Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ технологии получения энергонасыщенных продуктов из лигноцеллюлозного сырья путем окислительной и радиационной предобработки и последующего кислотного гидролиза

Докладчик: Винокуров Владимир Арнольдович

Должность: Заведующий кафедрой физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, проф., д.х.н.

Цель проекта:
1.Получение фурановых соединений из непищевого лигноцеллюозного сырья позволит более полно перерабатывать отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности в продукты нефтехимии. Спирт, 2,5-диметилфуран могут использоваться как добавки к моторным топливам, а фурфуриловый спирт, пирослизевая кислота, фурфурол являются прекурсорами для получения смол и полимеров. 2.Разработка новой эффективной технологии переработки непищевого растительного сырья в различные энергонасыщенные продукты как топливного (спирт, 2,5-диметилфуран), так и иного назначения (фурфуриловый спирт, пирослизевая кислота, этанол, фурфурол, 5-гидроксиметилфурфурол) путем окислительной и радиационной предобработки и последующего кислотного гидролиза.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения работ будут разработаны:
Методика радиационной предобработки растительного сырья;
Методика окислительной предобработки растительного сырья;
Блок-схема управления технологическим процессом получения этанола из непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения фурфурола из непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения ГМФ из непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения 2,5-диметилфурана из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения фурфурилового спирта из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения пирослизевой кислоты из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья;
Лабораторный регламент получения дегидрослизевой кислоты из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья;
Эскизная конструкторская документация на блок ректификации для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья;
Эскизная конструкторская документация на блок CO2-стриппинга для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья;
Эскизная конструкторская документация на блок первапорации для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья;
На основании разработанных регламентов, методик и эскизов будет модернизирована установка по получению этанола из непищевого растительного сырья состоящая из:
Блок ректификации для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья;
Блок CO2-стриппинга для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья;
Блок первапорации для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья.
Основные характеристики планируемых результатов:
1 Разрабатываемые методики и регламенты предназначены для использования в ходе экспериментальных исследований и должны обеспечивать эффективную переработку непищевого растительного сырья в различные продукты как топливного (спирт, 2,5-диметилфуран), так и иного назначения (фурфуриловый спирт, пирослизевая кислота).
2 Разрабатываемые блоки для лабораторной установки получения биоэтанола из непищевого растительного сырья предназначены для получения энергонасыщенных продуктов из бражки (этанол, сивушные масла), в том числе:
- блок ректификации – для выделения продукта с содержанием этанола не менее 400 г/л с помощью ректификации;
- блок CO2-стриппинга – для энергоэффективного выделения этанола и других продуктов, более летучих, чем вода, с суммарным содержанием органических веществ в продукте не менее 250 г/л с помощью стриппинга;
- блок первапорации – для энергоэффективного выделения этанола и других продуктов, менее полярных, чем вода, с суммарным содержанием органических веществ в продукте не менее 250 г/л с помощью первапорации.
3 Лабораторная установка получения биоэтанола из непищевого растительного сырья должна обладать следующими характеристиками:
1) рабочий объем по перерабатываемому сырью – не менее 20 л;
2) рабочий объем по бражке – не менее 20 л;
3) рабочая температура – от температуры окружающей среды до плюс 40°С;
4) время выработки бражки из перерабатываемого сырья – не более 72 часов;
5) суммарное содержание летучих органических веществ в бражке – не менее 20,0 г/л;
6) суммарное содержание органических веществ в продукте – не менее 250 г/л.
4 Экспериментальные образцы радиационно-предобработанных растительных субстратов предназначены для последующей окислительной предобработки и получения энергонасыщенных продуктов (этанол, фурфурол, 5-гидроксиметилфурфурол) и представлены не менее чем тремя видами непищевого растительного сырья в количестве, достаточном для проведения экспериментальных исследований и исследовательских испытаний, но не менее чем по 250 г каждый экспериментальный образец. Экспериментальные образцы радиационно-предобработанных субстратов должны быть получены облучением образцов непищевого растительного сырья.
5 Экспериментальные образцы окислительно-предобработанных растительных субстратов предназначены для получения энергонасыщенных продуктов (этанол, фурфурол, 5-гидроксиметилфурфурол) и должны быть представлены не менее чем тремя видами непищевого растительного сырья в количестве, достаточном для проведения экспериментальных исследований и исследовательских испытаний, но не менее чем по 250 г каждый экспериментальный образец. Экспериментальные образцы окислительно-предобработанных субстратов должны быть получены окислением как образцов непищевого растительного сырья, так и окислением радиационно-предобработанных субстратов.
6 По меньшей мере один из разрабатываемых экспериментальных образцов окислительно-предобработанных растительных субстратов должен удовлетворять следующим требованиям:
- содержание лигнина должно быть снижено не менее чем на 40 % по сравнению с исходным сырьем;
- степень кристалличности целлюлозы в составе экспериментального образца должна быть снижена не менее чем на 10 %.
7 Разрабатываемые экспериментальные образцы водорастворимых продуктов окислительной предобработки сырья должны быть представлены водными растворами, полученными при окислительной предобработке не менее чем трех видов непищевого растительного сырья и должны быть наработаны в количестве не менее 250 мл каждый.
8 По меньшей мере один из разрабатываемых экспериментальных образцов водорастворимых продуктов окислительной предобработки сырья должен удовлетворять следующим требованиям:
- при применении в виде водного раствора экспериментальный образец должен обеспечивать повышение лабораторной всхожести растений по сравнению с контрольной группой не менее чем на 15 %;
- при применении в виде водного раствора экспериментальный образец должен обеспечивать увеличение длины корней растений по сравнению с контрольной группой не менее чем на 20%.
9 Разрабатываемая методика радиационной предобработки растительного сырья должна обеспечивать получение радиационно-предобработанных растительных субстратов с поглощенной дозой облучения не менее 10 МРад.
10 Разрабатываемая методика окислительной предобработки растительного сырья должна обеспечивать:
1) удаление лигнина из исходного непищевого растительного сырья не менее чем на 40% от исходного содержания;
2) понижение степени кристалличности целлюлозы не менее чем на 10% от исходного значения.
11 Экспериментальные исследования стимулирования роста сельскохозяйственных растений водорастворимыми продуктами окислительной предобработки сырья в лабораторных условиях должны проводиться на не менее чем на 10 растительных образцах и должны обеспечивать определение, по меньшей мере, следующих характеристик
- лабораторная всхожесть растений по сравнению с контрольной группой;
- увеличение длины корней растений по сравнению с контрольной группой.
12 Экспериментальные исследования стимулирования роста сельскохозяйственных растений водорастворимыми продуктами окислительной предобработки сырья на опытно-экспериментальных участках должны проводиться на не менее чем 20 растительных образцах и должны обеспечивать определение, по меньшей мере, следующих характеристик:
- лабораторная всхожесть растений по сравнению с контрольной группой;
- увеличение длины корней растений по сравнению с контрольной группой.
13 Лабораторный регламент получения фурфурола из непищевого растительного сырья должен обеспечивать эффективную переработку непищевого растительного сырья в фурфурол с выходом не менее 30% от исходного сырья.
14 Лабораторный регламент получения ГМФ из непищевого растительного сырья должен обеспечивать эффективную переработку непищевого растительного сырья в ГМФ с выходом не менее 30% от исходного сырья.
15 Лабораторный регламент получения 2,5-диметилфурана из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья, должен обеспечивать получение 2,5-диметилфурана из полученной фурфурольной фракции путем восстановления с выходом не менее 15% от фурфурольной фракции.
16 Лабораторный регламент получения фурфурилового спирта из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья должен обеспечивать получение фурфурилового спирта из полученной фурфурольной фракции путем восстановления с выходом не менее 15% от фурфурольной фракции.
17 Лабораторный регламент получения пирослизевой кислоты из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья, должен обеспечивать получение пирослизевой кислоты из полученной фурфурольной фракции путем окисления с выходом не менее 15% от фурфурольной фракции.
18 Лабораторный регламент получения дегидрослизевой кислоты из фурфурольной фракции, полученной путем конверсии непищевого растительного сырья, должен обеспечивать получение дегидрослизевой кислоты из полученной фурфурольной фракции путем окисления с выходом не менее 15% от фурфурольной фракции.
Оценка элементов новизны
Создание комплексной технологии переработки непищевого растительного сырья в фурановые соединения с использованием радиационной и окислительной предобработки с последующей каталитической конверсии сырья в фурановые соединения (5-гидроксиметилфурфурол и фурфурол), являющиеся прекурсорами для ценных и перспективных продуктов нефтехимии (2,5-диметилфуран, фурфуриловый спирт, пирослизевая кислота).
Мировой уровень исследований в области переработки непищевого растительного сырья в фурановые
производные определяют следующие публикации:
1.Binder J. B., Raines R.T. Simple chemical transformation of lignocellulosic biomass into furans for fuels and
chemicals // Journal of the American Chemical Society. – 2009. – Vol. 131. – №. 5. – P. 1979-1985. http://
pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja808537j DOI: 10.1021/ja808537j. Импакт-фактор: 10.677.
2.Lima S. et al. Conversion of mono/di/polysaccharides into furan compounds using 1-alkyl-3-methylimidazolium
ionic liquids // Applied Catalysis A: General. – 2009. – Vol. 363. – №. 1. – P. 93-99. http://www.sciencedirect.com/
science/article/pii/S0926860X09003536 DOI:10.1016/j.apcata.2009.04.049. Импакт-фактор: 3.910.
3.Subbiah, S., Simeonov, S. P., Esperança, J. M., Rebelo, L. P. N., & Afonso, C. A. (2013). Direct transformation
of 5-hydroxymethylfurfural to the building blocks 2, 5-dihydroxymethylfurfural (DHMF) and 5-hydroxymethyl
furanoic acid (HMFA) via Cannizzaro reaction. // Green Chemistry, 15(10), 2849-2853. http://pubs.rsc.org/en/
content/articlelanding/2013/gc/c3gc40930a#!divAbstract DOI:10.1039/C3GC40930A. Импакт-фактор: 6.828.
4.Zhang Z., Zhao Z. K. Microwave-assisted conversion of lignocellulosic biomass into furans in ionic liquid //
Bioresource technology. – 2010. – Vol. 101. – №. 3. – p. 1111-1114. http://www.sciencedirect.com/science/article/
pii/S096085240901178X DOI: 10.1016/j.biortech.2009.09.010. Импакт-фактор: 4.750.
5.Dutta, S., De, S., Saha, B., & Alam, M. I. (2012). Advances in conversion of hemicellulosic biomass to furfural
and upgrading to biofuels. Catalysis Science & Technology, 2(10), 2025-2036. http://pubs.rsc.org/en/content/
articlelanding/2012/cy/c2cy20235b/unauth#!divAbstract DOI: 10.1039/C2CY20235B. Импакт-фактор: 3.753.
Проведение гидролиза лигноцеллюлозного сырья является сложнейшей научно-технической задачей.
Несмотря на более чем столетнюю историю исследования и оптимизации этого процесса, приемлемого с
технологической, экономической и экологической точек зрения решения так и не найдено. При кислотном
гидролизе низок выход сахаров из-за их деструкции в кислой среде даже при ультракоротком времени
контакта (при гидролизе разбавленной серной кислотой при 180-190 °С). Ферментативный гидролиз до сих
пор уступает по экономической эффективности из-за высокой стоимости целлюлолитических ферментов.
В последнее время в мировых публикациях наблюдается тренд исследований каталитического гидролиза
непищевого растительного сырья в ионных жидкостях с выделением в качестве целевых продуктов
фурфурола и ГМФ [1,2,4]. Этот тренд поддерживается исследованиями дальнейшей трансформации фурфурола и ГМФ в соединения, пригодные для использования в качестве топливных добавок [3].
Последние достижения в данной области освещены в обзоре [5].
Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски
В результате проведения ПНИ будет создан научно-технический задел для разработки технологий
производства ценных продуктов из непищевого растительного сырья: топливного этанола, фурфурола, 5-
гидроксиметилфурфурола, 2,5-диметилфурана, фурфурилового спирта, пирослизевой и дегидрослизевой
кислот.
Возможные пути доведения до потребителя этих результатов включают:
1) проведение ОТР по теме: «Разработка технологии конверсии непищевого растительного сырья в
энергонасыщенные продукты и производные фурана с высокой добавленной стоимостью»;
2) организацию биотехнологических производств по получению топливных продуктов (этанол, 2,5-
диметилфуран) из непищевого растительного сырья с применением технологий, разработанных в ходе ОТР;
3) проведение НИР, направленных на исследование процессов получения продуктов с высокой
добавленной стоимостью на базе производных фурана и исследование функциональных свойств этих
продуктов;
4) привлечение Индустриального партнера и других производственных предприятий к формированию
стратегии развития технологий, базирующихся на результатах ПНИ.
Необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов заключаются в достижении
этапа разработки технологий производства (ОТР) либо по передаче результатов ПНИ для разработки
технологий другими научными и научно-производственными организациями.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения, способы использования результатов.
Использование отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности позволит более полно
использовать выращиваемые растительные культуры и позволит создать малоотходные производства.
Получаемые в процессе энергонасыщенные вещества используются как добавки к моторным топливам,
растворители, фунгициды, прекурсоры для полимерных материалов и др. Реализация проекта позволит
создать научно-технический задел для проведения ОТР, результатом которых станет технология,
объединяющая предприятия различных отраслей промышленности: непищевое растительное сырье,
которое может представлять собой отходы сельского хозяйства, пищевой промышленности, биомассу
технических культур, будет перерабатываться в различные целевые продукты, часть из которых может
быть использована нефтеперерабатывающими предприятиями как добавки к топливам, а другая часть
может быть использована для создания продуктов с высокой добавленной стоимостью (стимуляторы роста
растений, прекурсоры для получения полимерных материалов и др.).
Масштабность внедрения результатов проекта зависит от множества факторов: конъюнктуры цен на
нефтепродукты, заинтересованности конкретных предприятий к внедрению результатов ОТР на момент их
окончания, общеэкономической ситуации. Наиболее вероятным, тем не менее, представляется сценарий
использования результатов ПНИ на предприятиях, в наибольшей степени заинтересованных в создании
позитивного имиджа в экологическом отношении за счет внедрения топливных добавок из
возобновляемого сырья (Московский НПЗ).
Реализация ПНИ послужит предпосылкой для улучшения потребительских свойств существующей
продукции (моторные топлива), а также может привести к созданию новой продукции из числа
производных фурана.
Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования
Потребителем ожидаемых результатов будет Индустриальный партнер – ООО "Центр высоких
технологий". Внедрение и коммерциализация результатов ПНИ на базе Индустриального партнера
обеспечат развитие предлагаемой темы исследований и послужит стимулом для продолжения НИР на базе
РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.
Так как по результатам ПНИ РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина предоставляет Индустриальному
партнеру простую (неисключительную) лицензию на использование РИД, полученных в ходе ПНИ,
завершение данного проекта откроет новые возможности для сотрудничества университета с
производственными предприятиями в рамках заключения лицензионных договоров на использование РИД.
Развитие исследований в области получения продуктов топливного назначения из непищевого
растительного сырья на базе РГУ нефти и газа будет способствовать налаживанию взаимодействия с
крупными научно-производственными, энергетическими и сельскохозяйственными предприятиями,
такими как ОАО «Ассоциация «Аспект»;
ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС»; ООО «Группа компания АГРО-3. Экология».
Конечными потребителями технологий, которые будут разрабатываться на основе результатов ПНИ, будут
предприятия нефтеперерабатывающей промышленности, сельского хозяйства, химической
промышленности.
Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений
В результате проведения ПНИ будет создан научно-технический задел для разработки технологий
производства ценных продуктов из непищевого растительного сырья: топливного этанола, фурфурола, 5-
гидроксиметилфурфурола, 2,5-диметилфурана, фурфурилового спирта, пирослизевой и дегидрослизевой
кислот.
С целью информирования общественности о ходе выполнения ПНИ и популяризации науки в России будет
производиться размещение информации о ходе выполнения и результатах ПНИ на официальном сайте РГУ
нефти и газа имени И. М. Губкина www.gubkin.ru
Результаты ПНИ будут демонстрироваться на выставках и других мероприятиях, организованных
Минобрнауки РФ, а также на выставках и салонах «Архимед» и «Нефть и газ», в которых РГУ нефти и газа
регулярно принимает участие, представляя актуальные разработки.

Текущие результаты проекта:
На текущий момент проведены следующие работы:
Аналитический обзор информационных источников.
Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96.
Обоснование и выбор оптимального направления исследований.
Теоретические исследования процессов окислительной и радиационной предобработки растительного сырья.
Теоретические исследования факторов, влияющих на качество предобработанного растительного субстрата и его гидролизата.
Разработка методики радиационной предобработки растительного сырья.
Разработка методики окислительной предобработки растительного сырья.
Разработка программы экспериментальных исследований получения энергонасыщенных продуктов из непищевого растительного сырья.
Наработка экспериментальных образцов радиационно-предобработанных растительных субстратов.
Наработка экспериментальных образцов окислительно-предобработанных растительных субстратов и экспериментальных образцов водорастворимых продуктов окислительной предобработки сырья, в том числе закупка или аренда необходимого технологического и контрольно-измерительного оборудования для их наработки.
Разработка блок-схемы управления технологическим процессом получения этанола из непищевого растительного сырья, проведение анализа рынка биотехнологического оборудования для получения и выделения этанола, экспериментальные исследования стимулирования роста сельскохозяйственных растений водорастворимыми продуктами окислительной предобработки сырья в лабораторных условиях.