5. Этанол из биомассы - новое биосинтетическое топливо

С ростом дефицита жидких углеводородов в ряде стран возникает необходимость замены жидкого топлива из нефти, в первую очередь, для нужд автомобильного транспорта. Использование биосистем в этой области открывает обнадеживающие перспективы, и в настоящее время существует весьма положительный опыт создания крупномасштабной технологии получения топлива из биомассы. Речь идет о производстве топливного этилового спирта. Оценки показывают, что для некоторых стран, богатых первичной биомассой, экономически оправдано создание производства, конвертирующего целлюлозосодержащее сырье в этанол. Положительный опыт разработки такой технологии имеется в Бразилии (так называемый "бразильский проект" [225-227]). В США активно ведутся научно-исследовательские и инженерные разработки в этой области [228]. Моторное топливо, содержащее до 20% спирта, уже в настоящее время имеет коммерческую значимость и получило название "газохол".

Принципиальная схема конверсии целлюлозосодержащего сырья в этиловый спирт складывается из двух стадий:

(1.17)

Первая стадия процесса представляет собой химический или ферментативный гидролиз целлюлозы до олигосахаридов и глюкозы, вторая стадия - микробиологическую трансформацию олигосахаридов и глюкозы в этанол. Проблемы, связанные с ферментативным гидролизом целлюлозы, весьма активно обсуждаются в последние годы, и в этой области можно ожидать решающих успехов [229-231]. Вторая стадия процесса - конверсия углеводов в этанол - один из наиболее древних микробиологических процессов, используемых человечеством. С точки зрения энергетики это весьма "выгодная" реакция:

(1.18)

Коэффициент преобразования энергии в этой реакции, вычисленный на основании теплот сгорания глюкозы (-673 ккал/моль) и этанола (-326,5 ккал/моль), равен 98%.

Механизм микробиологического получения этанола достаточно сложен, однако весьма детально изучен на микробиологическом и биохимическом уровне. Спиртовое брожение полностью включает процесс гликолиза с образованием пировиноградной кислоты.

На последних стадиях пируват декарбоксилируется до ацетальдегида, восстановление которого НАДН с помощью алкогольдегидрогеназы приводит к образованию этанола. Суммарное уравнение спиртового брожения можно записать в виде

(1.19)

Образовавшийся в процессе гликолиза АТФ расходуется для обеспечения энергетики и метаболизма микроорганизма [20, 232].

Представляют интерес данные, характеризующие непосредственную эффективность процесса получения топлива из целлюлозосодержащего сырья с учетом энергозатрат, связанных с получением и переработкой биомассы. В работах [225-227] обсуждаются энергозатраты на производство биомассы, включая все формы сельскохозяйственных и промышленных затрат. В основном анализируются данные, полученные в рамках "бразильского проекта", направленного на создание технологии получения этанола как альтернативы импортируемому углеводородному сырью. Речь идет о переработке сахарного тростника, отходов сахарной промышленности и некоторых тропических трав. В табл. 13 приведены некоторые данные работы [225], характеризующие процесс получения этанола из сахарного тростника. В целом имеется положительный баланс энергии при производстве этанола таким образом. В результате данной технологии получаемая энергия в 2,43 раза превосходит энергию, суммарно израсходованную на сельскохозяйственную и промышленную стадию процесса. Это делает данную технологию оправданной с энергетической точки зрения.

Таблица 13. Энергетический баланс производства этилового спирта из сахарного тростника [225]