Мировое производство топливного биоэтанола в 2015 году составило около 9,7 млрд дал [8]. На жидкое биотопливо учеными возлагаются большие надежды как на ресурс, потенциально способный смягчать последствия глобального изменения климата, содействовать достижению энергетической безопасности и поддерживать сельскохозяйственных производителей во всем мире [14]. Многие государства ссылаются на эти цели, обосновывая реализацию политики, стимулирующей производство и использование жидкого биотоплива на основе отходов сельскохозяйственного производства. Мировой опыт показывает, что жидкое биотопливо становится перспективной и популярной категорией энергетических ресурсов, которая по своему значению для мировой энергетики занимает следующую позицию после твердого топлива из биомассы. Несмотря на высокую себестоимость, мировое производство биоэтанола из целлюлозосодержащей биомассы динамично растет. Это происходит за счет экологически продуманной экономической политики на государственном уровне [15]. Мировым лидером по производству биоэтанола являются США – на их долю приходится около 57 % мирового производства этанола, который в основном получают из кукурузы, данное производство использует более 1/3 урожая кукурузы США, что нарушает продовольственную безопасность страны. Второй по величине страной производителем биоэтанола является Бразилия, на которую приходится 27 % мирового производства биоэтанола, основным сырьем для топливного биоэтанола в Бразилии является сахарный тростник [15].
С 2010 г. наблюдается устойчивая тенденция производства биоэтанола из целлюлозной биомассы, не представляющей угрозу продовольственной безопасности страны и не конкурирующей с пищевым сектором экономики. Существующее разнообразие целлюлозосодержащего недревесного сырья, такого как отходы сельского хозяйства и энергетические культуры, позволяет рассматривать множество потенциальных источников высокоэнергетической биомассы для производства биоэтанола, обладающих разным химическим составом и свойствами [9, 11].
В коммерциализации технологии этанола из биомассы в настоящий момент дальше всех продвинулась канадская компания «Iogen» – в год перерабатывается более 2,8 млн тонн растительных остатков (отходов сельского хозяйства, в том числе плодовых оболочек овса, и лесных отходов). Партнеры этой корпорации в Бразилии производят биоэтанол из жмыха сахарного тростника (багассы) [6]. Компания «Inbicon A/S» (Дания) разработала технологию превращения и переработки лигноцеллюлозной биомассы в топливо, заводы данной компании реализованы в ряде европейских стран, США, Канаде (сырьем являются пшеничная солома и отходы деревообработки), Китае (сырьем являются сельскохозяйственные отходы), Бразилии (сырьем является багасса), и Малайзии (сырьем является целлюлозная составляющая фруктов и шрот от производства пальмового масла) [5].
Общий ежегодный объем органических отходов АПК в нашей стране составляет около 593 млн тонн, из них отходов растениеводства – 220 млн тонн, потенциал производства биоэтанола из отходов растениеводства составляет 2,6 млрд дал в год. В России отсутствуют действующие заводы по производству биоэтанола второго поколения. В ИПХЭТ СО РАН активно ведутся исследования по получению биоэтанола из плодовых оболочек овса и мискантуса, разработанная технология успешно масштабирована на опытно-промышленном производстве [1–2, 12–13] и запатентована (Пат. 2581799 Россия, МПК С12Р 7/10). Разработанная технология биоэтанола включает в себя этапы химической обработки сырья в одну стадию раствором гидроксида натрия [3], ферментативный гидролиз, совмещенный со спиртовым брожением, дистилляцию и ректификацию биоэтанола.
Сущность щелочной делигнификации заключается в удалении лигнина из композитной матрицы растения, кроме того, происходит гидролиз гемицеллюлоз. Механизм реакции включает омыление межмолекулярных эфирных связей, которыми прошиты гемицеллюлозы и лигнин. В результате омыления происходит расщепление этих связей и воздействие щелочи на микрофибриллы целлюлозы. Степень полимеризации целлюлозы снижается, одновременно происходит набухание целлюлозы, что приводит к увеличению её внутренней поверхности и делает целлюлозу более доступной для действия ферментов. Полученный субстрат представляет собой рыхлую массу светло-серого цвета с желтоватым оттенком, без запаха, при растирании в руках становятся видны остевые остатки ПОО.
В качестве сырья использован массовый отход сельского хозяйства – плодовые оболочки овса, на долю которых приходится 28 % от всей массы зерна, то есть масса этого вида отходов только для Алтайского края составляет 0,31 млн т/год (по данным Алтайкрайстата). Использование плодовых оболочек овса в качестве сырья для производства биоэтанола обусловлено его низкой стоимостью и доступностью, обоснование выбора сырья приведено в работе [12].
Для реализации в производственных условиях ферментативного гидролиза необходимы эффективные и промышленно доступные целлюлолитические ферментные препараты, состоящие из карбогидраз, конвертирующих различные растительные полисахариды в простые сахара. Основными промышленными продуцентами таких препаратов являются микроскопические грибы, принадлежащие к роду Trichoderma, также показана высокая перспективность грибов Penicillium, Chrysosporium и Acremonium.
В данной работе для процесса ферментативного гидролиза использовались промышленно доступные ферментные препараты: «Целлолюкс-А» (производитель ООО ПО «Сиббиофарм», г. Бердск) и «Брюзайм BGX» (поставщик компания «Русфермент», г. Москва) в соответствии с аналитическими паспортами стандартизованы по целлюлазной и ксиланазной активности. Спиртовое брожение осуществляли с использованием дрожжей Saccharomyces сerevisiae Y-1693 Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (г. Москва). Дрожжи Saccharomyces сerevisiae ВКПМ Y-1693 являются основным продуцентом биоэтанола в России, применяемые в производстве этилового спирта как на пищевом сырье, так и на гидролизных средах. Сахаромицеты обладают высокой бродильной активностью, устойчивы к вредным примесям гидролизатов, хорошо переносят нарушения параметров технологического процесса спиртового брожения, а также остановки цехов на планово-предупредительный и капитальный ремонты.
Доза инокулята составила 12 %. Целью данной работы являлся расчет себестоимости биоэтанола из плодовых оболочек овса в промышленном масштабе. Согласно дорожной карте РФ «Развитие биотехнологий и генной инженерии» от 18 июля 2013 г. № 1247-р проведение перепрофилирования простаивающих государственных предприятий по производству этилового спирта в предприятия по производству биоэтанола для биотоплива входит в список мер по развитию биоэнергетики.
Расчет произведен на основании результатов, полученных на опытно-промышленном производстве, где выход биоэтанола из плодовых оболочек овса, предобработанных в одну стадию раствором гидроксида натрия, составил – 12 дал/т. В данной работе приводится проектная производственная калькуляция себестоимости биоэтанола для ЗАО «Бийский спиртзавод». Завод оборудован в соответствии с действующими строительными нормами и правилами площади производственных помещений. На территории предприятия расположены: склады; основное производственное здание, в котором располагаются основные производственные цеха, цех розлива, цех ректификации; углекислотная, механический цех, здания заводоуправления; мастерские; скважины водозабора; котельная. Все здания связаны между собой асфальтными дорожками. Большая часть территории также заасфальтирована. Ширина проезжей части 10 м. На территории завода имеется очистное сооружение, сборники для водоотведения. Территория предприятия ограждена забором и имеет двое выездных ворот. Расположение технологических цехов обеспечивает поточность технологического процесса. Имеются пути для подъезда авто- и железнодорожного транспорта. В настоящее время завод не функционирует.
Для реализации проекта необходима только реконструкция цеха подготовки сырья (табл. 1), в связи с заменой зернового сырья на отходы зерновой промышленности – плодовые оболочки овса (табл. 2) – и необходимостью покупки специализированного оборудования для химической предварительной обработки сырья разбавленным раствором гидроксида натрия.
Таблица 1
Затраты на обустройство территории и реконструкцию цеха
|
Наименование затрат |
Стоимость, руб. |
|
Обустройство территории |
326 000 |
|
Реконструкция цеха |
560 000 |
|
Итого: |
886 000 |
Таблица 2
Смета затрат на сырье и материалы
|
Наименование |
Расход сырья и реактивов на 1 дал биоэтанола, кг |
Стоимость 1 кг сырья и реактивов, руб. |
Расход сырья и реактивов на годовой выпуск, кг |
Стоимость сырья и реактивов, на годовой выпуск, руб. |
|
Плодовые оболочки овса |
83,3 |
0,3 |
63 974 400 |
19 192 320 |
|
Гидроксид натрия |
6,64 |
41,0 |
5 099 520 |
209 080 320 |
|
«Целлолюкс-А» |
0,0824 |
150 |
63 283,2 |
9 492 480 |
|
«Брюзайм-BGX» |
0,0824 |
150 |
63 283,2 |
9 492 480 |
|
Итого: |
247 257 600 |
|||
Таблица 3
Калькуляция себестоимости на единицу продукции и годовой выпуск
|
Статьи расхода |
Затраты на единицу продукции, руб. |
Стоимость годового выпуска, руб. |
|
Сырье и материалы |
322,0 |
247 257 600 |
|
Электроэнергия на технологические нужды |
16,3 |
12 531 414 |
|
Водоснабжение и водоотведение на технологические нужды |
15,8 |
12 113 920 |
|
Заработная плата сотрудников |
9,6 |
7 396 267 |
|
Отчисления на социальные нужды ОПР |
2,9 |
2 233 672 |
|
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования |
1,9 |
1 442 908 |
|
Цеховые расходы |
21,8 |
16 738 592 |
|
Общезаводские расходы |
32,7 |
25 107 889 |
|
Попутная продукция (углекислый газ) |
50,4 |
38 707 200 |
|
Итого: |
372,6 |
286 115 062 |
Таблица 4
Себестоимость этанола в некоторых странах
|
Сырьевой источник (страна, год) |
Стоимость, $/литр этанола |
Литературный источник |
Стоимость на август 2016 г.* |
|
Солома пшеницы (Мексика, 2013) |
0,99–1,21 |
[10] |
1,10–1,35 |
|
Сахарный тростник, включая жом и листья (Бразилия, 2016) |
0,57 |
[7] |
0,57 |
|
Кукурузные стебли (Испания – США, 2016) |
1,20 |
[7] |
1,20 |
|
Сахарная свекла (Франция, 2009) |
0,60–0,68 |
[11] |
0,67–0,76 |
|
Смесь лигноцеллюлозных материалов (США, 2007) |
0,43 |
[11] |
0,50 |
Примечание. * расчёт стоимости на август 2016 г. произведён согласно калькуляции https://www.statbureau.org/ru/united-states/inflation-calculators?dateBack=2010-1-1&dateTo=2016-8-1&amount=1000.
Проектная мощность завода – 2400 дал/сут (768000 дал /год) рассчитана исходя из мощности существующего производства и вводимого оборудования. Данный завод будет перерабатывать 64000 т плодовых оболочек овса в год, что соответствует 1/5 запасов Алтайского края. Расчет себестоимости выполнен согласно [4].
Известно, что попутной продукцией при спиртовом брожении является газ – диоксид углерода. Практический выход диоксида углерода составляет 70 % к массе спирта, или 5,6 кг на 1 дал выработанного спирта. В условиях данного производства вырабатывается 4 300 800 кг диоксида углерода. Стоимость диоксида углерода составляет 9,0 руб/кг. Доход от продажи попутной продукции составит 38 707 200 руб/год.
С учетом производительности завода 768 000 дал биоэтанола в год и продажи попутной продукции себестоимость 1 дал биоэтанола составит 372,6 руб., или 37,26 руб. за 1 л биоэтанола, или 0,59 $.
Себестоимость биоэтанола из плодовых оболочек овса в данном проекте сопоставима с его себестоимостью из лигноцеллюлозного сырья в большинстве стран мира (табл. 4).
Приведенные данные показывают, что разработанная технология биоэтанола позволит получать конкурентоспособный продукт в условиях мирового рынка. Таким образом, показана целесообразность внедрения в промышленность технологии производства биоэтанола, разработанной в ИПХЭТ СО РАН с использованием в качестве сырья массового отхода сельского хозяйства – плодовых оболочек овса.