Этанол или этиловый спирт широко используется человеком на протяжении тысячелетий. Однако в последнее время значение этанола возросло. Он стал важным химическим сырьем и альтернативным экологичным топливом.
В этой статье речь пойдет о способах получения этанола из возобновляемых источников, таких как растительное сырье. Это важно для снижения зависимости от ископаемого топлива и уменьшения вредных выбросов в атмосферу.
Рассмотрим подробно процессы, лежащие в основе производства «зеленого» этанола, и перспективы его применения.
Спиртовое брожение растительного сырья
Спиртовое брожение - это процесс расщепления сахаров, содержащихся в растительном сырье, до этанола и углекислого газа с помощью дрожжей. Основным сырьем для получения этанола традиционно служат злаковые культуры, содержащие крахмал - пшеница, рожь, кукуруза, а также свекла и другие культуры.Процесс спиртового брожения состоит из нескольких этапов:
- Подготовка сырья - дробление, размол, смешивание с водой до получения сусла
- Осахаривание крахмала ферментативным или кислотным гидролизом с получением сбраживаемых сахаров - глюкозы и фруктозы
- Собственно спиртовое брожение - расщепление сахаров дрожжами с образованием этанола и углекислого газа
В качестве основных дрожжей-ферментов используют вид Saccharomyces cerevisiae, которые сбраживают гексозы. Полученную после брожения жидкость называют бражкой, она содержит 8-12% этанола. Для повышения концентрации спирта используют простую перегонку-ректификацию.
Переработка биомассы в этанол
Одним из наиболее перспективных и экологически чистых способов, как получить этанол является переработка растительной биомассы. Этот процесс основан на получении этанола путем спиртового брожения сахаров, содержащихся в сельскохозяйственных культурах.
В качестве сырья для производства этанола чаще всего используют:
- зерновые культуры (пшеница, рожь, кукуруза)
- сахарный тростник
- сахарную свеклу
- картофель
- фрукты
Переработка биомассы включает следующие этапы:
- Подготовка сырья - измельчение, дробление
- Гидролиз углеводов до простых сахаров с помощью ферментов или кислот
- Сбраживание сахаров дрожжами с «получение этанола»
- Отделение этанола от бражки и его очистка
Таким образом, переработка растительной биомассы является одним из наиболее «экологичных» и возобновляемых способов как получить этанол.
Этанол как моторное топливо
В настоящее время этанол активно используется в качестве экологически чистого моторного топлива для автомобилей. По сравнению с традиционным бензином, этанол обладает рядом преимуществ:
- Этанол является возобновляемым топливом, которое можно производить путем получения этанола из растительного сырья
- При сгорании этанола выделяется значительно меньше вредных веществ, чем при сгорании бензина
- Использование этанола в качестве топлива снижает зависимость от нефти и повышает энергетическую безопасность
Однако у этанола есть и недостатки по сравнению с бензином:
- Меньшая энергоемкость - для пробега такого же расстояния требуется больший объем этанола
- Более низкая летучесть, что затрудняет запуск двигателя в холодную погоду
- Агрессивность по отношению к некоторым материалам, используемым в двигателях
Чтобы совместить достоинства обоих видов топлива, наиболее распространены автомобили, работающие на смесях бензина и этанола. Наиболее часто используются:
- E5 - 5% этанола, 95% бензина
- E10 - 10% этанола, 90% бензина
- E85 - 85% этанола, 15% бензина
Помимо использования в чистом виде и в смесях с бензином, этанол также может применяться как добавка-оксигенат для бензина. Оксигенаты способствуют более полному сгоранию топлива, снижая выбросы вредных веществ.
Для широкого использования этанола в качестве моторного топлива необходимо решить ряд технологических задач:
- Создание высокоэффективных технологий «получение этанола» из дешевого растительного сырья
- Конструирование двигателей, оптимизированных для работы на смесях бензина и этанола
- Развитие инфраструктуры для транспортировки и хранения этанола
Таким образом, несмотря на ряд недостатков, этанол является многообещающим экологичным моторным топливом будущего.
Применение этанола в химической промышленности
Помимо использования в качестве топлива, этанол находит широкое применение в различных отраслях химической промышленности. Этанол можно рассматривать как универсальное сырье для производства целого ряда ценных химических веществ.
Важнейшие области применения этанола в химической промышленности:
- Производство уксусной кислоты методом карбонилирования этанола
- Получение этилацетата - растворителя широкого назначения
- Синтез этилена путем дегидратации этанола
Кроме того, этанол используется как сырье или растворитель для производства:
- Пластмасс и полимерных материалов
- Моющих и чистящих средств
- Косметики и парфюмерии
- Лекарственных препаратов
Для нужд химической промышленности огромные объемы этанола производятся методом гидратации (получение этанола из этилена). Однако в последнее время все большее внимание уделяется использованию этанола, полученного из возобновляемого растительного сырья.
Перспективным направлением является создание биотехнологических кластеров, сочетающих производство этанола из биомассы и его дальнейшую химическую переработку на месте. Это позволит существенно повысить рентабельность таких производств за счет комплексного использования сырья и снижения логистических издержек.
В целом, развитие получения этанола из возобновляемых источников открывает новые возможности для химической промышленности, делая ее более экологичной и независимой от ископаемого углеводородного сырья.
