14.5: Біопереробні заводи та використання біомаси

Подібно до того, як сира нафта - це складна суміш вуглеводнів та інших органічних сполук, які повинні проходити через нафтопереробний завод, щоб відокремити та хімічно модифікувати матеріали в ній для отримання палива та нафтохімічної сировини, хімічні речовини з біологічних джерел, як правило, є складними сумішами, які потребують переробки. і хімічної переробки для забезпечення необхідною сировиною. Поділ та переробка біоматеріалів від рослин або бактерій, культивованих у варильних котлах, здійснюється на біопереробному заводі, вихід якого складається з органічних хімічних речовин та палива. На біопереробному заводі різні продукти, які можна отримати з біомаси, відокремлюються та піддаються хімічній обробці, як правило, з метою зменшення хімічно пов'язаного вмісту кисню органічних рідин. Хоча велика кількість сполук, що утворюються з біомаси, створює проблему для поділу, вона також дає можливість виробляти менші кількості високоцінних хімічних речовин.

Рисунок 14.3 ілюструє біопереробний завод, який показує чотири способи отримання сировини з біомаси. Найпростішим і найменш енерговитратним з них є екстракція, при якій органічний розчинник або, в більш складних операціях, надкритичний вуглекислий газ використовується для розчинення матеріалів з біомаси. Такий підхід широко використовується для видобутку масел з деяких видів олійних насіння. Терпенові вуглеводні можна добувати з соснового дерева та інших терпенових заводів. Одним з найбільших потенціалів є видобування вуглеводнів та інших масел з водоростей, які виробляють ці матеріали. Одноклітинні водорості є особливо ефективними фотосинтезаторами, і потенціал високий для генетично інженерних штамів, які можуть виробляти конкретні класи органічних речовин, що видобуваються.

Малюнок 14.3. Загальний контур біопереробного заводу, на якому органічна сировина та паливо отримують під дією мікроорганізмів або ферментів, які деполімеризують великі молекули біомаси, екстракції, гідрування, піролізу або газифікації біомаси.

Крім видобутку, шлях до корисних хімічних речовин з біомаси включає руйнування складних полімерів біомаси. Одним із способів цього є мікробна дія або дія ізольованих ферментів, наприклад, для отримання цукру глюкози з крохмалю або целюлози. Цей крок може вимагати додавання поживних речовин, включаючи азот, фосфор та калій, щоб дозволити мікроорганізмам рости. Глюкоза та інші мономери, виділені ферментативною дією, можуть піддаватися додатковій обробці, найпоширенішим прикладом якої є бродіння глюкози до спирту.

Гідрування біомаси включає реакцію з елементарним Н ₂ під високим тиском і при підвищених температурах. Цей підхід може бути використаний з воднем, що генерується відносно недорого електролізом води з використанням відновлюваних джерел електроенергії, особливо від енергії вітру. Пряме гідрування біомаси виробляє широкий спектр органічних речовин, включаючи оксигенізовані сполуки, деякі з яких мають пряме використання, а інші з яких можуть бути хімічно модифіковані для отримання бажаного продукту.

Піроліз передбачає нагрівання біомаси зовні або за допомогою потоку гарячого газу для виділення рідких і газових продуктів. Може використовуватися зовнішнє джерело тепла, включаючи навіть сонячну енергію, зосереджену та сконцентровану на реакторі. Як і при гідруванні, піроліз генерує різноманітні продукти, включаючи оксигенізовані сполуки. Він також виробляє велику кількість залишкового вуглецю, який можна використовувати безпосередньо як паливо або газифікувати парою та киснем для отримання синтез-газу.

Газифікація, яка більш детально розглядається в розділі 15.6 глави 15, передбачає реакцію гарячого вуглецю з парою,

\[\ce{H2O + C \rightarrow H + CO2}\]

одержуючи суміш синтез-газу Н ₂ і СО. Вуглець зазвичай нагрівається частковим згорянням з O ₂ і СО в синтез-газі вступає в реакцію з парою для збільшення відношення Н ₂ до СО. Біомаса може газифікуватися безпосередньо реакцією з мінімальною кількістю O ₂. Оскільки біомаса має приблизну емпіричну формулу {CH ₂ O}, «вода», необхідна для газифікації, значною мірою знаходиться в самій біомасі. Така пряма газифікація біомаси також виробляє велику кількість органічних речовин, які переробляються нижче за течією на біопереробному заводі.

Важливим фактором на біопереробних заводах є використання каталізаторів. По можливості біопереробні заводи повинні використовувати гетерогенні каталізатори, які не потрапляють в продукт, і ферментні каталізатори, що працюють при помірних температурах.