Гидро́лизный спи́рт (Целлюлозный этанол) — этанол, получаемый дрожжевым брожением сахароподобных веществ, полученных гидролизом целлюлозы, содержащейся в отходах лесной промышленности.
На гидролизных заводах из 1 т древесины получают до 200 л этилового спирта, что позволяет заменить 1,5 т картофеля или 0,7 т зерна. Кроме целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1% раствором соляной или серной кислоты при нагревании.
Гидролизный спирт можно производить с использованием различных технологий гидролиза.
Некоторые схемы гидролиза предусматривают получение смеси этилового и метилового спиртовhttps://dissertations.tversu.ru/system/dissertations/theses/000/000/102/original/%D0%94%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%90.%D0%95..pdf?1458202322.
Преимущества целлюлозного этанола Биоэтанол – это спирт, который получают из сахаров путём ферментации с помощью микроорганизмов. Обычно для этой цели используют дрожжи с научным названием Saccharomyces cerevisiae. Сахара получают из растений, которые используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза для создания своих органических компонентов из углекислого газа (CO2). Сахара могут храниться в форме крахмала (например, зёрна злаков, картофеля) или сахарозы (например, сахарной свёклы, сахарного тростника), или они могут быть разбиты на структурные компоненты (например, целлюлоза), которые придают растению форму и устойчивость. В настоящее время биоэтанол в основном получают путём ферментации сахарозы (бразильский сахарный тростник) или гидролизатов крахмала (кукуруза, зерно). После перегонки и сушки этанол можно использовать в качестве топлива. Однако этот вид производства создаёт конкурентную ситуацию на рынке продуктов питания. Кроме того, ограниченность посевных площадей и экологические проблемы, связанные с необходимой интенсификацией сельского хозяйства, препятствуют крупномасштабному производству этанола на основе крахмала. Поэтому цель состоит во всё большем использовании недорогих растительных остатков, таких как солома, древесные отходы и товары для сохранения ландшафта или энергетические растения, такие как просо прутьевидное (Panicum virgatum ) или мискантус, которые не требуют интенсивного земледелия и также растут на бедных почвах. В отличие от обычного биоэтанола, который производится почти исключительно из частей культур, богатых сахаром или крахмалом, таких как кукуруза и пшеница, для производства целлюлозного этанола можно использовать любую целлюлозную часть растения. Tравы, водоросли и растительные отходы рассматриваются как возможное сырьё для производства целлюлозного этанола.
Преимущества целлюлозного этанола заключаются, с одной стороны, в том, что его производство более эффективно и климатически нейтрально с экологической точки зрения, а с другой стороны, в том, что он составляет меньшую конкуренцию выращиванию пищевых культур. Однако, несмотря на интенсивную государственную поддержку в некоторых странах, крупномасштабное производство целлюлозного этанола в настоящее время не может конкурировать с традиционным биоэтанолом и ископаемым топливом из-за высокой себестоимости производства Хуан Дж. Кадильо-Беналькасар, Сандра Г. Ф. Буккенс, Маддалена Рипа, Марио Джампьетро: Почему Европейский союз производит биотопливо? Изучение последовательности и правдоподобия в преобладающих нарративах с количественным повествованием . В: Энергетические исследования и социальные науки . лента 71 , январь 2021 г., с. 101810 , doi : 10.1016/j.erss.2020.101810 ( elsevier.com [по состоянию на 13 мая 2021 г.])..Моника Паделла, Адриан О'Коннелл, Маттео Прусси: Что всё ещё ограничивает использование целлюлозного этанола? Анализ текущего состояния отрасли . В: Прикладные науки . лента 9 , нет. 21 , 24 октября 2019 г., ISSN 2076-3417 , стр. 4523 , doi : 10.3390/app9214523 (mdpi.com [по состоянию на 13 мая 2021 г.]).
Химия процесса Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которую можно получить гидролизом целлюлозы в присутствии серной кислоты:
(C6H10O5)n + nH2O -> nC6H12O6
В дальнейшем, серную кислоту нужно из раствора удалить, осадив, например, известняком. Заключительная реакция сбраживания глюкозы описывается уравнением:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
История В 1819 году французский химик Анри Браконно обнаружил, что целлюлоза может быть преобразована (гидролизована) в сахара с помощью серной кислоты. Этот сахар потом сбраживается до алкоголя.
В Соединённых Штатах Standard Alcohol Company открыла первый завод по производству целлюлозного этанола в Южной Каролине в 1910 году. Позже был открыт второй завод в Луизиане. Однако оба завода были закрыты после Первой мировой войны по экономическим причинам.
Первая попытка коммерциализации процесса получения этанола из древесины была предпринята в Германии в 1898 году. Она включала использование разбавленной кислоты для гидролиза целлюлозы до глюкозы и была способна производить 7,6 литра этанола на 100 кг древесных отходов. Вскоре немцы разработали промышленный процесс, оптимизированный для выработки около 190 л на тонну биомассы. Этот процесс вскоре добрался до США, кульминацией которого стали две коммерческие установки, работавшие на юго-востоке во время Первой мировой войны. Эти установки использовали так называемый «американский процесс» — одностадийный гидролиз разбавленной серной кислоты. Хотя выходы были вдвое меньше, чем в оригинальном немецком процессе (25 галлонов США (95 л) этанола на тонну против 50), производительность американского процесса была намного выше. Падение производства пиломатериалов вынудило заводы закрыться вскоре после окончания Первой мировой войны. Тем временем в «Лаборатории лесной продукции USFS» продолжалось небольшое, но постоянное исследование гидролиза глюкозы разбавленной кислотой. Во время Второй мировой войны США снова обратились к целлюлозному этанолу, на этот раз для преобразования в бутадиен для производства синтетического каучука. Компания Vulcan Copper and Supply Company заключила контракт на строительство и эксплуатацию завода по переработке опилок в этанол. Завод был основан на модификациях оригинального немецкого «процесса Шоллера», разработанного «Лабораторией продукции USFS». Эта установка достигла выхода этанола в 50 галлонов США (190 л) на сухую тонну, но всё ещё не приносила прибыли и была закрыта после войны.
С быстрым развитием ферментных технологий в последние два десятилетия процесс кислотного гидролиза постепенно сменился ферментативным гидролизом. Химическая предварительная обработка исходного сырья необходима для предварительного гидролиза (отделения) гемицеллюлозы, чтобы она могла более эффективно превращаться в сахара. Предварительная обработка разбавленной кислотой разработана на основе ранних работ по кислотному гидролизу древесины в «Лаборатории лесной продукции USFS» . Недавно Лаборатория лесной продукции USFS совместно с Университетом Висконсин-Мэдисон разработали предварительную обработку сульфитом для преодоления непроходимости лигноцеллюлозы для надёжного ферментативного гидролиза древесной целлюлозы.
Биоэтанол из растительной биомассы Биоэтанол — это этиловый спирт, полученный путём ферментации из сахаров с помощью микроорганизмов. Обычно для этой цели используют дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Сахар поступает из растений, которые используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза для создания своих органических компонентов из углекислого газа (СО2). Сахара могут храниться в форме крахмала (например у зерновых, картофеля) или сахарозы (например у сахарной свёклы, сахарного тростника), или они могут быть включены в структурные компоненты растений (например, целлюлоза), которые придают растению его форму и устойчивость. В настоящее время биоэтанол в основном получают путём сбраживания сахарозы (бразильский сахарный тростник) или гидролизатов крахмала (кукуруза, другие злаки). После перегонки и сушки этанол можно использовать в качестве топлива. Однако этот вид технической культуры создает конкуренцию с продовольственным рынком. Кроме того, ограниченные доступные площади и экологические проблемы, связанные с необходимой интенсификацией сельского хозяйства, препятствуют крупномасштабному производству этанола на основе крахмала. Таким образом, целью ученых является всё более широкое использование дешёвых растительных остатков, таких как солома, древесные отходы и, или энергетических культур, таких как Просо прутьевидное (Panicum virgatum) или мискантус, которые не требуют интенсивного ведения сельского хозяйства и зачастую растут на бросовых угодьях.
Растительные остатки или энергетические культуры содержат мало крахмала или сахарозы, но содержат углеводы, хранящиеся в виде лигноцеллюлоз в клеточных стенках. Лигноцеллюлозы состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и неферментируемого лигнина («древесная масса»). Целлюлоза, как и крахмал, представляет собой полимер из шестиуглеродных молекул сахара, глюкозы, связанных между собой длинными цепями. Оба отличаются только типом связей. Гемицеллюлозы в основном состоят из пятиуглеродных сахаров, ксилозы и арабинозы которые соседствуют в разветвлённых цепях.
Как традиционный этанол целлюлозный этанол может быть добавлен к бензину и использоваться во всех бензиновых автомобилях сегодня. Его потенциал по снижению выбросов парниковых газов выше, чем у традиционного этанола, получаемого из зерновых. Производство целлюлозного этанола может стимулировать экономический рост в сельских районах, открыть новые рынки для фермеров и увеличить использование возобновляемых источников энергии. Наиболее распространены смеси бензина или дизтоплива со спиртом, называемые соответственно газхол и дизхол.
Предварительная обработка и осахаривание растительного материала Несмотря на близкое сходство ферментации крахмала и лигноцеллюлозы, последняя представляет некоторые трудности. Во-первых, лигноцеллюлозу необходимо разжижать и осахаривать. Это намного сложнее, чем с крахмалом, потому что цепи сахара труднодоступны. Поэтому растительный материал должен быть предварительно химически или термически обработан. Только после этого может происходить осахаривание с помощью специальных ферментов (целлюлаз, ксиланаз, глюкозидаз), которые расщепляют цепи целлюлозы на глюкозу так же, как амилазы в крахмале. Эти ферменты получены из грибов, которые в норме участвуют в гниении растительных остатков. Поскольку требуется значительно больше ферментов, чем для осахаривания крахмала, это приводит к увеличению затрат. Однако исследования последних лет привели к снижению затрат.
Ферментация сахарной смеси гексоз и пентоз Второе важное отличие заключается в том, что лигноцеллюлоза содержит не только глюкозу в качестве строительного блока сахара, как в крахмале, но и другие сахара, такие как ксилоза и арабиноза (= сахар С5 или пентозы). Однако они не могут быть использованы дрожжами, используемыми для производства этанола. Поэтому необходимо использовать специально выведенные дрожжи, которые, помимо глюкозы, также могут сбраживать другие сахара в этанол.
В традиционном производстве этанолового топлива используются только дрожжи типа Saccharomyces. Это те самые дрожжи, которые используются для приготовления хлеба, пива и вина. Преимущество дрожжей перед бактериями в том, что обращение с ними в промышленных процессах было установлено веками. По этой причине они идеально подходят для производства этанола из лигноцеллюлозы. Однако их основным недостатком является то, что они могут сбраживать только сахара С6 (=гексозы), но не сахара С5 (=пентозы).