Биологическая и термохимическая переработка органосодержащих материалов

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.Ф. Куфтов, А.В. Лихачева

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
И ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ
ПЕРЕРАБОТКА
ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ
МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Топливо, топливосжигающие устройства и химические
реакторы»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.43.056(075.8)
ББК 31.365
К95

К95

Рецензенты В.И. Наумов, В.А. Девисилов

Куфтов А. Ф.
Биологическая и термохимическая переработка органосодержащих материалов : учеб. пособие / А.Ф. Куфтов, А.В. Лихачева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 65, [3] с. :
ил.

Пособие посвящено рассмотрению биомассы как одного из источников альтернативных видов тепловой энергии. Дано описание различных топлив, которые можно получить из биомассы, представлены
их энергетический потенциал, а также агрегаты для производства
этих топлив.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Может
быть использовано при выполнении курсовых и дипломных проектов.

УДК 621.43.056(075.8)
ББК 31.365

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время использование биомассы находит все большее распространение как в развивающихся, так и в промышленно
развитых странах. Это обусловлено истощением запасов ископаемых топлив, ростом их стоимости и загрязнением окружающей
среды при их применении для выработки тепловой и электрической энергии. Особенно остро вопрос о применении альтернативных топлив стоит для стран, не имеющих достаточного количества
ископаемых топлив, поскольку эти страны являются энергозависимыми от стран — экспортеров традиционного топлива. В связи с
этим энергетическая и природоохранная политика многих стран
мира в последние годы была направлена на замену ископаемых
топлив альтернативными топливами, в том числе топливом биологического происхождения (биотопливом).
Биоэнергетика основана на использовании местных возобновляемых ресурсов. При правильном использовании эти ресурсы могут обеспечивать сырьем производство тепловой энергии в течение
неограниченного времени, если не нарушать условия их воспроизводства. Поставки биотоплива могут быть организованы как на
региональном, так и на федеральном уровне, в то время как поставки ископаемых (традиционных) органических топлив — только
на федеральном или международном уровнях, поскольку добыча и
потребление ископаемых топлив разнесены друг от друга на большие расстояния.
Из биомассы можно получить промышленные топлива трех видов: твердое, жидкое, газообразное. Основными методами переработки исходного сырья являются механический, термохимический,
биологический. Данное пособие посвящено рассмотрению технологических основ этих методов и соответствующего оборудования.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Биохимическая конверсия

Аэрация — введение газа в питательную среду для увеличения
площади поверхности взаимодействия.
Аэробные и анаэробные микроорганизмы — микроорганизмы,
способные развиваться в кислородной среде и без свободного кислорода соотвотственно.
Аэротенк — биореактор с аэробной конверсией биомассы.
Биогаз — газообразное топливо, полученное анаэробным разложением органических веществ (биомассы) метанообразующими
бактериями.
Биоинженерия — инженерная реализация биотехнологии.
Биологически активные вещества — стимуляторы жизнедеятельности микроорганизмов (витамины, гормоны).
Биомасса — все органические вещества растительного и животного происхождения, рассматриваемые как постоянно возобновляемый источник энергии. Различают первичную биомассу (растения, животные, микроорганизмы и т. п.) и вторичную биомассу
(отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности животных и человека).
Биореактор (ферментатор, ферментер) — агрегат промышленного биологического синтеза.
Биосинтез — процесс получения различных продуктов с помощью природных и искусственных микроорганизмов (бактерий,
грибов).
Биосистема — консорциум микроорганизмов и биомассы.

4

Биотехнологический продукт — продукт, получаемый в процессе воздействия микроорганизмов на органический и неорганический материал различного происхождения.
Биотопливо — биомасса, которая может быть использована как
топливо.
Биофотолиз — биохимическая система, конвертирующая световую энергию с раздельным получением водорода и кислорода.
Включает фотосинтезическую стадию, на которой осуществляется
фотосинтез с выделением кислорода (например, микроводорослями) и анаэробных продуктов водорода.
Биохимические процессы — процессы синтеза вещества при
участии микроорганизмов.
Биоэнергетическая конверсия биомассы — процесс перевода
биомассы с помощью микроорганизмов в топливо (низкоатомные
спирты, биогаз, жирные кислоты и т. п.).
Биоэтанол, фурфурол, бутанол — спирты, получаемые при анаэробной конверсии биомассы и используемые как жидкое топливо.
Выпаривание — процесс удаления из раствора растворителя в
результате изменения его агрегатного состояния, т. е. превращения его в пар и удаления из аппарата (в корпус, конденсатор или
атмосферу). При выпарке (кипении) раствора пары из него выделяются в чистом виде, а растворимые вещества остаются в аппарате
(соль или вязкая жидкость).
Гидролиз (осахаривание) — превращение органических материалов в сахара.
Культуральная жидкость — сложная многофазная система, содержащая культуры бактерий и грибов, растворы различных солей,
растворимых продуктов метаболизма (в том числе спирт) с экстрацеллюлярными (выделяющимися клеткой во внешнюю среду)
продуктами биосинтеза.
Метаболизм — обмен веществ при взаимодействии микроорганизмов с питательной средой.
Метаболит — продукт обмена веществ микроорганизмов.
Метаногенез — метановое анаэробное брожение.
Метантенк — биореактор, в котором осуществляется метагенез.
Микробиологический синтез — технологический процесс производства биотехнологических продуктов.

5

Перегонка (ректификация и дистилляция) — термический процесс разделения жидкости на отдельные компоненты. Процесс перегонки осуществляется в том случае, если кипящая смесь выделяет пар´ы, содержащие те же компоненты, что и в жидкости, но в
другой пропорции. Обычно процент легкокипящих компонентов в
парах больше, чем в жидкости.
Продуценты — микробная структура, накапливающая биологически активные вещества.
Субстрат — исходный продукт, преобразуемый ферментом в
результате специфического фермент-субстратного взаимодействия
в конечный продукт.
Сырье бродильной продукции — биомасса, разделяемая по углеводному типу: сахаристая, крахмальная, целлюлозная.
Фермент — биокатализатор, имеющий белковый состав.
Ферментационная среда — сложная многокомпонентная система (жидкость, газ, квазижидкость).
Ферментация — процесс превращения веществ, происходящий
в анаэробных условиях под воздействием ферментов.
Энергетический лес — специально выращиваемые быстрорастущие деревья, используемые как сырье для получения биотоплива.
Этанол — денатурированный этиловый спирт.

1.2. Термохимическая конверсия

Газификация — переработка органического твердого и жидкого
топлива при высокой температуре в присутствии воздуха, кислорода и воды с получением синтез-газа (генераторного газа). Горючие
составляющие включают в себя смесь углерода, водорода, небольшого количества (1 . . . 3 %) метана и оксидов серы. Теплотворная
способность генераторного газа достигает 16 500 кДж/нм3∗.
Газогенератор — агрегат для осуществления процесса газификации.
Метанирование — процесс получения метана из смеси диоксида углерода и водорода, содержащейся в генераторном газе.

∗ нм3 — кубический метр при нормальных условиях. Нормальные условия в
теплотехнике соответствуют давлению 105 Па и температуре 0 ◦C.

6

Пиролиз — процесс термической переработки органического
сырья путем высокотемпературного нагрева без доступа кислорода.
Синтез-газ (генераторный газ), синтез-спирт — газообразное и жидкое топлива, полученные термохимической переработкой
(термохимической конверсией).
Термохимическая конверсия биомассы (с начальной влажностью W < 60 %) в топливо — прямое сжигание с количеством окислителя, меньшим стехиометрического. К процессам термохимической конверсии относятся газификация и пиролиз.
Термохимический крекинг — процесс карбонизации органического сырья в конденсированное и газообразное состояние. Часто
используется с каталитическими добавками, вводимыми для улучшения эффективности процесса.
Физическая теплота топлива — энтальпия топлива.
Химическая теплота топлива — условная теплота, которая может быть получена при сжигании горючих составляющих топлива.

2. БИОМАССА

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Одна часть биомассы, образовавшаяся за период
возникновения жизни и сконцентрированная в недрах земли, превращается в ископаемые топлива, другая постоянно образуется и
разлагается в настоящее время (возобновляемая биомасса). В пособии будет рассмотрено получение различных топлив из возобновляемой биомассы.
Биомасса образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и
воды с выделением кислорода. При образовании сухой биомассы
поглощается такое же количество углекислоты, какое выделяется
при ее окислении (горении или разложении). Кроме того, при сжигании биомассы уменьшаются выбросы серы и снижается эмиссия
оксидов азота, последняя — вследствие более низких температур
горения.

7