Пищевой спирт производят из пищевого сырья. Сырьем для производства спирта может быть крахмалосодержащее и сахаросодержащее сырьё. В качестве продуцента в спиртовой промышленности используют дрожжи: отдела Ascomycetes, семейства Saccaromycetaceae, рода Saccaromyces, вида Saccaromyces cerevisiae.

Мировое производство биоэтанола в 2005 году составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % – на США. Мировое производство биоэтанола в 2005 году составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % – на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США – из кукурузы. Биоэтанол уже находит широкое применение в качестве топлива: Е5, Е7, Е10 — смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенерирующую добавку МТБЭ. Е85 — смесь 85 % этанола и 15 % бензина. Стандартное топливо для т.н. «Flex-Fuel» машин, распространённых, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени — в других странах Е95 — смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95 % этаноле в середине 80-х годов. Е100 — формально 100 % этанол, под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 96,5 % и 3,5 % в объёмных процентах).

Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Для производства биоэтанола можно использовать любые продукты с высоким содержанием крахмала: Кукуруза Сахарный тростник Маниок Пшеница Целлюлоза. Считается наиболее перспективным видом сырья. Многие лаборатории мира проводят исследования с целью удешевления производства биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.

Спиртовое брожение Сбраживание полученных под воздействием ферментов углеводов дрожжами с образованием этанола идет гликолитическим путем. Образовавшийся в результате пируват под влиянием пируватдекарбоксилазы превращается в ацетальдегид, который затем присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН, восстанавливается под действием алкогольдегидрогеназы до этанола.

Технологический процесс получения этилового спирта из крахмалосодержащего сырья (зерна пшеницы) Технологический процесс получения этилового спирта из крахмалосодержащего сырья (зерна пшеницы)

Описание технологического процесса Очистка зерна проводится на воздушно - ситовых и магнитных сепараторах. Основным элементом воздушно - ситовых сепараторов является сито, колебание которого обеспечивает движение зерна. Основным элементом магнитных сепараторов – блок магнитов.

Измельчение зерна в целях увеличения гидролиза крахмала проводят на вальцевых дробилках. Измельчение зерна в целях увеличения гидролиза крахмала проводят на вальцевых дробилках. Основным элементом вальцевых дробилок является два вращающихся на встречу друг другу валка,между которыми происходит раздавливание и истирание зерна.

Разваривание осуществляется паром для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала и перевод его в растворимую форму, в которой он легче осахаривается ферментами. Разваривание осуществляется паром для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала и перевод его в растворимую форму, в которой он легче осахаривается ферментами. Разваривание проводят в стальном цилиндрическом с коническим днищем аппарате, имеющим рубашку для охлаждения эерновой массы. Температура процесса 65 °С, время 1,5-2 часа.

Следующая стадия – осахаривание. Следующая стадия – осахаривание. Осуществляют солодовым молоком, полученным путём смешения воды и солода (проросшие зёрна пшеницы, обладающие высокой ферментативной активностью) или ферментативными препаратами микробного происхождения. Температура осахаривания 57-58 °С, оптимальная для амилолитических ферментов. Осахариватель - стальной цилиндрический аппарат с коническим днищем, имеющий рубашку и мешалку. В результате получаем сусло.

Главная стадия – брожение. Главная стадия – брожение. Оптимальная температура осахаривания 28-30 °С. В сусло вносят предварительно приготовленный дрожжевой затор в количестве 3-10 % от объёма сусла. Брожение осуществляют в бродильных аппаратах, представляющих собой цилиндрическую ёмкость с коническим днищем, крышкой и змеевиком для отвода тепла.

В настоящее время используют иммобилизацию клеток дрожжей в криогеле, например криогеле поливинилового спирта (ПВС). В настоящее время используют иммобилизацию клеток дрожжей в криогеле, например криогеле поливинилового спирта (ПВС). Такой гель образуется в результате замораживания концентрированных растворов ПВС, их выдерживания в замороженном состоянии. Криогель играет роль носителя. На основе криогеля изготавливают гранулы.

Целью спиртового производства является получение спирта хорошей очистки и крепостью не менее 86%. Целью спиртового производства является получение спирта хорошей очистки и крепостью не менее 86%. Для этого проводят перегонку и ректификацию спирта из бражки. В зависимости от температуры кипения все примеси можно разделить на две группы: низкокипящие (головные) с температурой кипения ниже, чем у этилового спирта высококипящие (хвостовые) – с температурой кипения выше 78,3°С.

Перегонно – Ректификационное отделение

Перегонка спирта включает в себя следующие основные этапы: Перегонка спирта включает в себя следующие основные этапы: - перекачивание бражки в бражную колонну; - подогрев бражки до температуры кипения этилового спирта; - конденсация образовавшегося пара; - сбор полученного дистиллята и перекачивание в эпюрационную колонну; - утилизация барды

Ректификация пищевого спирта состоит из основных этапов: Ректификация пищевого спирта состоит из основных этапов: -отбор головных фракций; -отбор фракции пищевого спирта; -отбор хвостовых фракций

Преимущества биоэтанола: Преимущества биоэтанола: Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин (это касается только смесей с высоким содержанием этанола) пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов, что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн. автомобилей.

Недостатки биоэтанола: Недостатки биоэтанола: Главной проблемой производства биоэтанола из товарной сельскохозяйственной продукции, в первую очередь из зерна, является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Так, по оценкам бюджетного комитета Конгресса США, вклад роста использования зерна для производства этанола в повышении цен на продовольствие в 2008 г. составил 35 %.

Получение гидролизного спирта из целлюлозосодержащего сырья Таким образом получают технический этиловый спирт. Этанол, получаемый дрожжевым брожением сахароподобных веществ, полученных гидролизом целлюлозы под действием серной кислоты. Самый экономный способ производства этилового спирта.

Сырьё для производства гидролизного спирта отходы лесопильных и деревообрабатывающих предприятий, а также древесина в виде брёвен с лесозаготовок.

Биохимия процесса

Ферментативный гидролиз целлюлозы 1) Использование целлюлазы 2) Иммобилизация фермента

Кислотный гидролиз целлюлозы

Аппаратурная схема стадии выделения этилового спирта

Продукты гидролизного производства

Переработка лигнина

Биодизель Биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Традиционно в качестве сырья для получения биодизеля используются масла: рапсовое соевое подсолнечое Кукурузное оливковое хлопчатника огуречника, микроводорослей и другие масла различные отходы, такие как отработанные масла для жарки и жировой сток в пищевой индустрии, а также отходы рыболовства.

Характеристика биодизеля

Технологий производства биодизеля несколько: Первая - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. 

Вторая – получение биологического дизельного топлива из растительного сырья (соя, рапс, пальмовое, кокосовое масла, касторовое, рыбий жир, сало и другие источники). Вторая – получение биологического дизельного топлива из растительного сырья (соя, рапс, пальмовое, кокосовое масла, касторовое, рыбий жир, сало и другие источники). Семена растений проходят через маслобойку, в которой масло отделяется от шрота – отходов маслоэкстракционного производства. Затем масло смешивают с метанолом приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола (переэтерифицируется при температуре 60°С и нормальном давлении) Реже используют этанол или изопропиловый спирт. В качестве катализатора используется гидроксид натрия (калия) или липаза. Полученную смесь очищают.

Преимущества биодизеля: Преимущества биодизеля: «Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола. Увеличение срока службы двигателя. Смазка подвижных частей двигателя, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО2 на 50–80% ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизтопливе. Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, зажечь биодизельное топливо легче, но, сгорает оно с меньшей теплоотдачей, чем обычное топливо. Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150°С, что делает его сравнительно безопасным веществом. Возобновляемое сырьё. В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия).

Недостатки биодизеля: Недостатки биодизеля: Себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива. Требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель. Эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью. Это чревато потерей стойкости резиновых прокладок и сальников, образованием твердых отложений в форсунках и жиклерах, забитыми топливными фильтрами и отказавшими насосами высокого давления. Высокое содержание в «растительном» выхлопе окиси азота NOx. Содержание NOx в выхлопе в сравнении с обычным дизельным топливом на 10% больше, а в ходе эксперимента инженеры Volvo доказали, что эта разница может достигать 40%. Борьба с токсичностью приводит и к потере мощности, а ее компенсирует больший расход топлива. В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос. Долго не хранится (около 3 месяцев).

Биотопливо третьего поколения на основе микроводорослей

Преимущества Высокая скорость роста; Высокая продуктивность по липидам; Возможность круглогодичного сбора урожая; Не требуют качественных сельскохозяйственных земель Производство биомассы микроводорослей не требует сложного оборудования.

Недостатки Отсутствие свойств, необходимых для крупномасштабных производств. Отсутствие оптимальной технологии культивирования.

Культивирование Открытые пруды; Фотобиореакторы; Гибридные системы.

Культивирование в России

Виды топлива из биомассы микроводорослей

Схема производства биотоплива

Выделение. Флотатор

Выделение. Седикантер

Выделение. Фильтр

Схема производства биотоплива

Другие виды биотоплива Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Его применение в РФ невозможно, т.к. он является прекурсором наркотических и психотропных средств.

Биометанол Биометанол Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива. Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. Преимущества: высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год); в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода; процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством.

Биометан (биогаз) – способен полностью вытеснить природный газ в странах, его не добывающих. Биометан (биогаз) – способен полностью вытеснить природный газ в странах, его не добывающих. По данным Росстата потенциальное производство в России биогаза – до 72 млрд м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии составляет 151 200 ГВт, тепла – 169 344 ГВт. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы. Биогаз содержит: 50÷80 % метана (СН4), 50÷20 % диоксида углерода (СО2), 0÷3 % сероводорода, примеси:  водорода, аммиака и окислов азота.

Также присутствуют ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода. Также присутствуют ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода. Собственно – метаногены – микроорганизмы (архебактерии), восстанавливающие водородом кислоты, спирты и окислы углерода в метан.

Метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту. Метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту. Последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества (конечные продукты брожения). Донором электронов для метаногенов служит водород, а также уксусная кислота.

Характеристика метанобразующих бактерий

Метановое брожение 1. Ферментативный гидролиз нерастворенных сложных органических соединений 2. Кислотогенная стадия Бактерии родов Bacterioides, Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Clostridium (группа 1)

3. Ацетогенная стадия 3. Ацетогенная стадия Ацетогены, образующие водород (группа 2) СН3СН2СООН + 2Н2О → СН3СООН + СО2 + 3Н2 СН3СН2СН2СООН + 2Н2О → 2СН3СООН + 2Н2 Ацетогены, использующие водород (группа 3) 4Н2 + 2СО2 → СН3СООН + 2Н2О

4. Метаногенная стадия 4. Метаногенная стадия Метановые бактерии: Methanococcus, Methanobacterium, Methanospirillum, Methanotrix, Methanosarcina Бактерии, образующие метан восстановлением углекислого газа водородом (группа 4) СО2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2О (28 % СН4) Бактерии, образующие метан путем расщепления уксусной кислоты (группа 5) СН3СООН → СН4 + СО2 (72 % СН4)

Сырьем для производства биогаза могут служить: Сырьем для производства биогаза могут служить: органическая составляющая твердых бытовых отходов, сточные воды, жидкие отходы сельскохозяйственного производства, твердые отходы сельскохозяйственного производства. Производство биогаза нуждается в поддержании постоянной, относительно высокой температуры в 30 – 50С°. Специальная система очистки может отделять от метана углекислый газ, который также является ценным промышленным продуктом. Сырье, оставшееся после ферментации, идет на производство экологически чистых минеральных удобрений, а если биогазовая установка связана с когенерационным устройством, кроме тепла, из метана можно добывать экологически чистое электричество.

Классификация биогазовых установок Небольшие реакторы для ферм (1–20 м3), Большие реакторы для ферм (50–500 м3), Реакторы для переработки промышленных стоков (спиртовой, сахарной промышленности) (500–10 000 м3), Реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (1 – 20*106 м3).

Получение биогаза Метанотенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнообразную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции и детали этих установок несколько варьируют и зависят от типа перерабатываемого сырья.

Биогазовая установка – это комплекс инженерных сооружений, который состоит из: Биогазовая установка – это комплекс инженерных сооружений, который состоит из: агрегатов и емкостей, предназначенных для хранения и подготовки сырья, непосредственно самого производства биогаза, ёмкости для сбора и очистки биогаза, выделения таких побочных продуктов переработки как сухая часть, которая используется для получения высококачественных минеральных удобрений и воды. Метанотенки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов.

Метанотенк представляет собой герметичную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снабженную: Метанотенк представляет собой герметичную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снабженную: устройствами для дозированной подачи и подогрева сырья, газгольдером – емкостью переменного объема для сбора газа. Очень важным в конструкции метанотенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания весьма гетерогенного содержимого аппарата. Максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому перемешивание при метаногенезе должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

Параметры анаэробной очистки pH =7,2–7,4; Мезофильный режим : Т = 37 0С; Установлена рамная мешалка; Теплоноситель – горячая вода.

Температура и, следовательно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого метанового сообщества: Температура и, следовательно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого метанового сообщества: для термофильных организмов процесс реализуется при 50–60 °С, для мезофильных – при 30–40 °С и около 20 °С – для психрофильных организмов. При повышенных температурах скорость процесса в 2–3 раза выше по сравнению с мезофильными условиями. В ходе сбраживания органической массы на первой кислотной фазе в результате образования органических кислот рН среды снижается. Оптимум для метаногенов рН 7.0–8.5, поэтому для нейтрализации используют известь.

Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермичны и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермичны и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева загружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от температуры процесса количество биогаза, идущего на обогрев процесса, может достигать 30 % от объема получаемого. В зависимости от типа сырья и интенсивности процесса биометаногенеза выход биогаза колеблется от 300 до 600 м3/т органической массы при выходе метана от 170 до 400 м3/т. Глубина переработки субстрата при этом может составлять от 20 до 70 %.

Образующийся в процессах метаногенеза жидкий или твердый шлам вывозится на поля и используется в качестве удобрений. Образующийся в процессах метаногенеза жидкий или твердый шлам вывозится на поля и используется в качестве удобрений. Данное применение обусловлено условиями метаногенерации, при которой патогенные энтеробактерии, энтеровирусы, а также паразитарные популяции (Ascaris lumbricoides, Ancylostoma) практически полностью погибают.

Блочная теплоэлектроцентраль 1. Субстрат 2. Заготовительная шахта 3. Бродильный чан 4. Газовый накопитель 5. Электрическая энергия 6. Теплообменик 7. Выхлопной газ 8. Потребитель тепла

Список используемой литературы: Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие / Н. А. Войнов, Т. Г. Волова, Н. В. Зобова и др. ; под науч. ред. Т. Г. Воловой. – Электрон. дан. (12 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ,2009. Биотехнология: теоретический и научно-практический научный журнал. – М.: ФГУП "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов". – Режим доступа: www.genetika.ru/journal/ Прикладная биохимия и микробиология: журнал. – Режим доступа: www.inbi.ras.ru/pbm/pbm.html Газит Э. Нанобиотехнология: необъятные перспективы развития. Пер с англ.: А.Е. Соловченко. – М.: Научный мир, 2011. – 152 с. Дженкинс М. Полимеры в биологии и медицине. Пер. с англ.: О.И. Киселева. – М.: Научный мир, 2011. – 256 с. Кирпичников М. П. Современная биотехнология. Вызовы XXI века / Научно-просветительская серия «Трибуна Академии наук». – М.: РБОФ "Знание" им. С. И. Вавилова, 2010, Вып. №23. Вестник биотехнологии и физико-химической биологии: журнал. Электронное периодическое издание Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова – Режим доступа: www.biorosinfo.ru http://www.biengi.ac.ru Сайт научного совета по биотехнологии (Центр «Биоинженерия») Российской академии наук (ЦБ РАН). http://www.eimb.relarn.ru Институт молекулярной биологии им. Энгельгардта (Москва). http://www.ibch.ru Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (Москва). http://www.genebee.msu.ru Институт физико-химической биологии им. Белозерского МГУ (Москва). http://www.genetika.ru ГосНИИГенетика (Масква) http://www.issep.rssi.ru/sej_str Соросовский образовательный журнал http://www.rusbiotech.ru/spec_razd/statii сайты конференций и конгрессов по биотехнологии.