Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание основ технологии комплексной переработки биомассы березы с получением биотоплив, биологически активных веществ и функциональных материалов.

Докладчик: Кузнецов Борис Николаевич

Должность: Заместитель директора по научной работе

Цель проекта:
В настоящее время в развитых станах мира реализуется стратегия расширенного использования возобновляемой растительной биомассы, как альтернативы ископаемому сырью. В России сосредоточено около 23 % лесных ресурсов планеты, причем значительная их часть представлена березой. При заготовке, механической и химической переработке древесины образуется огромное количество древесных отходов. Древесные отходы создают надежную сырьевую базу для крупномасштабного производства альтернативных топлив и химических продуктов и из возобновляемого сырья. Целесообразность производства востребованных биопродуктов из низкосортной древесины и древесных отходов постоянно возрастает с учетом роста себестоимости добычи ископаемых видов топлив, дефицита пахотных земель, необходимостью утилизации растительных отходов и снижения выбросов СО2. В традиционных процессах целлюлозно-бумажной и биохимической промышленности используется только карбогидратная составляющая древесины. Технологии комплексной переработки всех основных компонентов биомассы древесины отсутствуют как в России, так и за рубежом. Перспективные направления исследований в создании принципиально новых технологий получения из лигноцеллюлозного сырья биотоплив и ценных химических продуктов ориентированы на переработку всех основных компонентов лигноцеллюлозной биомассы с использованием катализаторов, нетоксичных реагентов и эффективных методов активации сырья. Целью реализуемого проекта является создание научно-технического задела для разработки не имеющей аналогов комплексной технологии переработки биомассы березы (древесина, кора) в биоэтанол и твердое биотопливо, биологически активные вещества и материалы функционального назначения. Задачей проекта является оптимизация основных стадий комплексной технологии переработки биомассы березы: каталитического фракционирования древесины на целлюлозу, растворимый лигнин и С5-сахара, механического фракционирования коры на бересту и луб, синтеза биологически активных сульфатов целлюлозы, получения глюкозы для синтеза биоэтанола каталитическим гидролизом целлюлозы, получения аэрогелей из лигнина, получения биологически активного бетулина, его производных и суберина из бересты, получения из луба энтеросорбентов и полифенолов для синтеза аэрогелей, получения твердого биотоплива с использованием суберина в качестве связующего. При выполнении проекта планируется наработка опытных партий перечисленных продуктов на модернизированной опытной установке, исследование характеристик и потребительских свойств продуктов, разработка проекта ТЗ на проведение ОТР для создания энерго- и ресурсо-сберегающей «зеленой» технологии комплексной переработки биомассы березы, модернизация установки по комплексной переработке древесины и коры березы в биоэтанол, твердое биотопливо, биологически активные и другие ценные химические вещества и функциональные материалы. Обоснованность выбора направления исследований по тематике ПНИ определяется следующими факторами: • Возрастающей актульностью использования возобновляемой растительной биомассы, как альтернативы ископаемым видам органического сырья. • Целесообразностью разработки эффективных технологий утилизации древесных отходов с получением биотоплив и востребованных химических продуктов. • Наличием в России огромных ресурсов низкосортной древесины березы, для которой отсутствуют отечественные технологии химической переработки. • Снижением себестоимости производства биотоплив из древесных отходов за счет получения в едином технологическом цикле химических продуктов с высокой добавленной стоимостью из лигнина и коры (биологически активных веществ, микрокристаллической целлюлозы, пористых материалов). • Возрастающей потребностью мирового и отечественного рынков в биоэтаноле, качественном твердом биотопливе, биологически активных веществах, сорбентах и аэрогелях. • Наличием у исполнителей проекта значительных заделов в разработке новых методов получения биотоплив и ценных химических веществ из древесной биомассы.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые исследования позволят получить значительный объем новых знаний о методах синтеза биотоплив второго поколения, биологически активных веществ и функциональных материалов из биомассы березы.
Ожидаемые прикладные результаты исследований по комплексной переработке биомассы березы:
• Разработка не имеющего аналогов энергосберегающего и экологически безопасного процесса комплексной переработки биомассы березы с получением ассортимента востребованных биопродуктов.
• Разработка более совершенных, чем известные, процессов получения из древесины березы микрокристаллической целлюлозы и качественных глюкозных гидролизатов для ферментативного синтеза биоэтанола.
• Разработка новых малостадийных «зеленых» методов получения из древесины березы биологически активных полимеров на основе сульфатов микрокристаллической целлюлозы.
• Разработка новых видов органических и углеродных аэрогелей, а также нанопористых углеродных материалов с уникальными физико-химическими свойствами на основе низкомолекулярного лигнина древесины березы и луба коры березы.
• Разработка более совершенных, чем известные, методов получения из бересты березы биологически активных бетулина, ацетата и пропионата бетулина, а также субериновых связующих.
• Разработка методов получения твердого биотоплива (брикеты, пеллеты) с повышенной водостойкостью и механической прочностью с использованием суберинового связующего.
Совокупность полученных научных и научно-технических результатов послужит основой для создания комплекса взаимосвязанных технологических процессов, интеграция которых позволит производить из биомассы березы энергоносители (биоэтанол, твердое биотопливо) и ассортимент продуктов с высокой добавленной стоимостью (бетулин и его производные, МКЦ, сульфаты МКЦ, органические и углеродные аэрогели, сорбенты).
Конкурентные преимущества результатов проекта связаны с отсутствием прямых аналогов разрабатываемой технологии, обеспечивающей комплексную утилизацию основных компонентов биомассы березы в широкий ассортимент биопродуктов топливного и химического назначения.
Разрабатываемая безотходная технология является энерго- и ресурсосберегающей и не использует токсичные реагенты. Снижение энергетических затрат достигается в результате использования эффективных катализаторов и интеграции в едином технологическом цикле различных процессов конверсии компонентов биомассы.
Широкий ассортимент получаемых биопродуктов позволяет гибко реагировать на меняющиеся потребности рынка. Производство дорогостоящих продуктов (например биологически активных веществ, аэрогелей, сорбентов) позволяет повысить рентабельность получения биотоплив из древесного сырья.
Преимуществами разрабатываемого интегрированного процесса по сравнению с традиционными технологиями являются следующие:
• обеспечивается утилизация всей биомассы березы, включая лигнин и кору (тогда как в традиционных технологиях перерабатываются только полисахариды), что делает процесс безотходным;
• увеличивается ассортимент продуктов: биоэтанол, твердое биотопливо, микрокристалллическая целлюлоза, биологически активные вещества, нанопористые материалы, тогда как в традиционных получают преимущественно один продукт из перечисленных;
• повышается эффективность стадии получения биоэтанола за счет повышения качества глюкозных гидролизатов из целлюлозы по сравнению с гидролизатами из древесины;
• наряду с биотопливами нарабатываются продукты с высокой с добавленной стоимостью из коры и лигнина (биологически активные вещества, аэрогели, энтеросорбенты, нанопористые углеродные материалы);
• в технологическом цикле отсутствуют токсичные, экологически опасные и коррозионно-активные реагенты. В традиционных процессах применяются серо- и хлоросодержащие делигнифицирующие реагенты и минеральные кислоты, что требует дополнительных затрат на их утилизацию и на мероприятия по охране труда и окружающей среды.
Освоение предлагаемой технологии позволит достичь:
• повышения эффективности использования всех основных компонентов биомассы на 30 % по сравнению с известными методами получения биотоплив из лигноцеллюлозного сырья.
• снижения материалоемкости производства до 2-х раз по сравнению с известными методами получения биотоплив из лигноцеллюлозного сырья.
• снижения на 30 % затрат на производство биотоплив по сравнению с известными методами получения биотоплив из лигноцеллюлозного сырья.
• снижения на 20 % количества образующихся отходов по сравнению с известными методами получения биотоплив из лигноцеллюлозного сырья.
• повышения на 50 % механической прочности и на 30 % влагостойкости твердого топлива по сравнению с известными технологиями получения биотоплив из древесного сырья.
Планируемые этапы разработки технологии комплексной переработки биомассы березы:
• модернизация и запуск опытной установки по получению биопродуктов из древесины и коры березы на опытной базе ИХХТ СО РАН;
• отработка технологических режимов комплексной переработки древесины и коры березы на опытной установке;
• наработка опытных партий биопродуктов и оценку их потребительских свойств;
• подготовка технологического регламента на процесс комплексной переработки биомассы березы;
• проведение маркетинговых исследований;
• разработка технической документации на демонстрационную установку получения биопродуктов из биомассы березы;
• монтаж и запуск демонстрационной установки на ГПКК «Красноясклес».
• тиражирование демонстрационных установок.
В результате выполненных исследований будут созданы объекты интеллектуальной собственности (патенты и ноу-хау) по новым способам получения биотоплив и востребованных продуктов из березовой древесины и коры.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Прогноз технологического развития в предметной области проекта является весьма оптимистичным. Устойчивой тенденцией в мировых исследованиях последних лет в области глубокой переработки биомассы является создание интегрированных технологий получения различных видов биопродуктов (т.н. биорефайнери) из непищевых видов биомассы и применение новых катализаторов для повышения эффективности этих процессов.
Кроме того, решение проблемы рационального использования древесных отходов позволяет не только снизить нагрузку на окружающую среду, но и повысить рентабельность производства основной продукции из древесины. Это является побудительным мотивом к освоению предлагаемой технологии получения биотоплив и продуктов с высокой добавленной стоимостью (например, дорогостоящих биологически активных веществ) на предприятиях лесопромышленного комплекса.
Производство малотоннажных дорогостоящих продуктов, транспортная составляющая в цене которых относительно невелика, позволит отказаться от импорта некоторых видов БАД, лекарственных средств, ветеринарных биопрепаратов, а также обеспечить экспортные поставки продукции. Потенциальными потребителями указанных видов малотоннажной продукции являются фармацевтические производства, малые предприятия по производству БАД, ветеринарных препаратов, животноводческие комплексы, птицефабрики.
Производство твердых биотоплив из отходов березовой коры и ее смесей с древесными отходами позволит обеспечить экологически безопасным топливом коммунально-бытовой сектор и достичь экономии традиционных видов ископаемого топлива при секвестрации эмиссии парникового газа СО2.
Разрабатываемая технология комплексной переработки биомассы березы позволяет получать широкий ассортимент востребованных рынком биопродуктов.
Эти продукты имеют хорошие перспективы коммерциализации в регионах России, обладающих ресурсами березы (Сибирь, север европейской части РФ). Целесообразность промышленного освоения предлагаемой технологии комплексной глубокой переработки биомассы березы обусловлена следующими факторами:
• наличием огромных ресурсов некондиционной древесины березы и отходов ее механической переработки, отсутствием спроса на березовую древесину в отечественной целлюлозно-бумажной и биохимической промышленности;
• возможностью расширения ассортимента востребованных рынком натуральных химических продуктов в дополнение к традиционной продукции гидролизных и целлюлозно-бумажных производств;
• возможностью использования разрабатываемой технологии на существующих биохимических и экстракционных заводах с использованием имеющегося оборудования с целью снижения капитальных затрат;
• растущей потребностью в биоэтаноле и твердых биотопливах на российском и зарубежных рынках.
Перспективы развития отечественного производства транспортного биотоплива и высокооктановых добавок на основе этанола из древесного сырья с последующим его экспортом весьма оптимистичны.
В связи с деградацией лесохимической отрасли в России существует дефицит в натуральных биологически активных веществах, что будет способствовать продвижению на отечественный рынок биологически активных добавок и лекарственных средств на основе бетулина и его производных, сульфатов МКЦ, энтеросорбентов из коры березы.
Кроме того, с развитием в России высокотехнологичных производств появляется потребность в новых функциональных материалах с уникальными свойствами, что позволяет рассчитывать на интерес к освоению производства органических и углеродных аэрогелей и нанопористых углеродных материалов из дешевого возобновляемого сырья – древесины и коры березы.
Реализации проекта будет способствовать:
• расширению сырьевой базы и объема производимых биотоплив и химических продуктов за счет вовлечения в переработку некондиционной древесины березы и древесных отходов;
• повышению экономической эффективности производства биотоплив в результате применения катализаторов, уменьшения количества технологических стадий и дополнительного получения химической продукции с высокой добавленной стоимостью из малоиспользуемых компонентов древесной биомассы (лигнина, коры);
• повышению экологической безопасности процессов глубокой переработки древесины в востребованные продукты за счет применения «зеленых» реагентов и твердых катализаторов;
• увеличению числа рабочих мест в результате организации гибкого малотоннажного производства востребованных биопродуктов в местах скопления древесных отходов.
В последнее время в России возрос интерес к использованию биоэтанола в моторных топливах, так как применение добавок этанола позволяет снизить вредные выбросы. Предполагаемое внедрение в России стандартов на моторное топливо, соответствующее требованиям Евро-4 и Евро-5 предполагает обязательное использование в моторных топливах оксигенатов, наиболее подходящим из которых является биоэтанол.
Возможно использование разрабатываемой технологии на существующих экстракционных, гидролизных и биохимических заводах России с использованием части имеющегося на заводах оборудования с целью снижения капитальных затрат.
Имеются хорошие перспективы развития отечественного производства транспортного биоэтанола из древесного сырья с последующим его экспортом. Октан повышающие добавки на основе этанола в России выпускает ряд предприятий. В Омской области ведётся строительство первого в России бионефтехимического кластера (проект «Биокомплекс»). Одним из направлений деятельности Биокомплекса будет производство биоэтанола. В настоящее время ОАО Кировский «Биохимзавод» – единственное предприятие в России, которое производит биоэтанол из отходов древесины в промышленных объемах, для его дальнейшего применения в качестве моторного топлива.
Предприятия по производству биоэтанола могут стать потребителями новых процессов глубокой переработки биомассы березы в биотоплива и другие востребованные продукты из древесины и коры. Другими потенциальными потребителями разрабатываемой технологии являются целлюлозно-бумажные комбинаты (например, ЦБК Енисей), лесоперерабатывающие предприятия, заинтересованные в переработке древесных отходов в востребованные продукты, фармацевтические предприятия и зарубежные фирмы (например, Джонсон-Матти).
Соглашение об использовании результатов проекта готово заключить Государственное предприятие Красноярского края «Красноярское управление лесами» (ГПКК «Красноярсклес»).

Текущие результаты проекта:
В соответствии с графиком исполнения обязательств в отчетном периоде (3-й квартал 2014 г.) выполнялись следующие работы:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по комплексной переработке древесной биомассы в биоэтанол, твердые биотоплива и востребованные химические продукты.
2. Выбор и обоснование направлений исследований.
3. Описание результатов патентных исследований.
Проведенный анализ литературных источников за период 2009–2014 гг. показал, что в мире интенсивно выполняются исследования по разработке эффективных технологий получения биотоплив и востребованных химических продуктов из непищевой лигноцеллюлозной биомассы, представленной древесными и сельскохозяйственными отходами. Актуальные направления исследований процессов переработки биомассы связаны с использованием твердых катализаторов, ускоряющих превращения ее основных компонентов и созданием интегрированных процессов, обеспечивающих комплексную переработку биомассы в ассортимент востребованных продуктов.
Проведенный анализ позволил сделать обоснованный выбор направлений прикладных научных исследований, ориентированных на создание основ технологии комплексной переработки биомассы березы (древесины и коры) в ассортимент востребованных рынком биотоплив (биоэтанол и твердое биотопливо), химических веществ (глюкоза, микрокристаллическая целлюлоза и ее сульфаты, биологически активные бетулин, ацетаты и пропионаты бетулина) и функциональных материалов (органических и углеродных аэрогелей, нанопористого углерода, энтеросорбентов).
Основные направления патентных исследований за период с 2009 по 2014 гг. в области создания новых методов переработки древесной биомассы связаны с получением биоэтанола, твердых биотоплив, целлюлозы и ее эфиров. Переработкой коры березы получают биологически активный бетулин, субериновые вещества, сорбенты. При этом большое внимание уделяется способам активации биосырья, облегчающим его последующую переработку.
Анализ патентной информации показал, что существует только ограниченное число патентов, предлагающих способы переработки древесной биомассы без использования химически агрессивных и экологически опасных реагентов в мягких условиях. Их дальнейшее совершенствование осуществляется в направлении подбора более эффективных, чем существующие, катализаторов конверсии основных компонентов древесины – целлюлозы и лигнина. Существующие методы химической переработки древесины позволяют получать весьма ограниченный ассортимент продуктов, преимущественно из ее целлюлозного компонента.
На основе проведенного анализа обоснованы направления прикладных научных исследований по созданию основ комплексной технологии переработки древесины и коры березы, позволяющей получать в интегрированном технологическом цикле биоэтанол и твердое биотопливо, биологически активные вещества и материалы функционального назначения.
Предлагаемая к разработке интегрированная технология включает стадии:
• предварительного механического разделения биомассы березы на древесину и кору;
• каталитического фракционирования древесины на микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) и растворимый лигнин;
• механического разделения коры березы на бересту и луб;
• каталитической переработки МКЦ в глюкозные гидролизаты для синтеза биоэтанола и биологически активные сульфаты МКЦ;
• переработки бересты с получением биологически активных соединений: бетулина, ацетата и пропионата бетулина, а также суберинового связующего для получения твердого биотоплива;
• синтеза органических и углеродных аэрогелей из растворимого лигнина и полифенолов луба коры;
• получения энтеросорбентов и нанопористых углеродных материалов из луба коры.
При осуществлении химических стадий интегрированного процесса предлагается использовать экологически безопасные реагенты и технологичные твердые катализаторы.
Для популяризации результатов, полученных при выполнении проекта ФЦП, был сделан устный доклад на 6-ом Международном симпозиуме по углероду в катализе, проходившем с 22 по 25 июня 2014 г. в г. Трондхейм (Норвегия), на тему «Закономерности синтеза нанопристого углерода и углеродных аэрогелей одностадийной карбонизацией ископаемого и возобновляемого природного сырья» (авторы Кузнецов Б.Н., Чесноков Н.В., Иванов И.П., Гришечко Л.И., Селзард А). Был сделан устный доклад на 8-ой Международной конференции по механохимии и механическому плавлению, проходившей с 22 по 26 июня 2014 г. в г. Краков (Польша), на тему «Использование методов химической активации для получения композитов бетулина и его эфиров с полимерами» (авторы Михайленко М.А., Шахтшнейдер Т.П., Кузнецова С.А., Маляр Ю.Н., Замай А.С., Болдырев В.В.). Был сделан устный доклад на 6-ом Международном конгрессе «Цветные металлы и минералы», проходившем в г. Красноярске с 15 по 18 сентября 2014 г., на тему «Синтез и изучение структурных характеристик углеродных материалов аэрогельного типа на основе танина и лигнина (авторы Гришечко Л.И., Кузнецов Б.Н., Селзард А.). Был представлен стендовый доклад на тему «Влияние природы твердых кислотных катализаторов на их активность в гидролизе сахарозы и микрокристаллической целлюлозы» на II Российском конгрессе по катализу (РОСКАТАЛИЗ), проходившем в г. Самара 2-5 октября 2014.
Издана монография «Получение целлюлозы каталитической делигнификацией древесины пероксидом водорода». Красноярск: Сиб. федерал. ун-т. 2014. 146 с. (авторы Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Яценкова О.В., Данилов В.Г.).
Опубликованы статьи в журнале Доклады Академии Наук, 2014, т. 459, № 2 «Противоопухолевая активность композитов диацилов бетулина с арабиногалактаном» (авторы Кузнецова С.А., Шахтшнайдер Т.П., Михайленко М.А., Маляр Ю.Н., Спивак Е.А., Замай Т.Н., Замай А.С., Чесноков Н.В., Кузнецов Б.Н., Болдырев В.В.) и в журнале «Химия природных соединений», 2014, № 6 «Сульфатирование бетулина сульфаминовой кислотой в диметилформамиде и диоксане» (авторы Левданский В.А., Левданский А.В., Кузнецов Б.Н.).
Отправлены 2 заявки на патенты: «Способ получения производных 3-ацетата-28-сульфата бетулина» (авторы Левданский В.А., Левданский А.В., Кузнецов Б.Н.) и «Способ сульфатирования 3-ацетата бетулина» (авторы Левданский В.А., Левданский А.В., Кузнецов Б.Н.).
Представлены к защите 2 кандидатские диссертации: Гришечко Л.И. «Исследование процессов синтеза из древесного лигнина жидких углеводородов и аэрогелей» и Маляр Ю.Н. «Физико-химические свойства механокомпозитов бетулина и его диацилов с водорастворимыми полимерами».