Как сделать сахар из борщевика
Обновлено: 04.07.2024
Изобретение относится к области биоэнергетики, спиртовой промышленности и может быть использовано в качестве жидкого печного или моторного биотоплива. Способ получения биоэтанола включает предварительную обработку сырья. Проводят сбор и измельчение зеленой массы сырья с получением сока. Добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку. Осуществляют процесс брожения в течении 3-5 дней. Проводят дистилляцию с получением спирта-сырца, а затем ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта - биоэтанола. При этом в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик дикорастущий и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.
Известны способы производства биоэтанола из таких специально культивируемых сахароносных культур как сахарный тростник, сахарная свекла, сахарное сорго и топинамбур (табл.1).
Таблица 1.
Культура Урожайность, т/га Содержание веществ, % Выход, л/т Выход, л/га
Сахарный тростник (зеленая масса)65 Сахара 15% 70 4550
Сахарная свекла (корнеплод) 46 Сахара 24% ПО 5060
Сахарное сорго (зеленая масса)50 Сахара 18% 85 4250
Топинамбур (зеленая масса) 60 Сахара 14% 67 4020
Топинамбур (клубни)3 40 Сахара 22% 101 4040
Недостатками известных источников растительного сырья, как и всех специально выращиваемых культур для производства биотоплива, являются высокая себестоимость биотоплива по причине больших ежегодных затрат в процессе выращивания (предпосевная обработка почвы, посев, окучивание, подкормка минеральными удобрениями, полив, сбор и т.д.), небольшой выход биоэтанола. Сахарный тростник культивируется только в странах с тропическим и субтропическим климатом, сахарная свекла и топинамбур выращиваются на продовольственные цели (сахаросодержащие продукты).
Задачей предлагаемого изобретения является реализация способа получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого. Борщевик содержит 17-31% сахаров от фазы бутонизации до фазы цветения [Гигантские борщевики - опасные инвазивные виды для природных комплексов и населения Беларуси / Н.А.Ламан, В.Н.Прохоров, О.М.Масловский. Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф.Купревича НАН Беларусии.: Минск, 2009. - С.21], урожайность зеленной массы варьирует от 50 т/га у дикорастущего и до 250 т/га у культивируемого [Кулешов Н.И. Разработка приемов возделывания борщевика Сосновского в условиях центральных районов Нечерноземной зоны. Автореферат диссертации. М., 1990 г.].
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность получить биоэтанол от 79 л/т (дикорастущий борщевик) до 145 л/т (культивируемый) и от 3950 до 36250 л/га в зависимости от урожайности и процентного содержание сахарозы. Также появляется возможность заменить используемые способы производства биоэтанола из культур продовольственного назначения, получить дешевое биотопливо, так как данное растение практически не требует затрат на возделывание и после посадки не нуждается в уходе. Способ получения биоэтанола из дикорастущего борщевика позволит решить такую проблему как ограничение распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения биоэтанола из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого проводят предварительную обработку сырья, заключающуюся в сборе, измельчении зеленой массы и получении сока, добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку, осуществляют процесс брожения в течение 3-5 дней, дистилляцию с получением спирта-сырца, ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта - биоэтанола, в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик как дикорастущий, так и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения.
2458106 - Биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого - иллюстрации
1) Пресс (выжимка)
Зеленая масса растений рода Heracleum подвергается прессованию для извлечения сока с целью получения биотоплива.
Жидкая фракция идет в дальнейшем для переработки в биоэтанол, а твердая фракция для производства твердого биотоплива - пиллет.
Благодаря дву- или трехкратному отжиму и применению систематической обработки стеблей водой между операциями на прессах удается извлечь 90-93% всего содержащегося в стеблях сахара при малом разжижении сока. Отжатый сок проходит через фильтр, где отделяются примеси, мелкие кусочки стеблей и т.п.
Часть отжатого сока отбирается и подается в дрожжегенератор, остальное смешивается с закваской в бродильном аппарате.
2) Пиллеты (гранулы)
Оставшаяся выжатая зеленая масса растений рода Heracleum (жом) идет на производство пиллет (гранул). Технология заключается в следующих операциях:
- гранулирование на пресс-грануляторе;
3) Бродильный аппарат. Для брожения в жидкий субстрат добавляют спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые благодаря своим ферментам (инвертазы и зимазы) перерабатывают сахарозу в этанол.
После завершения процесса брожения проверяют качество продукта. В хорошо сбродившем продукте содержание спирта должно составлять не менее 10%, но и не более 13%, так как дрожжи при данной концентрации этанола начинают гибнуть. Концентрация остаточных сахаров (недоброд) - не более 0,45%, кислотность - не более 0,2%.
На выход спирта, скорость его образования и физиологическое состояние дрожжей большое влияние оказывает концентрация дрожжей в продукте брожения. Она должна соответствовать количеству питательных веществ в среде, которые обеспечили бы и прирост молодых клеток и стойкость зрелых. Оптимальной концентрацией является 15-20 г в 1 л сброживаемого продукта. Это количество дрожжей быстро сбраживает сахар, обычно в течение 6-7 ч, и выход спирта достигает 57-59 л из 100 кг сбраживаемых сахаров. Указанная концентрация обеспечивает и необходимый прирост дрожжей, так как при низкой концентрации дрожжи активно размножаются, часть сахара используется на этот процесс, следовательно, выход спирта понижается, а при высокой концентрации дрожжи медленно размножаются, постепенно отмирают, и брожение замедляется. На скорость брожения влияют также природа и концентрация сахара.
4) Биореактор или дрожжегенератор
Спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae размножаются в ферментерах (биореакторах), которые представляют собой герметические цилиндрические емкости, где автоматически поддерживаются необходимые условия для роста и размножения дрожжей. Главное требование к аппаратам - сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными. Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны иметь высокую бродильную энергию (быстро и полно сбраживать сахара) и анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле.
5) Брагоректификационная колонна
Механизм перегонки основан на том, что спирт и вода имеют разную температуру кипения. Если вода при нормальных условиях закипает при температуре в 100 градусов, то этиловому спирту нужно для этого 78°С.
Следует помнить, что, помимо воды и спирта, брага содержит массу примесей. Легкие начинают закипать при температуре в 68°С, а тяжелые при 85°С. Именно поэтому при перегонке сбраживаемого продукта важно добиваться такой температуры, при которой спирт уже кипит, а сивушные масла еще нет.
На выходе из заводской брагоректификационной колонны получается спирт крепостью не более 96-96,2%. При использовании непромышленной ректификационной колоны необходимо провести перегонку несколько раз, так как этот раствор содержит большое количество примесей, ухудшающих его вкус и качество, поэтому он нуждается в дополнительной очистке. По техническим требованиям для смесей с повышенным (более 10%) содержанием биоэтанола в моторном топливе нужно использовать абсолютный спирт, то есть полностью обезвоженный.
В барду переходят все составные части исходного сырья, за исключением сахаров и дрожжей. Часть азотистых веществ сырья расходуется на питание дрожжей, но при этом синтезируются более полноценные белки, многие витамины и биологически активные вещества. Поэтому натуральная барда представляет собой прекрасный корм для животных. На ряде заводов барду сушат, направляя затем на заводы, производящие комбинированные корма. На фильтрате (жидкой части) барды выращивают специальные расы кормовых дрожжей - актиномицеты, продуцирующие антибиотик биомицин и одновременно витамин В12, используемые в животноводстве.
Спиртовые дрожжи, выделенные из бражки перед ее перегонкой, используют в хлебопечении, но вместо них на барде выращивают кормовые дрожжи или метановые бактерии, синтезирующие витамин В12.
Таким образом, современная спиртовая промышленность, извлекая из растительного сырья и мелассы наименее ценную часть - углеводы, возвращает сельскому хозяйству концентрированные витаминизированные белковые корма и дает богатейшее сырье для химической переработки.
Бензин - продукт переработки нефти, представляющий собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив.
В технологической схеме бензин необходим как составляющий компонент для получения биотоплива.
7) Смеситель, дозатор
Смеситель - дозатор необходим для смешивания бензина и биоэтанола, в результате чего на выходе получаем автомобильное биотопливо. Режим дозирования бензина устанавливается в зависимости от желаемой марки топливной смеси.
8) Биотопливо, Топливные смеси этанола
Е5, Е7, Е10 - смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространенные в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путем его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.
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. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95% этаноле - BEST (BioEthanol for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania.
Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.
Есть такое интересное двухметровое растение — борщевик, известный многим огромный сорняк с симпатичными зонтиками. Оно произрастает вблизи свалок мусора и на участках, которые по каким-то причинам долго не обрабатывались. О том, что растение ядовито и вызывает страшные ожоги, знают далеко не все.
Борщевик Сосновского растет сам, причем на малоценных, нарушенных почвах, не требует вспашки. За счет того, что семян у него много и они при созревании высыпаются на землю от малейшего прикосновения, и в почве под борщевиками всегда есть запас семян, сохраняющих всхожесть, борщевик Сосновского вырастает на том же месте после скашивания. Если вносить в почву азотные, калийные и кальциевые удобрения, то борщевик будет расти без особых усилий по его возделыванию. Для военного хозяйства, всегда испытывающего дефицит рабочих рук, малая трудоемкость выращивания – очень большое преимущество.
Впрочем, сок борщевика Сосновского можно и не перерабатывать на сахар, а пустить на сбраживание с последующим получением этилового спирта. При средней урожайности в 70 тонн с гектара (что соответствует дикорастущему борщевику) и 4200 литров сока можно получить, по подсчетам Владимира Сысоева, 240 млн. тонн этилового спирта.
Для условий войны борщевик Сосновского в качестве источника сахара просто идеален. Сахарная свекла, которая типичная для нашей страны сахароносная культура, наоборот, чрезвычайно трудоемкая в возделывании: севе, прополке, уборке. В военное время, при значительной убыли рабочих рук, посевы свеклы неизбежно резко сократятся.
В принципе, один только борщевик Сосновского может удовлетворить потребности в этиловом спирте для большой войны. Но, поскольку не стоит отказываться и от гидролиза древесины, то сырьевая база для военного хозяйства получается очень крепкой и практически неуничтожимой противником.
Борщевичная целлюлоза
После отжима сока, который идет на производство сахара или этилового спирта, с борщевиком еще не покончено. Отжатая от сока масса все еще имеет большую ценность для военного хозяйства, поскольку содержит много целлюлозы. Республика Коми является чуть ли не единственным регионом, где продолжают выращивать борщевик Сосновского на корм скоту, поскольку другие кормовые культуры там просто не вызревают. И вот Сыктывкарском целлюлозно-бумажном техникуме провели исследования целлюлозы, получаемой из борщевика. Оказалось, что содержание столь ценного продукта – 39% от сухой массы (заготовка стеблей для опытов проводилась зимой, когда стебли почти полностью высыхают). В щелочной варке в растворе едкой щелочи удавалось выделить в среднем 67% целлюлозы.
Итого, при урожайности в 70 тонн с гектара, в собранной зеленой массе борщевика Сосновского будет содержаться порядка 25 тонн целлюлозы, из которых 17 тонн можно извлечь щелочной варкой. Сыктывкарские исследователи ограничились получением борщевичной целлюлозы и испытанием ее на разрыв, сделав вывод, что даже без отбеливания она годится в качестве материала для изготовления картона и упаковочных материалов.
В военном хозяйстве целлюлоза интересна в первую очередь как сырье для производства порохов. В принципе, на сегодняшний день изготовление порохов из древесной целлюлозы не составляет особых затруднений, и адаптировать новое сырье будет сравнительно несложно. Для получения пороха лучшего качества, вероятно, было бы целесообразно вываривать целлюлозу из стеблей борщевика Сосновского не едкой щелочью, а гидросульфитом кальция в автоклаве.
SONY DSC
Бессмысленно и беспощадно
Увы, борщевик Сосновского занимает около 30% из 196 млн га сельхозугодий страны. В Ленобласти борщевик произрастает на площади, в общей сложности, равной примерно 100 тыс. га земли. На целевую программу борьбы с ядовитым сорняком регион в течение пятилетки потратил более 163 млн рублей.
Тем не менее, война продолжается. Больше того, предлагаются креативные технологии, типа гнать из борщевика этиловый спирт. Не чудо ли! О такой необычной возможности сообщил на недавней встрече с областными парламентариями глава Ленобласти Александр Дрозденко. А несколько позже, в Выборге, на заседании Общественного экологического совета при губернаторе был представлен проект чудесного превращения борщевика в биотопливо. Заманчиво, да и только!
Чудо-биомашина
Реализацию экономического потенциала борщевика Сосновского, как
Несколько муниципалитетов Ленинградской области выделили средства на борьбу с борщевиком Сосновского. Три электронных аукциона объявлены областными муниципалами 24 апреля. Так, на.
Второе возможное предназначение: производство сахара. Третье – получение биоэтанола. Четвертое: получение древесного угля для бытовых нужд посредством немецкой уже хорошо освоенной технологии. Пятое: получение целлюлозы для дальнейшего производства картона. Шестое: получение пилетов и гранул для отопительного оборудования. Седьмое: применение в качестве ценного сырья для
фармацевтической промышленности. Восьмое: применение в качестве ценного сырья для
парфюмерной промышленности. Из всего этого можно понять, что борщевик – национальное достояние, а вовсе не яд!
Авторы проекта называют его инновационную сущность (например, получение древесного угля широкого спектра со сроком окупаемости: два-три года) и предлагают
Сосчитать – еще не все
Читайте также: