Методы синтеза биотоплива из природного сырья

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: Органическая химия

На тему: Методы синтеза биотоплива из природного сырья (твердых жиров и липидов)



Введение

На данном этапе развития человечества, жизнь людей невозможна без употребления топлив. Различают несколько групп:

1) топлива, добытые из недр земли (ископаемые топлива)

2) топлива, получаемые из сырья наземного происхождения (их называют биотопливами).

Одна из главных разниц между этими группами состоит в том, что к первой группе относится то, что сжигание ископаемых топлив приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере нашей планеты (углерода становится меньше, а в атмосфере намного больше);

Выжигание топлив - группы номер два не повышает количества углекислого газа в атмосфере. Например, сжиганием древесины в атмосферу выбрасывается такое же количество углекислого газа, которое было реквизировано из атмосферы во время роста древесины за счёт фотосинтеза.

В специализированной литературе на данный момент нет универсального, всеобъщеупотребляемого определения, связанного с понятием «биотопливо». Например, интернет - энциклопедии сказано, что: «биотопливо - это топливо, полученное из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов, или органических промышленных отходов».

В данном определении есть свои недостатки.

Во первых, флора рассматривается лишь как сырьё для получения биотоплив, и главное большинство растений сами по себе - готовые биотоплива.

Во вторых, в качестве источников для получения сырья для биотоплив не рассматриваются: - сточные воды,биомасса микроорганизмов, - углекислый газ с водой (в процессах фотосинтеза), - вода (в процессах биофотолиза);

В третьих, так же рассматриваются любые органические промышленные отходы, что не точно, поскольку отходы получают при переработке тех же ископаемых топлив. Важным аспектом является то, что ресурсы планеты понемногу угасают и их добыча становится все трудней, и с финансовой стороны, и с физической при том факторе, что объемы потребления растут чуть ли не с каждым днем. Множество государств испытывают острый дефицит в традиционном топливе.

Нужно заметить, что расширяя процесс переработки сырья в биотопливо, человечество снижает большую экологическую нагрузку на планету (Биологическое сырье в виде множественных отходов не попадает на свалки) идет уменьшение загрязнения суши и водного источников, а также эмиссию метана ( парниковый эффект от метана в 21 раз больше, нежели от углекислого газа) в атмосферу нашей Земли, зная что в природе выделением метана сопровождается естественная биодеградация биологических материалов.

Зачем нужно биотопливо?

Биотопливо - это альтернативный источник энергии для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Согласно современным исследованиям, использование биоэтанола позволяет снизить выбросы углекислого газа на 30-80% по сравнению с бензиновыми двигателями. Это происходит потому, что углекислый газ, возникающий при сгорании биоэтанола в двигателях автомобилей, может быть переработан растениями в процессе фотосинтеза. А эти растения, в свою очередь, используются при производстве возобновляемого топлива - биоэтанола. Так что данный процесс часто называют«замкнутым углеродным циклом».

Лучшие виды биотоплива (например, этанол из сахарного тростника в Бразилии) могут выделять в 10 раз больше энергии, чем энергия, которая была задействована в их производстве, и при использовании выделяют лишь четверть того количества парниковых газов, которые бы выделились при использовании его ископаемого эквивалента.

Худшие образцы биотоплива требует гораздо больше затрат энергии при производстве, более того, они выделяют много парниковых газов, вредных для природы. Так, для получения биодизеля из пальмового масла в Индонезии сжигают леса для расчистки сельскохозяйственных площадей.

Цель:

Сформировать представление о жирах и липидах, как о химических веществах, показать их строение, свойства, роль в природе и жизни человека. Узнать о классификациях и видах биотоплива.



Основные представители биотоплив из природного сырья

Жиры

жир липид биотопливо производство

Жиры, вещества животного, растительного и микробного происхождения, состоящие в основном (до 98%) из триглицеридов полных эфиров глицерина и жирных кислот. Содержат также ди- и моноглицериды (1-3%),фосфолипиды, гликолипиды и диольные липиды (0,5-3%), свободные жирные кислоты, стерины и их эфиры (0,05 1,7%), красящие вещества (каротин, ксантофилл), витамины A, D, Е и К, полифенолы и их эфиры. Химические физические и биологические свойства жиров определяются входящими в их состав триглицеридами и, в первую очередь, длиной цепи, степенью ненасыщенности жирных кислот и их расположением в триглицериде. В состав жиров входят в основном неразветвленные жирные кислоты, содержащие четное число атомов С (от 4 до 26) как насыщенные, так моно- и полиненасыщенные; в основном это миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, 9-гексадеценовая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты.

Олеиновая кислота Линолевая кислота

Почти все ненасыщенные кислоты растительных жиров и большинства животных жиров являются цис-изомерами. Жиры жвачных животных содержат транс-изомеры. Триглицериды, содержащие остатки различных кислот, существуют в виде нескольких изомеров положения, а также в виде различных стереоизомеров, например:



Триглицериды природных жиров содержат по крайней мере две различные жирные кислоты. Различают триглицериды, содержащие три насыщенные кислоты (S₃), две насыщыщенную и одну ненасыщенную, одну насыщенную и две ненасыщенную и три ненасыщенные кислоты(см. таблицу).

В растительных жирах основная часть ненасыщенных кислот расположена в в-положениях триглицеридов. При большом количестве ненасыщенных кислот они занимают также б-положения. Насыщенные кислоты в растительных жирах расположены главным образом в б-положениях. В животных жирах ненасыщенные кислоты также преимущественно занимают в-положение. Исключением является свиной жир в нем в-положение преимущественно занято насыщенными кислотами даже при низком содержании последних.

Функции жиров:

Энергетическая. При распаде 1 грамма жиров освобождается 39 кДж (9,3 ккал) энергии. Жиров, накапливаемых организмом в форме триглицеридов хватит, чтобы обеспечивать основной обмен энергией в течение нескольких месяцев (гликогена - не более, чем на сутки).

Структурная. В комплексе с белками являются структурным элементом всех клеточных мембран. Участвуют в мембранных процессах.

Регуляторная. Регуляторную функцию выполняют гормоны стероидной природы, а также тканевые простагландины, образующиеся из полиненасыщенных высших жирных кислот.

Терморегуляторная. Жиры, входящие в состав подкожной жировой клетчатки, предохраняют организм от переохлаждения, являясь плохим проводником тепла.

Защитная. Липиды в виде жировых прослоек защищают органы от механических повреждений, а также нервные окончания и кровеносные сосуды от сдавливания и ушибов. Жир придаёт эластичность кожным покровам, а ненасыщенные жирные кислоты - бактерицидные свойства.

В качестве растворителя. В жирах растворяются витамины: А, D, Е и К, а также многие другие органические соединения, благодаря чему они легко проникают через стенки сосудов, мембраны клеток, транспортируются в биологических жидкостях.

Физические свойства жиров

Температуры плавления индивидуальных триглицеридов, входящих в состав жиров, зависят от длины цепи, степени ненасыщенности жирных кислот и их расположения в триглицеридах. Подобно большинству длинноцепочных соединений, триглицериды могут кристаллизоваться в нескольких полиморфных формах. Полиморфизм проявляют не только индивидуальные триглицериды, но и природные жиры, состоящие из триглицеридов с близкими длинами кислотных цепей. Жиры, являющиеся смесью различных триглицеридов, не имеют четкой температурыплавления. Все жиры характеризуются значительным увеличением объема при плавлении. При постепенном охлаждении жидкий жир частично кристаллизуется и приобретает форму твердого тела, обладающего пластичностью. Пластичность характерна для жиров, содержащих 10-30% кристаллической фазы. В пластичном жире кристаллы твердых триглицеридов образуют решетку, внутри которой находится значительное количество жидкой фазы. При дальнейшем охлаждении все триглицериды кристаллизуются и жир теряет пластичность. Последняя является ценным свойством жиров, особенно пищевых. Важная характеристика жиров - твердость, определяемая нагрузкой в г/см, необходимой для разрезанияжира в определенных условиях.

Жиры -плохие проводники тепла и электричества. Коэффициент теплопроводности 0,170 Вт/(м.К), диэлектрическая постоянная (30-40)·10^-30Кл.м. Температура вспышки большинства жиров 270-330°С, температура самовоспламенения 340-360 °С; характеристикой жира является также так называемая температура дымообразования (дымления), при которой происходит визуально заметное образование дыма вследствие разложения жира. Она падает с ростом кислотного числа жира и лежит в пределах 160-230°С.

Жиры неограниченно растворимы в диэтиловом эфире бензоле, хлороформе, частично растворимы в этаноле (5-10%) и ацетоне, практически не растворимы в воде, но образуют с ней эмульсии. В 100 г воды эмульгируются 10 мг говяжьего жира, 50 мг свиного. Жиры растворяют небольшие количества воды (0,1-0,4%) и значительные количества газов (7-10% по объему N₂, H₂, О₂ и до 100% СО₂). Растворимость Н₂, N₂, O₂ возрастает с ростом температуры, растворимость СО₂ падает.

Химические свойства жиров

Гидролиз жиров, конечные продукты которого глицерин и жирные кислоты, осуществляют в промышленности нагреванием их с водой до 200-225°С при 2-2,5.10⁶ Па (безреактивный способ) или нагреванием при нормальном давлении в присутствии сульфокислот (катализатор Твитчела и контакт Петрова). Щелочной катализ применяют в процессах мыловарения (см. Мыла) и при наличии в жирнокислотных цепях гидроксильных групп. Скорости ферментативного гидролиза б- и в-сложноэфирных групп ферментом панкреатической липазой различны, что используют для установления строения триглицеридов жиров.

Алкоголиз жиров, в частности метанолиз, используется как первая ступень непрерывного метода мыловарения. Глицеролиз действием глицеринаприменяют для получения моно-и диглицеридов, используемых в качестве эмульгаторов. Ацидолиз, например, ацетолиз кокосового жира с последующей этерификацией избытка уксусной кислоты глицерином, приводит к смеси, состоящей из лауроилдиацетина, миристоилдиацетина и др. смешанных триглицеридов, применяемой в качестве мягчителя нитроцеллюлозы. Большое практическое значение имеет реакция двойного обмена ацильными радикалами в триглицеридах (переэтерификация), протекающая как внутри-, так и межмолекулярно и приводящая к перераспределению остатков жирных кислот. При проведении этой реакции в однофазной жидкой системе (ненаправленная переэтерификация) происходит статистическое перераспределение кислотных остатков в образующейся смеси триглицеридов. Направленная (многофазная) переэтерификацияосуществляется при такой температуре, при которой высокоплавкие триглицериды находятся в твердом, а низкоплавкие - в жидком состоянии. При направленной переэтерификации жиры обогащаются наиболее высокоплавкими (S₃) и наиболее низкоплавкими (U₃) триглицеридами.

Прогоркание жиров, проявляющееся в появлении специфического запаха и неприятного вкуса, вызвано образованием низкомолекулярных карбонильных соединений и обусловлено рядом химических процессов. Различают два вида прогоркания - биохимическое и химическое. Биохимическое прогоркание характерно для жиров, содержащих значительное количесвтво воды и примеси белков и углеводов (например, для коровьего масла). Под воздействием содержащихся в белках ферментов (липаз) происходит гидролиз жира и образование свободных жирных кислот. Увеличение кислотности может не сопровождаться появлением прогорклости.

Химическое прогоркание - результат окисления жиров под действием О₂ воздуха (автоокисление). Первая стадия - образование пероксильных радикалов при атаке молекулярным О₂ углеводородных остатков как насыщенных, так и ненасыщенных жирных кислот. Реакция промотируется светом, теплом и соединениями, образующими свободные радикалы (пероксиды, переходные металлы). Пероксильные радикалы инициируют неразветвленные и разветвленные цепные реакции, а также распадаются с образованием ряда вторичных продуктов - гидроксикислот, эпоксидов, кетонов и альдегидов. Последние и вызывают изменение вкуса и запаха жира.

Липиды

Липиды -- жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Дикими принадлежат к простейшим биологическим молекулам.

В химическом отношении большинство липидов представляет собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и ряда спиртов. Наиболее известны среди них жиры. Каждая молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерола и присоединенными к ней эфирными связями трех молекул высших карбоновых кислот. Согласно принятой номенклатуре жиры называют триацилглицеролами.

Когда жиры гидролизуются (т.е. расщепляются из-за внедрения H⁺ и OH-- в эфирные связи), они распадаются на глицерол и свободные высшие карбоновые кислоты, каждая из которых содержит четное число атомов углерода.

Атомы углерода в молекулах высших карбоновых кислот могут быть соединены друг с другом как простыми, так и двойными связями. Среди предельных (насыщенных) высших карбоновых кислот наиболее часто в состав жиров входят:

пальмитиновая СН₃ -- (СН₂)₁₄ -- СООН или С₁₅Н₃₁СООН;

стеариновая СН₃ -- (СН₂)₁₆ -- СООН или С₁₇Н₃₅СООН;

арахиновая СН₃ -- (СН₂)₁₈ -- СООН или С₁₉Н₃₉СООН;

среди непредельных:

олеиновая СН₃ -- (СН₂)₇ -- СН = СН -- (СН₂)₇ -- СООН или С₁₇Н₃₃СООН;

линолевая СН₃ -- (СН₂)₄ -- СН = СН -- СН₂ -- СН -- (СН₂)₇ -- СООН или С₁₇Н₃₁СООН;

линоленовая СН₃ -- СН₂ -- СН = СН -- СН₂ -- СН = СН -- СН₂ -- СН = СН -- (СН₂)₇ -- СООН или С₁₇Н₂₉СООН.

Степень ненасыщенности и длина цепей высших карбоновых кислот (т.е. число атомов углерода) определяет физические свойства того или иного жира.

Жиры с короткими и непредельными кислотными цепями имеют низкую температуру плавления. При комнатной температуре это жидкости (масла) либо мазеподобные вещества. И наоборот, жиры с длинными и насыщенными цепями высших карбоновых кислот при комнатной температуре представляют собой твердые вещества. Вот почему при гидрировании (насыщении кислотных цепей атомами водорода по двойным связям) жидкое арахисовое масло, например, превращается в однородное мазеобразное арахисовое масло, а подсолнечное масло -- в маргарин. В организме животных, живущих в холодном климате, например у рыб арктических морей, обычно содержится больше ненасыщенных триацилглицеролов, чем у обитателей южных широт. По этой причине тело их остается гибким и при низких температурах.

Различают:

Фосфолипиды -- амфифильные соединения, т. е. имеют полярные головки и неполярные хвосты. Группы, образующие полярную головку, гидрофильны (растворимы в воде), а неполярные хвостовые группы гидрофобны (нерастворимы в воде).

Двойственная природа этих липидов обусловливает их ключевую роль в организации биологических мембран.

Воска -- сложные эфиры адноатомных (с одной гидроксильной группой) высокомолекулярных (имеющих длинный углеродный скелет) спиртов и высших карбоновых кислот.

Еще одну группу липидов составляют стероиды. Эти вещества построены на основе спирта холестерола. Стероиды очень плохо растворимы в воде и не содержат высших карбоновых кислот.

К ним относятся желчные кислоты, холестерол, половые гормоны, витамин D и др.

К стероидам близки терпены (ростовые вещества растений -- гиббереллины; фитол, входящий в состав хлорофилла каротиноиды -- фотосинтетичские пигменты; эфирные масла растений -- ментол, камфора и др.).

Липиды могут образовывать комплексы с другими биологическими молекулами.

Липопротеины -- сложные образования, содержащие триацилглицеролы, холестерол и белки, причем последние не имеют ковалентных связей с липидами.

Гликолипиды -- это группа липидов, построенных на основе спирта сфингозина и содержащих кроме остатка высших карбоновых кислот одну или несколько молекул сахаров (чаще всего глюкозу или галактозу).



Функции липидов

Структурная. Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны. В состав мембран входят также стеролы.

Энергетическая. При окислении 1 г жиров высвобождается 38,9 кДж энергии, которая идет на образование АТФ. В форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма, которые расходуются при недостатке питательных веществ. Животные, впадающие в спячку, и растения накапливают жиры и масла и расходуют их на поддержание процессов жизнедеятельности. Высокое содержание липидов в семенах обеспечивает энергией развитие зародыша и проростка, пока он не перейдет к самостоятельному питанию. Семена многих растений (кокосовая пальма, клещевина, подсолнечник, соя, рапс и др.) служат сырьем для получения масла промышленным способом.

Защитная и теплоизоляционная. Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке и вокруг некоторых органов (почки, кишечник), жировой слой защищает организм от механических повреждений. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль -- способствует плавучести.

Смазывающая и водоотталкивающая. Воска покрывают кожу, шерсть, перья, делают их более эластичными и предохраняют от влаги. Восковым налетом покрыты листья и плоды растений; воск используется пчелами в строительстве сот.

Регуляторная. Многие гормоны являются производными холестерола, например половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин) и кортикостероиды (альдостерон).

Метаболическая. Производные холестерола, витамин D играют ключевую роль в обмене кальция и фосфора. Желчные кислоты участвуют в процессах пищеварения (эмульгирование жиров) и всасывания высших карбоновых кислот.

Липиды являются источником метаболической воды. При окислении жира образуется примерно 105 г воды. Эта вода очень важна для некоторых обитателей пустынь, в частности для верблюдов, способных обходиться без воды в течение 10-12 суток: жир, запасенный в горбе, используется именно на эти цели. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные в спячке получают в результате окисления жира.

Химические свойства липидов

Химические свойства липидов определяются свойствами входящих в их состав жирных кислот. Так, насыщенные жирные кислоты имеют высокую температуру плавления и соответственно животные жиры, состоящие в основном из этих кислот, плавятся при более высокой температуре. Жиры, в которых преобладают ненасыщенные кислоты (растительные масла), имеют более низкую температуру плавления. Не насыщенность жирных кислот существенно влияет на их свойства. С увеличением числа двойных связей снижается температура плавления жирных кислот, возрастает их растворимость в неполярных растворителях и они более легко вступают в реакции, чем насыщенные. Так, ненасыщенные кислоты могут присоединять различные атомы по месту двойных связей. В организме олеиновая кислота, имеющая двойную связь, присоединяет два атома водорода и превращается в стеариновую. Все ненасыщенные жирные кислоты, встречающиеся в природе, при комнатной температуре -- жидкости.

Физические свойства липидов

Гидрофобность, способность растворяться в органических растворителях. Функции липидов многообразны.

Липиды являются резервным веществом животных (кроме того, у животных, обитающих в пустыне, липиды являются источником воды), некоторым растениям для развития семян также необходимы липиды.

Липиды участвуют в процессах терморегуляции за счет малой теплопроводности. При отсутствии липидов невозможно функционирование жирорастворимых витаминов. Энергетическая функция заключается в том, что при полном расщеплении 1 г липидов образуется 38,9 кДж энергии.

Простые липиды -- вещества, состоящие из остатков жирных кислот и спиртов. К этой группе липидов относятся жиры и воски.

Сложные липиды -- вещества, состоящие из остатков жирных кислот, спиртов и дополнительных компонентов (остатка фосфорной кислоты у фосфолипидов или углеводного остатка у гликолипидов). Значение фосфолипидов и гликолипидов -- участие в образовании клеточных мембран.

Жиры -- простые липиды, по химическому строению представляют собой сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Все жирные кислоты в своем составе содержат карбоксильную группу (или как ее еще называют, головку жирной кислоты) и радикал (или хвост, который является гидрофобным). Различия между жирными кислотами связаны с различным строением их радикала.

Насыщенные жирные кислоты -- жирные кислоты, радикал которых не содержит двойных связей. Если в составе жира большее количество насыщенных кислот, он будет иметь твердую консистенцию.

Ненасыщенные жирные кислоты характеризуются наличием двойных связей в радикале. Если в составе жира преобладают ненасыщенные жирные кислоты, он будет иметь жидкую консистенцию.



Биотопливо

Виды биотоплива

Биоэтанол-- обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива.

Биометанол -- метиловый спирт, произведенный в результате переработки биологического сырья (шелухи зерен и семечек, сухих листьев, навоза, помета), а также из органического мусора.

В числе относительно новых способов использования метанола, а соответственно и биометанола выделяют:

-применение в качестве добавки к автомобильным бензинам;

-применение в топливных элементах;

-для метилирования растительных масел в процессе производства биодизеля.

Основными достоинствами биометанола являются:

-- низкий объем выбросов углекислого газа;

--возможность организовать переработку отходов животноводства и сельского хозяйства.

Главные недостатки биометанола:

--низкий энергетический КПД-максимум 68%;

--бесцветное пламя, что может привести к аварийным ситуациям;

-- срок окупаемости проекта -- до 20 лет.

Способы получения биотоплива

Основными из них являются следующие:

1. производство топлива из отходов сельскохозяйственного производства;

2. добавление биологических компонент в традиционные виды топлива;

3. химический синтез горючего.

В случае получения биотоплива из отходов сельскохозяйственного производства сырьем служат растительные остатки и навоз. Отходы проходят сушку и нагреваются до температуры 400-500 ^оС . Из выделившихся при такой обработке газообразных фракций получают высококачественное дизельное топливо, лишенное вредных примесей. Полученное дизельное топливо нейтрально по отношению к CO₂, поскольку при сгорании такого топлива выделяется столько же углекислого газа, сколько было поглощено при росте растений. Чистота такой биологической солярки удовлетворяет самым строгим нормам. По оценкам специалистов, сельское хозяйство только лишь европейских стран способно обеспечить до 80% современных потребностей в дизельном топливе.

В Свердловской области в удаленных городах и селах в качестве топлива возможно использовать месторождения торфа, в том числе заброшенные торфяники. Специалисты считают, что запасы торфа только в западной части России свыше 600 млн тонн. Торф является ценным удобрением для нужд сельского хозяйства и топливом для малой энергетики. Торф, выпущенный в брикетах, дешевле угля, экологически чище, имеет большую теплоотдачу.

Для улучшения экологических характеристик топлив, в них добавляют биологические компоненты, такие как рапсовое масло. Если в дизельное топливо добавить до 30% рапсового масла, то его экологические характеристики значительно улучшаться, а энергетические характеристики практически не изменятся. Важно также, что такое биотопливо можно использовать в традиционных двигателях внутреннего сгорания. В качестве биологических добавок используют производные вещества из растительных масел, получаемых из подсолнечника, рапса, сои и других масличных культур. Масла для биотоплива получается путем отжима и экстрагирования с последующим очищением. Теплота сгорания чистых биодобавок к биотопливу приближается к теплоте сгорания самого дизельного топлива.

Химический синтез бензинов и дизельных топлив весьма энергоемок. Как правило, сырьем для такого способа получения горючего служит древесина. Изменяя параметры технологического процесса, из древесины можно получить различные виды топлива, от авиационных бензинов до дизельных топлив. Синтетическое топливо обладает хорошими экологическими показателями. При его сгорании не образуется вредных веществ, оно нейтрально относительно CO₂. По причине больших энергозатрат и сложности технологических процессов синтетическое топливо весьма дорого.

Следует взять на заметку, что каждый вид биотоплива получают из определенного сырья:

* Материалами для производства жидкого биотоплива являются: кукуруза, патока, сахарный тростник, соевое масло, говяжий жир, травяные растения, древесные отходы, растительные масла, клубни маниока, целлюлоза.

* Для получения газообразного биотоплива используют: навоз, силосную кукурузу, сильфий, фекальные осадки, бытовые отходы, водоросли, виноградную выжимку, отходы от рыбного цеха, производства чипсов и молокозаводов.

* Сырье для твердого биотоплива - это опилки, солома, щепа, навоз, торф, твердые бытовые отходы, кора, лузга, куриный помет, ореховая скорлупа.

Также различают и технологии производства биотоплива:

* Основные методы производства твердого биотоплива - это гранулирование и брикетирование. С помощью специального оборудования торф и древесные опилки проходят несколько степеней отчистки, измельчаются, сушатся и под действием пресса и высоких температур приобретают нужную форму. Данные топливные брикеты и гранулы очень удобны в транспортировке, хранении и использовании.

* Жидкое биотопливо производится тремя способами: гидролизное производство, брожение, производство спирта из биологического сырья.

* Биогаз получают с помощью применения метода анаэробного сбраживания в метантенках. В специальный резервуар, оснащенный миксерами, поступает биомасса. В данном резервуаре живут бактерии, которые, поглощая биомассу, вырабатывают биогаз. Затем данное биотопливо проходит отчистку и готово к применению. Использование биогаза предотвращает выбросы метана, оказывающего сильное воздействие на парниковый эффект.

Классификация биотоплив

Существует ряд различных систем классификации биотоплива.

По агрегатному состоянию:

Твердое биотопливо

Самый распространенный представитель вида - дрова. Опустив историю возникновения и эволюцию процесса сжигания древесины, отметим, что в настоящее время для производства дров или биомассы используются, так называемые, энергетические леса. В их составе включают быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.).

Жидкое биотопливо

Весьма и весьма перспективный класс биотоплива, основное применение которого - двигатели. Его получают из самых разнообразных растений - от пшеницы и сахарной свеклы, до рапса и отходов деревообработки.

Жидкое, или как его еще называют, моторное биотопливо - вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения).

биоэтанол

Большая доля мирового производства жидкого (моторного) биотоплива приходится на биоэтанол (этанол, получаемый из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса). Причина популярности биоэтанола кроется в экономической эффективности его производства, т.к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям дизельного топлива. При этом вредные выбросы при использовании биодизельного топлива существенно меньше (подробнее в технико-химических и аналитических материалах нашего сайта).

биометанол

Биометанол - метанол, получаемый посредством биологического преобразования морского фитопланктона. Производство этого вида биотоплива начало зарождаться в конце 70-х, начале 80-х годов, когда несколько европейских стран объединили свои усилия по разработке проекта промышленного культивирования и переработки биомассы фитопланктона. Проектом предусматривалось создание промышленных зон в пустовавших, на тот момент, прибрежных районах. Однако, развития тот проект не получил, чему в большой мере способствовало существенное снижение мировых цен на нефть.

Прошли десятилетия… специалисты и компании, занятые в биотопливной отрасли, вновь вернулись к вопросам культивирования фитопланктона и производства метанола. Сейчас данное направление производства биотоплива считается одним из самых перспективных, т.к. отличается от других более высокой выработкой биомассы (до 110 т/га фитопланктона в год), отсутствием серьезных требований к производственной площадке (не требуются плодородные почвы и пресная вода, т.е. процесс не создает конкуренции сельскому хозяйству) и высоким уровнем энергоотдачи (11-14 на стадии получения метана и до 9 на стадии выработки метанола).

биодизель

Биодизель - вид биотоплива, для производства которого используются жиры растительного, микробного и животного происхождения (а также получаемых из них эфиров). Сырьем для производства биодизеля может выступать пальмовое, рапсовое, соевое и другие масла, отходы пищевой промышленности, а также морские водоросли. Биодизель находит применение в автомобильных двигателях, причем использовать его можно как в чистом виде, так и в виде смесей с традиционном дизельным топливом. Обычно такие смеси маркируют, указывая процентное содержание биодизеля, так в США для обозначения смесей дизельного топлива с биодизелемиспользуется буква B, после которой следует число, означающее процентное вхождение биодизеля (В2 - 2%, В100 - 100 %). Применение таких смесей не требует внесения конструктивных изменений в двигатели

Газообразное биотопливо

Газообразное биотопливо (биогаз, биоводород) - продукт, получаемый в результате брожения биомассы или использования иных термо- и биохимических процессов, направленных на ее переработку. Наиболее распространенные вид газообразного биотоплива - биогаз, одной из разновидностей которого являетсябиоводород.

Биогаз - газ, получаемый в ходе брожения биомассы (органических отходов) посредством воздействия различных видов бактерий. Современная технология производства биогаза последовательно используются три вида бактерий, каждый из которых питается продуктами жизнедеятельности предыдущего:

гидролизные бактерии;

кислотообразующие бактерии;

метанобразующие бактерии.

Экологический эффект от использования биогаза - неоспорим. Его производство предотвращает выбросы в атмосферу метана, провоцирующего развитие парникового эффекта. Кроме того, переработанный навоз, барда и другие растительные и органические отходы находят применение в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Это снижает потребность в химических удобрениях, что уменьшает загрязнение грунтовых вод.

Практическое применение биогаза возможно во всех сферах, где используется обычный природный газ. После обогащения (очистки) биогаза до состояния биометана (полный аналог природного газа с концентрацией метана до 99%) газ может использоваться как моторное топливо, подаваться в общую систему газоснабжения в трубопроводы среднего или низкого давления, использоваться на технологические нужды в качестве полной замены природного газа.

Классификация видов биотоплива по поколениям

1-ое поколение биотоплива.

Биотопливо первого поколения -это топливо, произведенное путем переработки пищевых сельскохозяйственных растений в биодизель или этанол используя трансэстерификацию или брожение, или путем смешивания растительных масел с ископаемым топливом, или используя чистое растительное масло в качестве топлива.

2-ое поколение биотоплива.

Биотопливо второго поколения- это топливо произведенное на землях непригодных для производства продуктов питания и с использованием непищевых культур, или произведенное из остатков от производства продуктов питания. Включает в себя технологии производства этанола из целлюлозы, биотопливо из ятрофы, Фишер-Тропш и другие способы газификации биомассы.

3-е поколение биотоплива.

Биотопливо третьего покаления- это топливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства с использованием интегрированных технологий, в ходе которых производится либо само биотопливо, либо предшественник биотоплива, но при этом требующее разрушения биомассы. Типичный пример технологии - это производство биотоплива с использованием микроводорослей накапливающих в себе липиды, но требующее разрушения клеток водорослей, затем экстракции липидов и их трансформации в биодизельное топливо.

4-е поколение биотоплива

Биотопливо четвертого поколения - это топливо произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушения биомассы. Примером такой технологии является производство алканов (основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированным цианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа. При этом происходит секреция алканов с среду, а сами цианобактерии могут продолжать синтез.

Применение биотоплива

В зависимости от вида топлива и от того, каким способом оно было получено, различают сферы его применения.

Производство твердого биотоплива (торф, дрова, солома) требует наименьших финансовых вложений и поэтому приобрело широкое распространение. Твердое биотопливо служит отличным заменителем традиционных видов топлива (газ, мазут, уголь). Основное направление использования твердого биотоплива - получение тепловой энергии. Сегодня налаживается производство специальных обогревательных котлов, рассчитанных на топливные брикеты и гранулы. Твердое биотопливо применяют в частных и коммунальных котельных. Также его можно использовать в котлах, предназначенных для других видов топлива. Эффективное применение биотоплива - это его совместное использование с электроэнергией на ТЭЦ.

Самым распространенными видами жидкого биотоплива являются биодизель и биоэтанол. Биодизель получают из растительных масел и животных жиров. В основном данное топливо применяют в дизельных двигателях. Биодизель нетоксичен и снижает выброс вредных веществ в атмосферу. Биоэтанол - спиртовое жидкое биотопливо. Его можно производить из сырья, которое содержит крахмал или сахар. Биоэтанол используют не только в качестве топлива, но и в медицине, химической промышленности, в производстве продуктов, косметики и парфюмерии.

Наиболее используемое газообразное биотопливо - биогаз. Это смесь метана с углекислым газом. Сырьем для его получения служит трава, навоз и другие органические отходы. Человек использует биогаз для получения тепла, электроэнергии, а также в виде автомобильного топлива.

1.Животные жиры

Жиры животные, природные продукты, получаемые из жировых тканей некоторых животных. По консистенции делятся на твердые и жидкие, по целевому назначению на пищ., мед., кормовые (ветеринарные) и технические. Твердые жиры содержатся в тканях наземных млекопитающих и птиц, жидкие в тканях морских млекопитающих и рыб, а также в костях и копытах наземных животных. Особое место среди жиры животные занимает молочный жир, составляющий осн. часть коровьего масла (82% сливочного, 98% топленого). Как жирно-кислотный состав (см. Жиры), так и свойства разл. жиры животные колеблются в зависимости от возраста, пола, упитанности и др. характеристик животного.

2.Растительные масла

Растительные масла жирные (жиры растительные), продукты, извлекаемые из растит. сырья и состоящие в осн. из триглицеридов высших жирных кислот. Осн. источники Р. м,- масличные растения (масличные культуры). растительные масла содержатся также в косточках некоторых плодовых деревьев (абрикос, персик, вишня, черешня, миндаль), семенах винограда, арбуза, томатов, табака, чая, а также в разл. маслосодсржащих отходах пищ. произ-в, перерабатывающих с.-х. сырье. К последним относят главным образом отруби и зародыши семян зерновых культур. В оболочке зерна пшеницы и ржи содержится 5-6% масла, в зародыше-11-13 и 10-17% соотв.; в зародыше кукурузы 30-48% масла, проса-ок. 27%, риса-24-25%. Содержание масла в растениях и его качество зависят от сорта растения, условий произрастания (удобрения, обработка почвы), степени зрелости плодов и семян.

3.Мыло

мыла, соли высших жирных (С8-С18), нафтеновых и смоляных кислот; одни из основных моющих средств. Технические смеси водорастворимых (калиевых, натриевых, аммониевых и три-этаноламмониевых) солей этих кислот называют щелочными мылами, водонерастворимые соли, содержащие металлы II, III и других групп (например, Са, Mg, Ni, Mn, Al, Co, Pb и других) - металлическими.

Щелочные мыла получают главным образом из стеариновой, пальмитиновой, лауриновой, олеиновой, нафтеновых кислот, канифоли и таллового масла.

4.Гидрогенизация жиров

Гидрогенизация жиров, осуществляется с целью снижения ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав триглицеридов растит. масел (гл. обр. подсолнечного, соевого, хлопкового) и жиров морских животных (преим. китового жира).



Заключение

Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов.

В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ.

--Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде.

--Международная энергетическая ассоциация (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. Мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн т энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7-9%.

В результате до 2030 г. доля биотоплива в общем объеме топлива в транспортной сфере достигнет 4-6%

К чему может привести увлечение биотопливом из рапса сложно предсказать. Но хотелось бы, чтоб под благими намерениями мировые ученые, производители и политики не пришли к плачевному результату. Ведь к сожалению, учесть все аспекты очень сложно.



Список использованной литературы

http://biowatt.ru/index.php/biotoplivo/klassifykatsya.html

http://www.ya-fermer.ru/biodizel-i-ego-proizvodstvo-eto-odno-iz-samyh-perspektivnyh-i-vygodnyh-napravleniy-dlya-malogo

http://kursak.net/ximiya-lipidov/

http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1271.html

http://alterbb.com/alterb/?/static/47/

http://jbio.ru/stroenie-svojstva-i-funkcii-lipidov

http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1271.html

Размещено на Allbest.ru

...