Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплексного (биотехнологического и нанокаталитического) процесса переработки лигноцеллюлозной биомассы (солома/ древесные отходы) в топлива и востребованные химические вещества

Докладчик: Таран Оксана Павловна

Должность: старший научный сотрудник, доцент, кандидат химических наук

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблем: вовлечения ресурсов возобновляемой растительной биомассы в качестве сырья в промышленное (ТЭК, химической, фармацевтической) производство; создания новых востребованных местными и международными рынками продуктов из возобновляемого растительного сырья; разработки процессов получения этих продуктов; а также объединения компетенций и ресурсов российских и индийских партнеров для создания энергосберегающего и экологически чистого интегрированного процесса переработки биомассы в ценные вещества. 2. Целью реализуемого проекта является разработка научных основ экологически чистого и энергоэффективного интегрированного био-каталитического процесса переработки местных источников лигноцеллюлозной биомассы (сельскохозяйственных/древесных отходов) в продукты (топлива и компоненты топлив, сырье для химии и нефтехимии, а также растворители), востребованные в ТЭК, полимерной и химической промышленности РФ и Индии.

Основные планируемые результаты проекта:
Первым этапом переработки растительной биомассы является её измельчение и активация. Результаты, полученные в ходе проведения исследований по мехактивации, позволят выбрать и отработать оптимальные методы активации ЛЦ биомассы разных типов (отходы древесины и солома), приводящие к разрушению кристаллической структуры биомассы и позволяющие в несколько раз увеличить реакционноспособность ЛЦ биомассы. Для выполнения этой задачи будет разработан лабораторный стенд оснащенный модулем измельчения и активацию, а также техническая документация к стенду. Использование вихревых технологий разработанных в ИК СО РАН совместно с Институтом теплофизики СО РАН (Кузьмин, Пармон и др., 2005) позволят существенно интенсифицировать процесс измельчения и активации биомассы по сравнению с существующими в мире процессами. Исследования, проведенные совместно с Индийским партнером на данном этапе, позволят провести оценку эффективности применения различных видов активации (мехактивации в вихревой и планетарной мельницах, активация ультразвуком, химическая активация).
Полученные образцы буду исследованы методами оптической и сканирующей электронной спектроскопии на дисперсность, а также методом рентгенофазового анализа будет изучена их кристаллическая структура, что позволит оценить степень измельчения и мехактивации. Кроме того, будут получены данные по био-делигнификации образцов биомассы с использованием оригинальных ферментов лакказ, разработанных Индийскими специалистами (будут получены в Индии совместно с участниками проекта из России). Применение механактивации и биолигнификации позволит значительно снизить количество отходов (по сравнению с традиционным кислотным гидролизом), снизить энергопотребление процесса (за счет использования более мягких условий процесса) и увеличить последующий выход сахаров.
Полученные после делигнификации продукты (лигнин и образцы холоцеллюлозы) с использованием катализаторов будут переработаны в ценные продукты (сахара, фенолы и их производные), являющиеся предшественниками в синтезе востребованных веществ.
Применение разработанных в ИК СО РАН твердых углеродных (Громов, Таран, Пармон и др., 2014) и оксидных катализаторов позволит переработать в одну стадию холоцеллюлозу в глюкозу и ксилозу с высоким выходом (40%), а также ценный продукт 5-гидроксиметилфурфурол (20%), что сравнимо (по сахарам) и превышает (по 5-ГМФ) выходы, для описанных в литературе процессах на твердых катализаторах. Применение одностадийного процесса и твердых катализаторов вместо коррозионно-активных растворимых минеральных кислот позволит уменьшить материалоемкость, энергозатратность и трудоемкость, а также повысить экологичность технологии получения 5-ГМФ. Данная стадия по окончании проекта будет готова для реализации пилотного проекта.
Параллельно проведенные вместе с индийскими специалистами исследования биоразнообразия штаммов, выделенных в РФ, позволят определить круг продуцентов, перспективных в качестве источников гликозилгидролаз. Полученные продуценты будут исследованы в Индии с использованием протеомных методов, а на основе наилучших вариантов ферментов будут разработаны новые продуценты карбогиродаз.
Для ферментации С5 и С6 сахаров будут разработаны штаммы термофильных дрожжей, осуществляющих продукцию изобутанола. Штаммы будут обладать устойчивостью к 5-гидроксиметилфуролу, что позволит использовать для их ферментации сырье, полученное при каталитическом гидролизе холоцелюлозы, с низкой степенью очистки. Использование данных продуцентов позволит улучшить технологические параметры процесса, выражающееся в снижении энергозатрат на охлаждение, снижение вязкости культуральной жидкости и др. Стоит отметить, что термофильные дрожжи ранее не использовались для продукции изобутанола, а работы на мезофильных дрожжах начаты в мире в последние 2 года. Специалисты из России также примут участие в совместных экспериментах в Индии на пилотной установке по культивированию и гидролизу сахаров.
Для переработки лигнина будут выбраны наиболее перспективные, из изученных (кислотный, основный, ферментативный гидролиз, их комбинация и/или каталитическая переэтерификация) процессы, позволяющие получать максимальные выходы ценных ароматических соединений и высокоактановых добавок с минимальными затратами и максимальной энергоэффективностью.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в ходе выполнения проекта научные и научно-технические результаты будут являть основой для проведения НИОКР и создания комплексной биокаталитической технологии переработки лигноцеллюлозной биомассы (древесных и сельскохозяйственных отходов) в топлива и компоненты топлив, сырье для химической промышленности и растворители.
В числе других практических результатов применения работы можно назвать:
Лабораторный стенд, состоящий из блоков: для измельчения и механактивации биомассы; каталитической переработки и аналитического может быть масштабирован в пилотном варианте как полностью, так и по отдельным блокам.
Катализаторы гидролиза целлюлозы до глюкозы и 5-ГМФ, могут быть масштабированы для применения на гидролизных предприятиях.
Катализаторы для переработки отходов лигнина в ценные продукты могут быть востребованы на ЦБК.
Ферменты и штаммы, полученные индийским партнером будут применены в процессах осахаривания биомассы местных сельскохозяйственных отходов и реализованы на пилотной установке индийского партнера. Кроме того, штаммы-продуценты этанола будут использованы в процессах ферментации на пилотной установке, для оценки экономических показателей технологии.
Штаммы-продуценты изобутанола будут использованы как основа для разработки промышленных продуцентов изобутанола. Продукты, получаемые на основании подобных штаммов-продуцентов будут востребованы химической, фармацевтической и пищевой промышленностями.
В числе ожидаемых тенденций влияния от внедрений полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; а также изменение структуры производства товаров в соответствующих секторах рынка народно-хозяйственного работы можно назвать следующее:
В лесном и сельском хозяйстве – создание новых переделов продукции (отходов сельскохозяйственного производства, древесной биомассы);
в гидролизной промышленности – внедрение новых экологически чистых технологий на профильных предприятиях вместо устаревших. Создание новых технологий производства химических веществ из биомассы;
в микробиологической промышленности – производство новой продукции (ферментов гликозилгидролаз) предназначенной для переработки локальных источников сырья;
в химической промышленности – расширение спектра продукции, получение новых продуктов с удешевленным производством, повышение доли использования возобновляемых ресурсов;
в ТЭК – увеличение производства альтернативных моторных топлив из возобновляемых ресурсов, ориентация на непищевые источники сырья.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен всесторонний поиск и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей проблему комплексной переработки лигноцеллюлозной биомассы в топлива и востребованные химические вещества. Подготовлен аналитический обзор
2. На основании выводов аналитического обзора проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений и определены направления исследований.
3. Проведены патентные исследования по механической активации ЛЦ биомассы.
4. Проведены патентные исследования по получению штаммов-продуцентов изобутанола.
5. Проведены экспериментальные исследования по механической активации древесной биомассы. Выбран наиболее перспективный метод и условия активации биомассы.
6. Разработана конструкторская документация на лабораторный стенд по переработке ЛЦ-биомассы, включающая принципиальную технологическая схему.
7. Изготовлен блок измельчения и активации лабораторного стенда и запушен в эксплуатацию.
8. Изготовлен аналитический блок лабораторного стенда.
9. Наработана партия образцов мехактивированной древесиной биомассы отличающихся дисперсностью.
10. Разработана методика физико-химического исследования образцов древесной биомассы.