Огненная вода – жидкое топливо

Биоэтанолом называют этанол, получаемый переработкой растительного сырья, и в последние десятилетия его рассматривают как топливо, альтернативное углеводородному. Проект с участием младшего научного сотрудника Института химии твердого тела и механохимии СО РАН кандидата химических наук Ольги Викторовны Голязимовой касается технологии, помогающей сделать процесс выработки топливного этанола более интенсивным. Именно за эту работу О.В. Голязимова получила премию VII общероссийского конкурса молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости». О своих исследованиях Ольга Викторовна рассказала COPAH.info:

- Развитие технологий получения топливного этанола позволяет решать многие экологические проблемы: например, уменьшение выделения продуктов сгорания углеводородов, загрязняющих окружающую среду, или, благодаря переработке отходов биомассы, предотвращение загрязнения почвы и воды продуктами разложения лигнинов – фенолами. Во многих странах уже давно используют топливные смеси, содержащие этанол. В Бразилии сырьем для его получения является сахарная свекла и сахарный тростник, в США – кукуруза. Технологии выработки биоэтанола из целлюлозного сырья, с использованием сельскохозяйственных отходов, содержащих целлюлозу, или отходов деревообрабатывающей промышленности перспективны, так как сырье для производства – биомасса, ежегодно возобновляемая. 

Процесс получения этанола из целлюлозного сырья включает несколько стадий, в том числе гидролиз полимерных молекул целлюлозы до глюкозы и сбраживание последней в спирт ферментами дрожжей или бактерий. Основная трудность - провести реакцию гидролиза нерастворимой в воде целлюлозы в глюкозу. Для этого необходимо использовать катализаторы, в качестве которых могут выступать неорганические кислоты или ферменты. Ферментативные реакции, в отличии от кислотного гидролиза, который протекает в жестких условиях (100 – 200 °С, давление в несколько атмосфер),  проводятся при температуре 50 – 60 °С. Другими словами, использование ферментов в качестве катализаторов более приемлемо. Однако структурные особенности лигноцеллюлозных материалов затрудняют ферментативный гидролиз целлюлозы. Ее молекулы в растительном сырье объединены в пучки – фибриллы. Кроме того, помимо целлюлозы там содержатся ряд полимеров (лигнины, гемицеллюлозы), которые окружают ее, образуя химические связи с ее молекулами. 

Таким образом, чтобы провести реакцию гидролиза, необходима предварительная подготовка целлюлозного сырья, которую проводят, для того чтобы сделать целлюлозу доступной для молекул ферментов. Для активации целлюлозных субстратов используют различные методы предварительной подготовки сырья: измельчение, удаление лигнина химическими реагентами. Многие из предложенных способов обработки нельзя применить в промышленных масштабах из-за токсичности используемых веществ, появления побочных продуктов или высокой стоимости. При механической обработке лигноцеллюлозных субстратов, в отличие от других методов, не используют токсичных реагентов, сложного оборудования, что существенно снижает затраты на ее проведение. Другое существенное преимущество механических методов – это возможность их применения непосредственно во время ферментативного гидролиза целлюлозы. Однако при этом молекулы ферментов также испытывают нагрузку, и если обработка слишком интенсивна, возможен разрыв полимерных молекул белка. Следовательно, необходимо исследовать влияние этого процесса на каталитическую активность ферментов.

Основным результатом исследования должно стать определение режима механической обработки, который позволит проводить активацию реагентов одновременно с реакцией гидролиза. Таким образом, полученные данные помогут увеличить степень превращения целлюлозы в глюкозу, а, следовательно, сделать процесс получения топливного этанола из целлюлозного сырья более рентабельным.

Подготовила Екатерина Пустолякова

Материалы по теме:

«Первое серьезное признание работ ИХТТМ СО РАН в области биотоплива»