Морские биоресурсы – перспективная сырьевая база альтернативных источников энергии

Санкт-Петербургский государственный
технологический институт (технический университет)
Морские биоресурсы –
перспективная сырьевая база
альтернативных источников
энергии
Гарабаджиу А.В. Галынкин В.А., Еникеев А.Х., Абиев Р.Ш.,
Помешалкин Е.И., Пушкарев М.А., Козлов Г.В.
18 апреля 2011 г.
19%
3%
78%
Renewables 2010 Global Status Report /Renewable Energy Policy Network
for the 21st century Secretariat. – Paris, 2010. – P.23.
2
3
Риски традиционной
энергетики
4
Чернобыль 26 апреля 1986
235 миллиардов долларов составили
убытки только Беларуси от последствий
аварии на Чернобыльской атомной
станции.
5
Прямые потери 40 млрд. рублей
6
Убытки группы компаний BP составили
$13,5 млрд.
Мексиканский залив 20 апреля 2010
7
Фукусима 11 марта 2011
8
Техногенные аварии ведут к
разрушению среды
обитания
9
10
http://lenta.ru/news/2008/06/04/lukoil/
11
«Быстрое исчерпание в будущем
ресурсов
обычного
топлива
и
увеличения диоксида углерода в
атмосфере настоятельно ставит перед
человечеством
проблему
создания
принципиально новой базы мировой
энергетики. Времени на создание этой
базы у нас мало, по – видимому , около
100 лет»
Лауреат Нобелевской премии
Акад. АН СССР Н.Н. Семёнов
12
Альтернативная
энергетика
13
14
15
16
С.Д. Варфоломеев, Е.Н. Еременко, Л.П. Крылова//
Успехи химии, 79(6), 2010, 552-564.
17
17
$150 млрд.
инвестиций за 10 лет в
исследования альтернативных
источников энергии
Разработка технологии производства этанола из
целлюлозы. К 2013 году из целлюлозы должно быть
выработано не менее 15% мирового этанола.
К 2025 году выработка 25% электроэнергии США
альтернативными источниками.
Сокращение потребления нефти, как минимум, на 35% к
2030 году
Снижение энергоемкости экономики на 50%
к 2030 году
18
Динамика производства биоэтанола
в мире
140
млн. тонн
120
100
80
60
Динамика производства биодизеля
в мире
40
20
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
25000
2020
23000
тыс. тонн
20000
15000
10000
7900
5000
0
3524
11
408
893
1991
1995
2000
2005
Федоренко В.Ф., Колчинский Ю.Л., Шилова Е.П.
Состояние и развитие производства биотоплива: Науч. аналит. обзор.-М.: ФГНУ
"Росинформагротех", 2007. - 130 с.
4500
2006
2007
2020
19
Чехия
Польша
США
Италия
Федоренко В.Ф., Колчинский Ю.Л., Шилова Е.П.
Состояние и развитие производства биотоплива: Науч. аналит. обзор.-М.: ФГНУ
"Росинформагротех", 2007. - 130 с.
20
Производство биоэтанола
Федоренко В.Ф., Колчинский Ю.Л., Шилова Е.П.
Состояние и развитие производства биотоплива: Науч. аналит. обзор.-М.: ФГНУ
"Росинформагротех", 2007. - 130 с.
21
22
Традиционные сырьевые ресурсы
биодизеля
РАПС
84%
ПОДСОЛНЕЧНИК
13%
ПАЛЬМА 1%
СОЯ 1%
ДРУГИЕ
ИСТОЧНИКИ 1%
23
24
Морское биосырье –
традиционная ресурсная база –
новые пути использования
25
Конкурентные преимущества:
1.Возобновляемый источник сырья сорные породы рыб и штормовые
выбросы водорослей.
2. Круглогодичная добыча сырья.
3. Экологическая безопасность.
Сохранение пахотных земель.
V.A. Galynkin, A.V. Garabadzhiu, A.H. Enikeev, M.M Karasev, G.V. Kozlov //
Catalisis in Industry, 2011, Vol. 3, N 0l, pp. 57-61
26
Научные проблемы
• ГИДРОБИОЛОГИЯ
Оценка запасов водного биосырья и обоснование объемов
его добычи.
• ХИМИЧЕСКАЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ
Экологически чистые катализаторы переэтерификации.
Экологически безопасные технологии гидролиза
водорослевого сырья.
Разработка новых аппаратов для интенсификации
технологии.
27
Ресурс годичного вылова
мезопелагических
рыб 60.000.000 тонн в том числе:
Северо – Восточная Атлантика
10.000.000 тонн
Северо – Западная Атлантика
1.000.000 тонн
Юго – Восточная Атлантика
1.000.000 тонн
Антарктическая часть Атлантики
8.000.000 тонн
28
Реакция переэтерификации липидов
29
Преимущества и недостатки
различных типов катализаторов
Гомогенный основной катализ
• Высокая скорость
реакции
• Мягкие условия
реакции
• Дешевизна и
доступность
катализатора
• Высокие
требования по
чистоте сырья
• Образование
большого
количества отходов
M.K. Lam, K.T. Lee, A.R. Mohammed//Biotechnology Advances 28(2010) 500-518
30
Гетерогенный основной катализ
• Относительно высокая
скорость реакции
• Мягкие условия реакции
• Легкое отделение
катализатора от продукта
• Многократное
использование
катализатора
• Чувствителен к СЖК (при
концентрации СЖК более
чем 2%(вес), образуются
мыла)
• Выщелачивание активных
центров катализатора
может привести к
загрязнению продукта
M.K. Lam, K.T. Lee, A.R. Mohammed//Biotechnology Advances 28(2010) 500-518
31
Гомогенный кислотный катализ
• Нечувствителен к
содержанию СЖК и
воды в сырье
• Возможность
переработки
низкосортных масел
• Мягкие условия
реакции
• Низкая скорость
реакции
• Коррозия
оборудования
• Трудность отделения
катализатора от
продукта
M.K. Lam, K.T. Lee, A.R. Mohammed//Biotechnology Advances 28(2010) 500-518
32
Гетерогенный кислотный катализ
• Нечувствителен к
содержанию СЖК и воды в
масле
• Возможность переработки
низкосортных масел
• Легкое отделение
катализатора от продукта
• Многократное
использование
катализатора
• Дороговизна катализатора
• Жесткие условия и
длительное время
реакции
• Высокая энергоемкость
процесса
• Выщелачивание активных
центров катализатора
может привести к
загрязнению продукта
M.K. Lam, K.T. Lee, A.R. Mohammed//Biotechnology Advances 28(2010) 500-518
33
Биокатализ
• Нечувствителен к содержанию
СЖК и воды в масле
• Возможность переработки
низкосортных масел
• Мягкие условия реакции
• Простота очистки
• Многократное использование
катализатора
• Возможность проведения
процесса без образования
глицерина
• Очень малая скорость реакции
• Высокая стоимость ферментов
• Возможность ингибирования и
инактивации ферментов
спиртами и продуктами
реакции
• Необходимость
иммобилизации ферментов
M.K. Lam, K.T. Lee, A.R. Mohammed//Biotechnology Advances 28(2010) 500-518
34
Широко используемые
биокатализаторы
Novozym 435 – липаза, получаемая из
Candida antarctica, иммобилизованная на макропористом
полиметилметакрилате;
Lipozyme RM IM – липаза, получаемая из
Rhizomucor miehei, иммобилизованная на анионите;
Lipozyme TL IM – липаза, получаемая из
Thermomyces lanuginosus, иммобилизованная на
гранулированном силикагеле.
V.A. Galynkin, A.V. Garabadzhiu, A.H. Enikeev, M.M Karasev, G.V. Kozlov
// Catalisis in Industry, 2011, Vol. 3, N 0l, pp. 57-61.
35
Материальный баланс получения
биодизеля из сорных рыб
Сорная рыба
4160 кг
Липиды 1040 кг + Метанол 114 кг + КОН 19 кг
Переэтерификация
Биодизель 1000 кг
Сырой глицерин (компонент
питательных сред) 100 кг
36
Экономические показатели
Годовой улов траулера
40.000 т цена≈1 млн.$
НЕФТЬ
10.000 т рыбьего жира
1 т рыбьего жира / 100 $
70% затрат - сырье
1 т судового
дизеля в море /
760 $
1 т биодизеля ≈ 150 -200 $
1 кг ≈ 0,15 - 0,20 $
1 кг = 0,76 $
Параметры топлива
Температура
вспышки, С
Цетановое число
Зольность,
%
Содержание серы,
мг/кг
Цена,
тыс.руб/тонна
Дизель
НЕФТЬ
Биодизель
РАПС
Биодизель
МОРСКОЙ
40-62
БОЛЕЕ 100
120
45
БОЛЕЕ 48
51
0,01
---
---
0,2
---
---
12
16
5,5 (в море)
38
Патенты на способы получения
биодизеля из гидробионтов
39
ЭКСПО-2010
(Шанхай)
40
41
Объем производства с площади в 1 га
и стоимость 1 м3 спирта из разных культур*
Сырье
Объем
производства, т/га
Стоимость
долл./м3
Сахарная свекла
2.5-3.0
300-400
Сахарный тростник
3.5-5.0
160
Кукуруза
2.5
250-400
Пшеница
0.5-2.0
380-400
Картофель
1.2-2.7
800-900
Сладкое сорго
3.0-5.0
200-300
Ламинария
сахаристая
25.0-30.0
100-150
* Ch.Rakos. Hotting up, Renewable energy world, 2004, v. 7, n. 4.
42
Продуктивность сухой
массы в год, кг/м2
Laminaria
24,1
Fucus
15,7
Деревья
0,9-2,8
Травы
1,1-6,8
Васьковский В.Е.//Соросовский образовательный журная №7, 1998 г.
43
Ресурс ламинарии сахаристой
БАРЕНЦЕВО МОРЕ
300 тыс. тонн/год
БЕЛОЕ МОРЕ
200-300 тыс. тонн/год
44 г.
Васьковский В.Е.//Соросовский образовательный журная №7, 1998
Лигнин – главная проблема при получении гидролизного
этанола
45
46
В результате переработки штормовых выбросов
водорослей получают
Агар – Агар
Каррагинан
Йод
Фукоидан
Альгинат
Ламинаран
Маннит
Сырьем для биоэтанола служат отходы
этих технологических процессов!
47
Скорость гидролиза субстрата при одиночном и
полиферментативном гидролизе
3 фермента (Дистицим, Вискофло, Целлолюкс)
3
2,5
РВ (г/л)
2
1,5
1
0,5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
вискофло
3 ф-та
4
4,5
Время (час)
дистицим
целлолюкс
48
Патенты на способы получения
биоэтанола из водорослей
1. RU 2008151884
от 22.12.2008
2. РСТ /RU2009/000714 от 22.12.2009
3. RU 2009104353
от 11.02.2009
49
Проблемы
аппаратурного обеспечения
производства биотоплива
50
 Диспергирование в системе Ж-Ж (подготовка
сырья, реакция переэтерификации, промывка продукта)
 Массообмен в системе Ж-Ж (биодизель)
 Разделение фаз в системе Ж-Ж
 Массообмен в системе Ж-Т (биоэтанол)
 Ферментативное брожение (биоэтанол)
51
Недостатки традиционных
аппаратов
52
• Повышение эффективности процессов
• Существенное снижение энергозатрат
• Увеличение полноты использования сырья
• Сокращение габаритных размеров
аппаратов (в том числе с переходом к
мини- и микроаппаратам)
53
Общий вид монолитного
блока-носителя
Бауэр, M. Шуберт, Р. Ланге, Р. Ш. Абиев
Журн. прикл. хим., 2006, Т.79, №7, С. 1057-1066.
54
Фрагмент ПАПТ (3 элемента)
Абиев Р.Ш. // Теор. основы хим. технол., 2009, Т.43, №3. С.
313-321.
55
56