Сырье для получения биоэтанола

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к применению избыточного активного ила вторичных отстойников биологических очистных сооружений городов и населенных пунктов с целью получения биоэтанола. Биоэтанол получают путем внесения в ил сахара- ректификата и дрожжей с последующей ферментацией, перегонкой полученного спирта и его ректификацией. Продукты, оставшиеся после перегонки спирта, можно использовать в качестве органических удобрений. Предлагаемое изобретение позволяет экономить природные ресурсы и оздоровить окружающую природную среду вследствие переработки отходов. 1 табл.

 

Изобретение относится к области экологии и биотехнологии, в частности к получению биоэтанола из избыточного активного ила вторичных отстойников, образующихся в больших количествах при очистке коммунально-бытовых и промышленных сточных вод на биологических очистных сооружениях городов и населенных пунктов.

Известен способ получения сахаросодержащих гидролизатов для производства биоэтанола, предусматривающий промывку, измельчение клубней топинамбура, гидролиз измельченной массы, охлаждение и асептирование гидролизата (RU 2012128098 А) - прототип. Недостатком этого способа является большая энергозатрата, связанная с промывкой, измельчением клубней топинамбура.

Известен способ получения этанола из морских водорослей, включающий формирование биомассы из высушенных морских водорослей, инициирование распада биомассы, введение в распадающую биомассу дрожжей, способных вызвать в ней брожение для образования бродящего раствора, отделение получившегося этанола от бродящего раствора, отличающейся тем, что формирование биомассы высушенных водорослей проводят путем их измельчения механическим способом и последующего замачивания в воде в соотношении 1:5, распад полученной биомассы осуществляют последовательно с помощью химического, затем ферментативного гидролиза с последующей стерилизацией распадающей биомассы (Патент RU 2421521 С2) - аналог.

Недостатком данного изобретения является также большая энергозатрата, связанная с добычей и измельчением биомассы высушенных водорослей, приготовлением питательной среды и посевного материала, а также нарушением экологической среды морей.

Предлагаемое нами сырье для получения биоэтанола не только устраняет вышеперечисленные недостатки, но и способствует оздоровлению окружающей природной среды.

Технический результат достигается тем, что в качестве сырья для получения технического биоэтанола рекомендуется нетрадиционный недефицитный дешевый продукт, активный ил вторичных отстойников, прошедший основные этапы очистки сточных вод: на решетках извлекаются грубые отбросы - крупные отходы, которые жители выбрасывают в унитазы - очистки от овощей, фруктов, полиэтиленовая тара и т.д.; грубые отбросы после дезинфекции размещаются на свалке. В песколовках удерживается песок, поступающий с дорог, от мойки овощей и т.д.; после естественной подсушки используются для планировки территорий предприятия. В первичных отстойниках - сырые осадки - это в основном фекальные массы; в настоящее время выдерживающиеся на иловых картах и в шлаконакопителях. Во вторичных отстойниках - избыточный активный ил, это прирост активного ила, который выводится из производственного цикла, смешивается с сырым осадком, выдерживается и обезвоживается на иловых картах и в шлаконакопителях. Обработка осадка сточных вод включает в себя: уплотнение избыточного активного ила в илоуплотнителях с целью снижения его влажности до 97,0%, обезвоживание образующихся осадков, которое производится двумя методами: естественное обезвоживание производится в иловых картах за счет отстаивания, испарения и вымораживания влаги, влажность осадка на иловых картах в течение года снижается с 98-96% до 77-78%; механическое обезвоживание осадков производится на центрифуге (HILLER, ФРГ) с применением катионных флокулянтов, влажность при этом снижается до 73-75%.

На сегодня достигнутая суточная мощность сооружений, расположенных примерно на 135 га, составляет 322 тыс. м³, образующиеся при этом осадки (≈30 тыс. т в год) занимают большие территории, запах от накопленных осадков достигает города.

Такое количество (ежедневный прием - 322 тыс. м³) для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод касается только двух городов - Чебоксар и Новочебоксарска.

Проведенные нами научные исследования свидетельствуют о возможности использования осадков городских сточных вод (ОГСВ) в качестве удобрения. В различных научных журналах нами опубликованы (с 1981 по 2014 г.) многочисленные научные статьи, подтверждающие данную точку зрения. Великий химик Д.И. Менделеев в свое время утверждал: «в мире нет вредных веществ, а есть вредные концентрации». С учетом вышесказанного, перед человечеством стоит наиважнейшая задача - вернуть в биологический круговорот различного рода отходы, образующиеся в огромных количествах в процессе жизнедеятельности, хозяйственной и промышленной деятельности людей. Причем вернуть строго на научной основе, с тем чтобы не загрязнять окружающую природную среду.

Наряду с применением ОГСВ в качестве органо-минерального удобрения предлагаемое нами сырье - избыточный активный ил вторичных отстойников биологических очистных сооружений, в котором содержится большое количество (до 80%) органических веществ (см. таблицу) для получения биоэтанола с последующим использованием его для технических нужд и возможно даже для использования в качестве заменителя бензина или добавления в бензин определенного количества биоэтанола для улучшения его экологического эффекта, - совершенно новое направление в деле утилизации ОГСВ, не имеющее аналога в мире.

Спиртовая промышленность сильно развита. Для производства этилового спирта, как правило, берут сахаросодержащие дорогостоящие сельскохозяйственные культуры, которые крайне нужны для пропитания все возрастающего количества людей на планете. В науке известны факты разработки (японскими учеными) какабургера из фекальных масс. С учетом этого возникла идея получения биоэтанола из продуктов жизнедеятельности людей, вначале для технических целей, а в последующем с совершенствованием процессов ректификации, для пищевых и медицинских целей, поскольку это практически неисчерпаемый источник получения биоэтанола из недефицитного дешевого сырья.

Для реализации поставленной цели нами были проведены лабораторные опыты по получению биоэтанола из избыточного активного ила.

Процесс получения биоэтанола в лабораторных условиях состоял из следующих этапов:

- доставка активного ила с биологических очистных сооружений г. Новочебоксарска (2 емкости по 4 литра);

- приобретение сахара, дрожжей свежих и сухих;

- компоненты 1-й бродильной емкости: 4 л активного ила, 176,6 г сахара-ректификата и 22 г сухих дрожжей;

- компоненты 2-й бродильной емкости: 4 л активного ила, 176,6 г сахара-ректификата и 55 г свежих дрожжей;

- анаэробная ферментация (температура - 30-35°С; время ферментации: со свежими дрожжами - 10 часов, с сухими дрожжами - 11 часов);

- очистка спирта (первичная отгонка с использованием лабораторного стеклянного холодильника) из сброженного компонента (смеси). Выход - 450 мл 10% спирта;

- вторичная отгонка полученного спирта (с использованием стеклянного лабораторного холодильника). Выход - 200 мл 20% спирта.

Для конверсии в этанол применялись обычные дрожжи, которые представлены микроорганизмами (Sacchoromyces cerevisiae, Sacchoromyces rosei, видимо были и мезофильные бактерии рода Zymomonas), оптимальная температура для приведенной группы микроорганизмов 30-35°С. Именно такая температура поддерживалась в помещении. Возможно наличие в активном иле группы мезофильных или других бактерий рода Zymomonas, обладающих в несколько раз более интенсивным метаболизмом, чем дрожжи, способствовало быстрому процессу брожения, поскольку процесс ферментации со свежими дрожжами прекратился уже через 10 часов, а с сухими дрожжами - через 11 часов. Из 4 л активного ила выход 10% этанола составил 450 мл, а после вторичной перегонки этого же продукта получено 200 мл 20% биоэтанола. Биоэтанол совершенно чистый, светлый без какой-либо окраски, но с незначительным специфическим запахом. Аналогичные результаты получены из 4 л активного ила с применением свежих дрожжей.

После дальнейшей ректификации в больших объемах можно получить и 96% этиловый спирт. Образцы спирта сохранены, при необходимости можно предоставить экспертам. Для производства биоэтанола в промышленных масштабах требуется просто-напросто произвести необходимый расчет использования избыточного активного ила вторичных отстойников биологических очистных сооружений; сахара или лучше всего для этого использовать определенное количество отходов сахарной промышленности, в частности мелассу свекловичную, содержащую в своем составе до 75% сахарозы (ниже приведен ГОСТ) или другие виды сельскохозяйственных отходов и растительного сырья с достаточным количеством сахаросодержащих веществ; свежие или сухие дрожжи, используя конкретные цифры компонентов, использованных для ферментации в условиях лабораторного опыта, соответственно увеличивая их количества применительно к объему производства биоэтанола.

Общеизвестно, что спиртовое брожение - самая старая отрасль биотехнологии - имеет готовые технологические системы и развернутую промышленную базу.

В связи с тем что запасы природных ископаемых - нефти, угля и газа - истощаются, поиск других источников энергии весьма актуален. В нашем случае, для получения этанола используется недефицитное сырье. Для бродильного процесса пищевой дорогостоящий сахар можно заменить на альтернативные источники углеводов, например отходы сахарной промышленности, в частности меласса свекловичная по ГОСТ Р 52304-2005. «Меласса свекловичная. Технические условия». Меласса является отходом сахарного производства с высоким содержанием сухих веществ (в основном сахарозы) от 60 до 75%, которая непосредственно обрабатывается дрожжами без предварительной подготовки, сахарный тростник, другие виды сельскохозяйственных отходов и растительного сырья, имеющие в своем составе достаточное количество сахаросодержащих веществ.

Нам представляется, что на всех очистных сооружениях городов и крупных населенных пунктов Российской Федерации должны быть внедрены в производственных цехах готовые технологические системы, перерабатывающие активный ил в технический этанол, имеющие большое экономическое и природоохранное значение, а оставшийся после перегонки продукт использовать в качестве жидкого органического удобрения. Результаты исследования проб продукции (химического состава избыточного активного ила вторичных отстойников на биологических очистных сооружениях г. Новочебоксарска) приведены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что в активном иле до и после перегонки отсутствуют углеводы как растворимые, так и легкогидролизуемые, свидетельствуя о том, что углеводы полностью утилизировались уже в процессе брожения.

Обнаруживается достаточное количество органического вещества, золы, азота, фосфора, калия и широкий набор микроэлементов, способных при научно обоснованном подходе повысить плодородие почв, урожайность сельскохозяйственных культур с надлежащим качеством и оздоровить окружающую природную среду.

Применение избыточного активного ила вторичных отстойников биологических очистных сооружений в качестве сырья для получения биоэтанола.