Введение

Рафинарий, преобразующий биомассу в энергию и другие полезные побочные продукты

Биорафинария – это рафинарий, преобразующий биомассу в энергию и другие полезные побочные продукты (такие как химические вещества). Международное энергетическое агентство, Рабочая группа по биоэнергетике 42, определяет биопереработку как "устойчивую переработку биомассы в широкий спектр продуктов биологического происхождения (пищевые продукты, корма, химикаты, материалы) и биоэнергии (биотопливо, электроэнергия и/или тепло)". Как и нефтеперерабатывающие заводы, биорафинарии могут производить множество химических веществ путем фракционирования исходного сырья (биомассы) на различные промежуточные продукты (углеводы, белки, триглицериды), которые затем могут быть преобразованы в продукты с добавленной стоимостью. Каждая стадия переработки также называется "каскадной стадией". Использование биомассы в качестве сырья может быть полезным, поскольку снижает воздействие на окружающую среду за счет уменьшения выбросов загрязняющих веществ и сокращения выбросов опасных веществ. Кроме того, биорафинарии призваны достичь следующих целей:

Обеспечение текущего производства топлива и химических строительных блоков
Обеспечение новых строительных блоков для производства инновационных материалов с уникальными свойствами
Создание новых рабочих мест, в том числе в сельской местности
Переработка отходов (сельскохозяйственных, городских и промышленных отходов)
Достижение конечной цели – сокращения выбросов парниковых газов.

Экономическая жизнеспособность биоперерабатывающих систем

Техноэкономический анализ (ТЭА) – это методология оценки экономической привлекательности технологии или процесса. Исследования в области ТЭА были разработаны для предоставления информации об эффективности концепции биопереработки в различных производственных системах, таких как сахарные заводы, производство биодизеля, целлюлозно-бумажные комбинаты, а также переработка промышленных и коммунальных твердых отходов. Заводы по производству биоэтанола и сахарные заводы – это хорошо отлаженные процессы, в которых концепция биопереработки может быть реализована, поскольку багасса сахарного тростника является подходящим сырьем для производства топлива и химических веществ; лигноцеллюлозный биоэтанол (2G) производится в Бразилии на двух заводах мощностью 40 и 84 млн л/год (около 0,4% производственной мощности Бразилии). ТЭА производства этанола с использованием мягкой сжижификации багассы с последующей одновременной сахарификацией и коферментацией показывает минимальную цену реализации в диапазоне от 50,38 до 62,72 центов США/л, что сопоставимо с рыночной ценой. Была оценена возможность производства ксилита, лимонной кислоты и глутаминовой кислоты из лигноцеллюлозы сахарного тростника (багассы и остатков уборки урожая), каждое вещество в сочетании с выработкой электроэнергии; три системы биопереработки были смоделированы для размещения рядом с существующим сахарным заводом в Южной Африке. Производство ксилита и глутаминовой кислоты продемонстрировало экономическую целесообразность с внутренней нормой доходности (IRR) 12,3% и 31,5%, что превышает IRR базового сценария (10,3%). Также было изучено производство этанола, молочной кислоты или метанола и этанола на основе молочной кислоты из багассы сахарного тростника; молочная кислота оказалась экономически привлекательной, показав наибольшую чистую приведенную стоимость (476–1278 млн долл. США); аналогичным образом, производство этанола и молочной кислоты в качестве сопродукта было признано благоприятным сценарием (чистая приведенная стоимость от 165 до 718 млн долл. США), поскольку эта кислота находит применение в фармацевтической, косметической, химической и пищевой промышленности. Что касается производства биодизеля, эта отрасль также имеет потенциал для интеграции систем биопереработки с целью преобразования остаточной биомассы и отходов в биотопливо, тепло, электроэнергию и биоосновные экологически чистые продукты. Глицерин является основным сопродуктом при производстве биодизеля и может быть преобразован в ценные продукты с использованием химиокаталитических технологий; была оценена переработка глицерина для производства молочной кислоты, акриловой кислоты, аллилового спирта, пропандионов и карбоната глицерина; все пути переработки глицерина оказались прибыльными, наиболее привлекательным является производство карбоната глицерина. Пустые гроздья пальмового масла (ПГПМ) являются обильными лигноцеллюлозными остатками от производства пальмового масла/биодизеля, преобразование этого остатка в этанол, тепло и энергию, а также корм для скота оценивалось с точки зрения технико-экономических принципов; рассматриваемые сценарии показали снижение экономических выгод, хотя их реализация привела к уменьшению воздействия на окружающую среду (изменение климата и истощение ископаемого топлива) по сравнению с традиционным производством биодизеля. Была изучена экономическая целесообразность производства биомасла из ПГПМ путем быстрого пиролиза с использованием флюидизированного слоя; сырое биомасло потенциально может быть произведено из ПГПМ по цене продукта 0,47 долл. США/кг с периодом окупаемости и рентабельностью инвестиций 3,2 года и 21,9% соответственно. В контексте Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ) был проанализирован потенциал интеграции микроводорослей и джатрофы в качестве жизнеспособного пути для производства биотоплива и биохимикатов. Были рассмотрены три сценария: во всех из них производится биодизель и глицерин; в первом сценарии биогаз и органические удобрения производятся путем анаэробной ферментации жмыха и шрота семян джатрофы; второй сценарий включает производство липидов из джатрофы и микроводорослей для производства биодизеля, а также производство кормов для животных, биогаза и органических удобрений; третий сценарий предполагает производство липидов из микроводорослей для производства биодизеля, а также водорода и кормов для животных в качестве конечного продукта; прибыльным оказался только первый сценарий. Что касается целлюлозно-бумажной промышленности, лигнин является природным сопутствующим полимером и обычно используется в качестве топлива для котлов для выработки тепла или пара для удовлетворения энергетических потребностей процесса. Поскольку лигнин составляет 10–30 мас.% доступной лигноцеллюлозной биомассы и эквивалентен ~40% ее энергетического содержания, экономика биоперерабатывающих заводов зависит от экономически эффективных процессов для преобразования лигнина в ценное топливо и химические вещества. Было изучено преобразование существующего шведского целлюлозно-бумажного комбината для производства растворимой целлюлозы, электроэнергии, лигнина и гемицеллюлозы; самообеспечение в отношении пара и производство избыточного пара были ключевым фактором для интеграции установки разделения лигнина; в этом случае необходимо модернизировать варочный котел для сохранения того же уровня производства, что и 70% от общей стоимости инвестиций в преобразование. Была изучена возможность использования крафт-процесса для производства биоэтанола из хвойных пород в модернизированном или расположенном рядом крафт-комбинате; выход сахара более 60% позволяет процессу быть конкурентоспособным для производства этанола из хвойных пород. Была исследована модернизация крафт-целлюлозного комбината для производства как этанола, так и диметилового эфира; в процессе целлюлоза отделяется с помощью щелочной предварительной обработки, а затем гидролизуется и ферментируется для производства этанола, в то время как полученный щелок, содержащий растворенный лигнин, газифицируется и очищается до диметилового эфира; процесс демонстрирует самообеспечение в отношении потребности в горячей утилитарной энергии (свежий пар), но с дефицитом электроэнергии; процесс может быть экономически целесообразным, но в значительной степени зависит от развития цен на биотопливо. Была проведена энергетическая и экономическая оценка производства катехола из лигнина для определения его целесообразности; результаты показали, что общие капитальные вложения составили 4,9 млн долл. США, исходя из мощности установки 2544 кг/сутки сырья; кроме того, цена катехола была оценена в 1100 долл. США/т, а коэффициент валоризации составил 3,02. Высокое образование биомассы отходов является привлекательным источником для преобразования в ценные продукты, было предложено несколько путей биопереработки для повышения ценности отходов. Производство биогаза из кожуры бананов (Musa x paradisiaca) в концепции биопереработки является перспективной альтернативой, поскольку можно получить биогаз и другие сопутствующие продукты, включая этанол, ксилит, синтез-газ и электроэнергию; этот процесс также обеспечивает высокую прибыльность при больших масштабах производства. Была изучена экономическая оценка интеграции анаэробного сбраживания органических отходов с другими технологиями анаэробного сбраживания смешанной культуры; наибольшая прибыль получается при темном сбраживании пищевых отходов с разделением и очисткой уксусной и масляной кислот (47 долл. США/т пищевых отходов). Была проанализирована техническая осуществимость, прибыльность и степень инвестиционного риска производства сахарных сиропов из пищевых и напитковых отходов; рентабельность инвестиций оказалась удовлетворительной для производства фруктозного сиропа (9,4%), HFS42 (22,8%) и сиропа, богатого глюкозой (58,9%); сахарные сиропы также обладают высокой конкурентоспособностью по стоимости при относительно низких себестоимости производства и минимальных ценах реализации. Была изучена переработка муниципальных твердых отходов посредством интегрированных механико-биологико-химических (МБХ) систем для производства левулиновой кислоты; доходы от восстановления ресурсов и производства продукции (без учета платы за вывоз мусора) более чем достаточны для покрытия сборов за вывоз мусора, годовых капитальных и эксплуатационных затрат.

Влияние биоперерабатывающих систем на окружающую среду

Одна из главных целей биоперерабатывающих заводов – способствовать созданию более устойчивой промышленности за счет сохранения ресурсов и сокращения выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Тем не менее, производство продуктов на биологической основе может быть связано с другими экологическими последствиями, такими как изменение землепользования, эвтрофикация водоемов, загрязнение окружающей среды пестицидами или повышенный спрос на энергию и материалы, что приводит к экологической нагрузке. Оценка жизненного цикла (ОЖЖ) – это методология оценки экологического воздействия процесса, начиная с добычи сырья и заканчивая его использованием. ОЖЖ может использоваться для изучения потенциальных преимуществ систем биопереработки; проведено множество исследований ОЖЖ для анализа того, являются ли биоперерабатывающие заводы более экологичными по сравнению с традиционными альтернативами. Сырье является одним из основных источников экологического воздействия при производстве биотоплива, и это воздействие связано с полевыми работами по выращиванию, обработке и транспортировке биомассы к воротам биоперерабатывающего завода. Сельскохозяйственные отходы оказывают наименьшее воздействие на окружающую среду, за ними следуют лигноцеллюлозные культуры, и, наконец, культуры первого поколения, выращиваемые на пахотных землях, хотя экологическое воздействие чувствительно к таким факторам, как методы управления посевами, системы сбора урожая и урожайность. Это позволяет добиться экономии на использовании невозобновляемой энергии и сокращения выбросов парниковых газов. Экологическая оценка этанола первого и второго поколений показывает, что обе эти системы биопереработки способны смягчить последствия изменения климата по сравнению с бензином, но более значительные преимущества в борьбе с изменением климата достигаются при производстве этанола второго поколения (сокращение до 80%). Переработка пустых гроздей пальмы в ценные продукты (этанол, тепло и электроэнергию, а также корм для скота) снижает воздействие на изменение климата и истощение ископаемого топлива по сравнению с традиционным производством биодизельного топлива, но преимущества в отношении токсичности и эвтрофикации ограничены. Исследование ОЖЖ интеграции бутанола из прегидролизата на канадском целлюлозно-бумажном комбинате Kraft, производящем растворимую целлюлозу, показывает, что углеродный след этого бутанола может быть на 5% ниже, чем у бензина, но он не такой низкий, как у кукурузного бутанола (на 23% ниже, чем у бензина). Большинство исследований ОЖЖ, посвященных переработке пищевых отходов, сосредоточены на экологическом воздействии производства биогаза или энергии, лишь немногие из них посвящены синтезу химических веществ с высокой добавленной стоимостью. Гидроксиметилфураль (HMF) был включен в список 10 лучших биооснованных химических веществ, составленный Министерством энергетики США; ОЖЖ восьми путей переработки пищевых отходов для производства HMF показывает, что наиболее экологически предпочтительный вариант использует менее загрязняющий катализатор (AlCl3) и сорастворитель (ацетон) и обеспечивает наивысший выход HMF (27,9 Cmol%). Наибольшие значения были зафиксированы в категориях, связанных с истощением запасов металлов и токсичностью (экотоксичность для морской среды, токсичность для пресной воды и токсичность для человека).

Биопереработка в целлюлозно-бумажной промышленности

Индустрия целлюлозы и бумаги считается первой индустриализированной системой биопереработки; в этом промышленном процессе производятся и другие сопутствующие продукты, включая талловое масло, розин, ванилин и лигносульфонаты. Помимо этих сопутствующих продуктов, система включает в себя выработку энергии (в виде пара и электроэнергии) для покрытия собственных энергетических потребностей, а также обладает потенциалом для подачи тепла и электроэнергии в энергосеть. Эта отрасль зарекомендовала себя как крупнейший потребитель биомассы; она использует в качестве сырья не только древесину, но и способна перерабатывать сельскохозяйственные отходы, такие как багасса, рисовая солома и стебли кукурузы. К другим важным особенностям этой отрасли относятся хорошо налаженная логистика производства биомассы, отсутствие конкуренции с производством продуктов питания за плодородные земли и более высокие объемы производства биомассы.

Примеры

Полностью функционирующая компания Blue Marble Energy имеет несколько биоперерабатывающих заводов, расположенных в Одессе (штат Вашингтон) и Миссуле (штат Монтана). Первый в Канаде интегрированный биоперерабатывающий завод, разработанный на основе технологии анаэробного сбраживания компанией Himark BioGas, находится в провинции Альберта. На этом заводе используются органические отходы, собранные раздельно в регионе метрополии Эдмонтон, навоз из открытых загонов для скота и отходы пищевой промышленности. Технология Chemrec для газификации черного щелока и производства биотоплива второго поколения, такого как биометанол или BioDME, интегрирована с целлюлозно-бумажным комбинатом и использует основные отходы сульфатного или сульфитного процесса в качестве сырья. Novamont переоборудовала старые нефтехимические заводы в биоперерабатывающие комплексы, производящие белки, пластмассы, корма для животных, смазочные материалы, гербициды и эластомеры из кардона. C16 Biosciences производит синтетическое пальмовое масло из углеродсодержащих отходов (например, пищевых отходов, глицерина) с помощью дрожжей. MacroCascade стремится перерабатывать морские водоросли в продукты питания и корма, а затем в продукты для здравоохранения, косметики и тонкой химической промышленности. Побочные продукты будут использоваться для производства удобрений и биогаза. Другие проекты по переработке водорослей включают MacroAlgaeBiorefinery (MAB4), SeaRefinery и SEAFARM. из микроводорослей с помощью микроорганизмов, таких как пивные и хлебопекарные дрожжи. Платформа BIOCON исследует переработку древесины в различные продукты. В частности, исследователи изучают возможность преобразования лигнина и целлюлозы в различные продукты. Например, лигнин можно преобразовать в фенольные компоненты, которые можно использовать для производства клея, пластмасс и сельскохозяйственных продуктов (например, средств защиты растений). Целлюлозу можно преобразовать в ткани и упаковочные материалы. В Южной Африке компания Numbitrax LLC приобрела систему биопереработки Blume для производства биоэтанола, а также других продуктов с высокой добавленной стоимостью из местных и легкодоступных ресурсов, таких как опунция. Circular Organics (входит в состав Kempen Insect Valley) выращивает личинок черной солдатской мухи на отходах сельскохозяйственной и пищевой промышленности (например, излишки фруктов и овощей, отходы от производства фруктовых соков и джемов). Эти личинки используются для производства белка, жира и хитина. Жир может использоваться в фармацевтической промышленности (косметика, поверхностно-активные вещества для гелей для душа), заменяя другие растительные масла, такие как пальмовое масло, или его можно использовать в кормах. Biteback Insect производит масло для приготовления пищи, масло из насекомых, жирные спирты, белок из насекомых и хитин из личинок жука-личинки (Zophobas morio).