Спирт из дерева можно пить
Содержание статьи
Как сделать спирт из опилок: все способы получения биотоплива
Опилки — ценное сырье для производства различных спиртов, которые можно использовать в качестве горючего.
На таком биотопливе могут работать:
- автомобильные и мотоциклетные бензиновые двигатели;
- электрогенераторы;
- хозяйственная бензиновая техника.
Основная проблема, которую приходится преодолевать при изготовлении биотоплива из опилок — это гидролиз, то есть превращение целлюлозы в глюкозу.
Основа у целлюлозы и глюкозы одна — углеводороды. Но для превращения одного вещества в другое необходимы различные физические и химические процессы.
Как получить спирт из опилок?
Основные технологии для преобразования опилок в глюкозу можно поделить на два типа:
- промышленные, требующие сложного оборудования и дорогих ингредиентов;
- домашние, не требующие какого-то сложного оборудования.
Вне зависимости от способа гидролиза, опилки необходимо максимально измельчить. Для этого применяют различные дробилки.
Чем меньше размер опилок, тем более эффективным будет разложение древесины на сахар и другие компоненты.
Найти более подробную информацию об оборудовании для измельчения опилок вы сможете здесь: Оборудование для переработки древесных отходов. Никакой другой подготовки опилки не требуют.
Промышленный способ
Опилки засыпают в вертикальный бункер, затем заливают раствором серной кислоты (40 %) в соотношении 1:1 по массе и, закрыв герметично, нагревают до температуры 200-250 градусов.
В таком состоянии опилки держат 60-80 минут, постоянно перемешивая.
За это время проходит процесс гидролиза и целлюлоза, впитывая воду, распадается на глюкозу и другие составляющие.
Полученное в результате этой операции вещество процеживают, получая смесь раствора глюкозы с серной кислотой.
Очищенную жидкость сливают в отдельную емкость и смешивают с раствором мела, который нейтрализует кислоту.
Затем все отфильтровывают и получают:
- ядовитые отходы;
- раствор глюкозы.
Недостаток этого метода в:
- высоких требованиях к материалу, из которого изготовлено оборудование;
- больших расходах на регенерацию кислоты,
поэтому широкого распространения он не получил.
Существует и менее затратный метод, в котором используют раствор серной кислоты крепостью 0,5-1 %.
Однако для эффективного гидролиза необходимы:
- высокое давления (10-15 атмосфер);
- нагрев до 160-190 градусов.
Время протекания процесса 70-90 минут.
Оборудование для такого процесса можно изготовить из менее дорогих материалов, ведь столь разбавленный раствор кислоты менее агрессивен, чем тот, который применяют в описанном выше методе.
А давление в 15 атмосфер не является опасным даже для обычного химического оборудования, ведь многие процессы также проходят при высоком давлении.
Для обоих методов применяют стальные, герметично закрывающиеся емкости объемом до 70 м³, выложенные изнутри кислотоупорным кирпичом или плиткой.
Такая футеровка защищает металл от контакта с кислотой.
Нагревают содержимое емкостей, подавая в них раскаленный пар.
Сверху устанавливают спускной клапан, который настраивают на необходимое давление. Поэтому излишки пара выходят в атмосферу. Остальной пар создает необходимое давление.
В обоих методах задействован один и тот же химический процесс. Под воздействием серной кислоты целлюлоза (C6h20O5)n впитывает воду H2O и превращается в глюкозу nC6h22O6, то есть смесь различных сахаров.
После очистки эту глюкозу используют не только для получения биотоплива, но и для производства:
- питьевого и технического спирта;
- сахара;
- метанола.
Оба метода позволяют перерабатывать древесину любых пород, поэтому являются универсальными.
В качестве побочного продукта переработки опилок в спирт получают лигнин — вещество, склеивающее:
- пеллеты;
- брикеты.
Поэтому лигнин можно продавать предприятиям и предпринимателям, которые занимаются производством пеллет и брикетов из отходов древесины.
Еще один побочный продукт гидролиза — фурфурол. Это маслянистая жидкость, эффективный антисептик для обработки древесины.
Фурфурол также применяют для:
- очистки нефти;
- очистки растительного масла;
- производства пластмасс;
- создания противогрибковых лекарств.
В процессе обработки опилок кислотой выделяются ядовитые газы, поэтому:
- все оборудование необходимо монтировать в проветриваемом цеху;
- работники должны надевать защитные очки и респираторы.
Выход глюкозы по массе составляет 40-60 % от веса опилок, но с учетом большого количества воды и примесей вес продукта в несколько раз больше исходного веса сырья.
Лишняя вода будет удалена в процессе перегонки.
Кроме лигнина побочными продуктами обоих процессов являются:
- алебастр;
- скипидар,
которые можно продать, получив какую-то прибыль.
Очистка раствора глюкозы
Очистку проводят в несколько этапов:
- Механическая очистка с помощью сепаратора удаляет из раствора лигнин.
- Обработка меловым молоком нейтрализует кислоту.
- Отстаивание разделяет продукт на жидкий раствор глюкозы и карбонаты, которые затем используют для получения алебастра.
Вот здесь описан технологический цикл переработки древесины на гидролизном заводе в городе Тавда (Свердловская Область).
Домашний способ
Этот способ проще, но занимает в среднем 2 года. Опилки насыпают большой кучей и обильно поливают водой, после чего:
- накрывают чем-нибудь;
- оставляют преть.
Температура внутри кучи поднимается и начинается процесс гидролиза, в результате которого целлюлоза превращается в глюкозу, которую можно использовать для брожения.
Минус этого метода в том, что при низкой температуре активность процесса гидролиза снижается, а при отрицательной полностью прекращается.
Поэтому такой метод эффективен лишь в теплых регионах.
Кроме того, велика вероятность перерождения процесса гидролиза в гниение, из-за чего получится не глюкоза, а ил, а вся целлюлоза превратится в:
- углекислый газ;
- небольшое количество метана.
Иногда в домах строят установки, подобные промышленным. Их изготавливают из нержавеющей стали, которая без последствий выдерживает воздействие слабого раствора серной кислоты.
Нагревают содержимое таких аппаратов с помощью:
- открытого огня (костер);
- змеевика из нержавеющей стали с циркулирующим по нему раскаленным воздухом или паром.
Закачивая в емкость пар или воздух и отслеживая показания манометра, регулируют давление в емкости. Процесс гидролиза начинается при давлении в 5 атмосфер, но наиболее эффективно протекает при давлении 7-10 атмосфер.
Затем так же, как и при промышленном производстве:
- очищают раствор от лигнина;
- обрабатывают с помощью раствора мела.
После этого раствор глюкозы отстаивают и сбраживают с добавлением дрожжей.
Брожение и перегонка
Для брожения в раствор глюкозы добавляют обычные дрожжи, которые активизируют процесс брожения.
Эту технологию используют как на предприятиях, так и при получении спирта из опилок в домашних условиях.
Время брожения 5-15 дней, в зависимости от:
- температуры воздуха;
- породы древесины.
Процесс брожения контролируют по количеству образования пузырьков углекислого газа.
Во время брожения происходит такой химический процесс — глюкоза nC6h22O6 распадается на:
- углекислый газ (2CO2);
- спирт (2C2H5OH).
После окончания брожения материал подвергают перегонке — нагреву до температуры 70-80 градусов и охлаждению отходящего пара.
При такой температуре из раствора испаряются:
- спирты;
- эфиры,
а вода и водорастворимые примеси остаются.
Для:
- охлаждения пара;
- конденсации спирта
используют змеевик, погруженный в холодную воду или охлаждаемый холодным воздухом.
Для увеличения крепости готового продукта его перегоняют еще 2-4 раза, постепенно снижая температуру до значения 50-55 градусов.
Крепость полученного продукта определяют с помощью спиртометра, который оценивает удельную плотность вещества.
В качестве биотоплива можно использовать продукт перегонки с крепостью не менее 80 %. В менее крепком продукте слишком много воды, поэтому техника будет работать на нем неэффективно.
Хотя спирт, полученный из опилок, очень похож на самогон, его нельзя использовать для питья из-за большого содержания метанола, который является сильным ядом. Кроме того, большое количество сивушных масел портит вкус готового продукта.
Чтобы очистить от метанола, необходимо:
- первую перегонку проводить при температуре 60 градусов;
- слить первые 10 % полученного продукта.
После перегонки остаются:
- тяжелые фракции скипидара;
- дрожжевая масса, которую можно использовать как для сбраживания следующей партии глюкозы, так и для получения кормовых дрожжей.
Они более питательны и полезны, чем зерно любых злаковых культур, поэтому их охотно покупают фермерские хозяйства, разводящие крупный и мелкий скот.
Применение биотоплива
По сравнению с бензином у биотоплива (спирта, полученного из переработанных отходов) есть как преимущества, так и недостатки.
Вот основные преимущества:
- высокое (105-113) октановое число;
- меньшая температура горения;
- отсутствие серы;
- меньшая цена.
Благодаря высокому октановому числу можно увеличить степень сжатия, повысив мощность и экономичность мотора.
Меньшая температура сгорания:
- увеличивает срок службы клапанов и поршней;
- снижает нагрев двигателя в режиме максимальной мощности.
Благодаря отсутствию серы, биотопливо не загрязняет воздух и не сокращает срок службы моторного масла, ведь оксид серы окисляет масло, ухудшая его характеристики и снижая ресурс.
Благодаря значительно менее высокой цене (если не считать акцизы), биотопливо серьезно экономит семейный бюджет.
Есть у биотоплива и недостатки:
- агрессивность по отношению к резиновым деталям;
- низкое массовое соотношение топливо/воздух (1:9);
- слабая испаряемость.
Биотопливо повреждает резиновые уплотнители, поэтому во время переделки мотора для работы на спирту все резиновые уплотнители меняют на полиуретановые детали.
Из-за меньшего соотношения топливо-воздух для нормальной работы на биотопливе необходима перенастройка топливной системы, то есть установка жиклеров большего сечения в карбюратор или перепрошивка контроллера инжектора.
Из-за слабой испаряемости затруднен пуск холодного двигателя при температуре ниже плюс 10 градусов.
Чтобы решить эту проблему, биотопливо разбавляют бензином в соотношении 7:1 или 8:1.
Для работы на смеси бензина и биотоплива в соотношении 1:1 никакой переделки двигателя не требуется.
Если же спирта будет больше, то желательно:
- заменить все резиновые уплотнители на полиуретановые;
- прошлифовать головку блока цилиндров.
Шлифовка необходима для увеличения степени сжатия, что позволит реализовать более высокое октановое число. Без такой переделки двигатель будет терять в мощности при добавлении в бензин спирта.
Если же биотопливо используют для электрогенераторов или бытовых бензиновых приборов, то желательна замена резиновых деталей на полиуретановые.
В таких устройствах можно обойтись без шлифовки головки, потому что небольшая потеря мощности компенсируется увеличением подачи топлива. Кроме того, потребуется перенастройка карбюратора или инжектора, это сможет сделать любой специалист по топливным системам.
Более подробно о применении биотоплива и переделке моторов для работы на нем читайте в этой статье (Применение биотоплива).
Выводы
Производство спирта из опилок — сложный процесс, который включает в себя массу операций.
Если есть дешевые или бесплатные опилки, то, заливая биотопливо в бак своего автомобиля, вы серьезно сэкономите, ведь его производство обходится заметно дешевле бензина.
Теперь вы знаете, как получить спирт из опилок, применяемый в качестве биотоплива и как это можно сделать в домашних условиях.
Кроме того, вы узнали о побочных продуктах, которые возникают в процессе переработки опилок в биотопливо. Эти продукты также можно продать, получив пусть и небольшую, но все же выгоду.
Благодаря этому бизнес по производству биотоплива из опилок становится весьма выгодным, особенно если использовать топливо для собственного транспорта и не платить акцизный сбор на продажу спирта.
Источник
Спирт из древесины (гидролизный спирт)
Вы в лесу… Вокруг теснятся толстые и тонкие стволы деревьев. Для химика все они состоят из одного и того же материала — древесины, основной частью которой является органическое вещество — клетчатка (C6h20O5) х. Клетчатка образует стенки клеток растений, т. е. их механический скелет; довольно чистую мы её имеем в волокнах хлопчатой бумаги и льна; в деревьях она встречается всегда вместе с другими веществами, чаще всего с лигнином, почти такого же химического состава, но обладающего иными свойствами. Элементарная формула клетчатки C6h20O5 совпадает с формулой крахмала, свекловичный сахар имеет формулу C12H22O11. Отношение числа атомов водорода к числу атомов кислорода в этих формулах такое же, как и в воде: 2:1. Поэтому эти и им подобные вещества в 1844 г. были названы «углеводами», т. е. веществами, как бы (но не на самом деле) состоящими из углерода и воды.
Углевод клетчатка имеет большой молекулярный вес. Молекулы её представляют длинные цепи, составленные из отдельных звеньев. В отличие от белых зёрен крахмала, клетчатка представляет прочные нити и волокна. Это объясняется различным, теперь точно установленным, структурным строением молекул крахмала и клетчатки. Чистая клетчатка в технике зовётся целлюлозой.
В 1811 г. академик Кирхгоф сделал важное открытие. Он взял обыкновенный крахмал, полученный из картофеля, и подействовал на него разбавленной серной кислотой. Под действием H2SO4 произошёл гидролиз крахмала и он превратился в сахар:
Эта реакция имела важное практическое значение. На ней основано крахмало-паточное производство.
Но ведь клетчатка имеет ту же самую эмпирическую формулу, что и крахмал! Значит, из неё тоже можно получить сахар.
Действительно, в 1819 г. было впервые осуществлено и осахаривание клетчатки с помощью разбавленной серной кислоты. Для этих целей можно применять и концентрированную кислоту; русский химик Фогель в 1822 г. получил сахар из обычной бумаги, действуя на неё 87-процентным раствором H2SO4.
В конце XIX в. получение сахара и спирта из дерева стало интересовать уже и инженеров-практиков. В настоящее время спирт из целлюлозы получают в заводских масштабах. Способ, открытый в пробирке учёного, стад осуществляться в больших стальных аппаратах инженера.
Посетим гидролизный завод… В огромные варочные котлы (перколяторы) загружают опилки, стружки или щепу. Это — отходы лесопильных или деревообрабатывающих предприятий. Раньше эти ценные отходы сжигались или просто выбрасывались на свалку. Через перколяторы непрерывным током проходит слабый (0,2-0,6%) раствор минеральной кислоты (чаще всего серной). Долго держать одну и ту же кислоту в аппарате нельзя: содержащийся в ней сахар, полученный из древесины, легко разрушается. В перколяторах давление 8-10 ат, а температура 170-185°. При этих условиях гидролиз целлюлозы идёт значительно лучше, чем при обычных условиях, когда процесс весьма затруднителен. Из перколяторов получают раствор, содержащий около 4% сахара. Выход сахаристых веществ при гидролизе достигает 85 % от теоретически возможного (по уравнению реакции).
Дальше сахарный раствор поступает на сбраживание в спирт с помощью дрожжей, с чем мы уже знакомы. Так из дерева получают этиловый спирт. Он называется гидролизным спиртом.
Рис. 8. Наглядная схема получения гидролизного спирта из древесины.
Для Советского Союза, имеющего необозримые лесные массивы и неуклонно развивающего промышленность синтетического каучука, получение спирта из древесины представляет особый интерес. Ещё в 1934 г. XVII съезд ВКП(б) постановил всемерно развивать производство спирта из опилок и отходов бумажной промышленности. Первые советские гидролизно-спиртовые заводы начали регулярно работать с 1938 г. За годы второй и третьей пятилеток у нас были построены и пущены заводы по выработке гидролизного спирта — спирта из древесины. Этот спирт в настоящее время всё в больших количествах перерабатывается в синтетический каучук. Это — спирт из непищевого сырья. Каждый миллион литров гидролизного этилового спирта освобождает для питания около 3 тыс. тонн хлеба или 10 тыс. тонн картофеля и, следовательно, около 600 га посевной площади. Для получения этого количества гидролизного спирта нужно 10 тыс. тонн опилок с 45-процентной влажностью, что может дать за год работы один лесопильный завод средней производительности.
Источник
Гидролизный спирт
Гидро́лизный спи́рт (Целлюлозный этанол) — этанол, получаемый дрожжевым брожением сахароподобных веществ, полученных гидролизом целлюлозы, содержащейся в отходах лесной промышленности.
На гидролизных заводах из 1 т древесины получают до 200 л этилового спирта, что позволяет заменить 1,5 т картофеля или 0,7 т зерна. Кроме целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1% раствором соляной или серной кислоты при нагревании.
Гидролизный спирт можно производить с использованием различных технологий гидролиза.
Некоторые схемы гидролиза предусматривают получение смеси этилового и метилового спиртов[1].
Химия процесса[править | править код]
Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которую можно получить гидролизом целлюлозы в присутствии серной кислоты[2]:
(C6h20O5)n + nH2O -> nC6h22O6
В дальнейшем, серную кислоту нужно из раствора удалить, осадив, например, известняком. Заключительная реакция сбраживания глюкозы описывается уравнением:
C6h22O6 → 2C2H5OH + 2CO2
История[править | править код]
В 1819 году французский химик Анри Браконно обнаружил, что целлюлоза может быть преобразована (гидролизована) в сахара с помощью серной кислоты. Этот сахар потом сбраживается до алкоголя.
В Соединенных Штатах Standard Alcohol Company открыла первый завод по производству целлюлозного этанола в Южной Каролине в 1910 году. Позже был открыт второй завод в Луизиане. Однако оба завода были закрыты после Первой мировой войны по экономическим причинам.
Первая попытка коммерциализации процесса получения этанола из древесины была предпринята в Германии в 1898 году. Она включала использование разбавленной кислоты для гидролиза целлюлозы до глюкозы и была способна производить 7,6 литра этанола на 100 кг древесных отходов. Вскоре немцы разработали промышленный процесс, оптимизированный для выработки около 190 л. на тонну биомассы. Этот процесс вскоре добрался до США, кульминацией которого стали две коммерческие установки, работавшие на юго-востоке во время Первой мировой войны. Эти установки использовали так называемый «американский процесс» — одностадийный гидролиз разбавленной серной кислоты. Хотя выходы были вдвое меньше, чем в оригинальном немецком процессе (25 галлонов США (95 л) этанола на тонну против 50), производительность американского процесса была намного выше. Падение производства пиломатериалов вынудило заводы закрыться вскоре после окончания Первой мировой войны. Тем временем в «Лаборатории лесной продукции USFS» продолжалось небольшое, но постоянное исследование гидролиза глюкозы разбавленной кислотой. Во время Второй мировой войны США снова обратились к целлюлозному этанолу, на этот раз для преобразования в бутадиен для производства синтетического каучука. Компания Vulcan Copper and Supply Company заключила контракт на строительство и эксплуатацию завода по переработке опилок в этанол. Завод был основан на модификациях оригинального немецкого «процесса Шоллера», разработанного «Лабораторией продукции USFS». Эта установка достигла выхода этанола в 50 галлонов США (190 л) на сухую тонну, но все еще не приносила прибыли и была закрыта после войны.
С быстрым развитием ферментных технологий в последние два десятилетия процесс кислотного гидролиза постепенно сменился ферментативным гидролизом. Химическая предварительная обработка исходного сырья необходима для предварительн. гидролиза (отделения) гемицеллюлозы, чтобы она могла более эффективно превращаться в сахара. Предварительная обработка разбавленной кислотой разработана на основе ранних работ по кислотному гидролизу древесины в «Лаборатории лесной продукции USFS» . Недавно Лаборатория лесной продукции USFS совместно с Университетом Висконсин-Мэдисон разработали предварительную обработку сульфитом для преодоления непроходимости лигноцеллюлозы для надежного ферментативного гидролиза древесной целлюлозы.
Биоэтанол из растительной биомассы[править | править код]
Биоэтанол — это этиловый спирт, полученный путем ферментации из сахаров с помощью микроорганизмов. Обычно для этой цели используют дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Сахар поступает из растений, которые используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза для создания своих органических компонентов из углекислого газа (СО2). Сахара могут храниться в форме крахмала (например у зерновых, картофеля) или сахарозы (например у сахарной свеклы, сахарного тростника), или они могут быть включены в структурные компоненты растений (например, целлюлоза).), которые придают растению его форму и устойчивость. В настоящее время биоэтанол в основном получают путем сбраживания сахарозы (бразильский сахарный тростник) или гидролизатов крахмала (кукуруза, другие злаки). После перегонки и сушки этанол можно использовать в качестве топлива. Однако этот вид технической культуры создает конкуренцию с продовольственным рынком. Кроме того, ограниченные доступные площади и экологические проблемы, связанные с необходимой интенсификацией сельского хозяйства, препятствуют крупномасштабному производству этанола на основе крахмала. Таким образом, целью ученых является все более широкое использование дешевых растительных остатков, таких как солома, древесные отходы и, или энергетических культур, таких как Просо прутьевидное (Panicum virgatum) или мискантус, которые не требуют интенсивного ведения сельского хозяйства и зачастую растут на бросовых угодьях.
Растительные остатки или энергетические культуры содержат мало крахмала или сахарозы, но содержат углеводы, хранящиеся в виде лигноцеллюлоз в клеточных стенках. Лигноцеллюлозы состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и неферментируемого лигнина («древесная масса»). Целлюлоза, как и крахмал, представляет собой полимер из шестиуглеродных молекул сахара, глюкозы, связанных между собой длинными цепями. Оба отличаются только типом связей. Гемицеллюлозы в основном состоят из пятиуглеродных сахаров, ксилозы и арабинозы которые соседствуют в разветвленных цепях.
Как традиционный этанол целлюлозный этанол может быть добавлен к бензину и использоваться во всех бензиновых автомобилях сегодня. Его потенциал по снижению выбросов парниковых газов выше, чем у традиционного этанола, получаемого из зерновых. Производство целлюлозного этанола может стимулировать экономический рост в сельских районах, открыть новые рынки для фермеров и увеличить использование возобновляемых источников энергии. Наиболее распространены смеси бензина или дизтоплива со спиртом, называемые соответственно газхол и дизхол.
См. также[править | править код]
- Гидролиз торфа
- Зелёная химия
- Синтетическое топливо
Примечания[править | править код]
Источник