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.
Supply new building blocks for the production of novel materials with disruptive characteristics
Creation of new jobs, including rural areas
Valorization of waste (agricultural, urban, and industrial waste)
Achieve the ultimate goal of reducing GHG emissions
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).