Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0070

Руководитель: Винокуров Владимир Арнольдович

Должность руководителя: Проректор

Докладчик: Масютин Яков Андреевич, Инженер

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М.Губкина"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
предобработка, лигноцеллюлозное сырье, фурановые соединения, кислотный гидролиз, радиационная предобработка, топлива

Цель проекта:
1) Основная задача – исследование процессов окислительной и радиационной предобработки растительного сырья для повышения эффективности переработки растительного сырья в энергонасыщенные продукты, которые могут использоваться как добавки для моторных топлив. 2) Цель реализуемого проекта – повышение эффективности использования растительного сырья за счет углубления переработки непищевого растительного сырья в этанол, фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол (ГМФ), из которых далее получают 2,5-диметилфуран, фурфуриловый спирт, пирослизевую и дегидрослизевую кислоты.

Основные планируемые результаты проекта:
Проведение эффективного процесса радиационной обработки биомассы с целью снижения степени кристалличности целлюлозы и частичной деструкции лигнина, с удалением лигнина на 40 % на стадии окисления в водной среде. Получение с высоким выходом фурановых соединений (фурфурола и ГМФ) в процессе кислотного гидролиза предобработанной на первых этапах лигноцеллюлозного сырья с выходом целевых продуктов не менее 30 % от исходной биомассы. Разработка эффективных процессов окисления фурфурола и ГМФ в пирослизевую и дегидрослизевую кислоты, и восстановления до фурфурилового спирта и 1,5-диметилфурана с выходом не менее 15 %.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. 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.

2. В ходе работ 2 этапа впервые установлено влияние способа предобработки и дозы ионизирующего излучения на выход фурфурола 5-гидроксиметилфурфурола при деполимеризации лигноцеллюлозного сырья. Также новым является комбинированное применение CO2-стриппинга, первапорации и ректификации для выделения этанола.

3. 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].
В научной литературе описаны способы получения фурфурола и ГМФ с более высоким выходом, однако отсутствуют свидетельства получения фурфурола и ГМФ из радиационно предобработанного сырья. Комплексное выделение этанола из бражки за счет одновременного использования различных принципов разделения воды и спиртов соответствует мировому уровню технологий получения этанола.
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.

4. Возможные пути доведения до потребителя вышеуказанных 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:
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.

Текущие результаты проекта:
Анализ мирового опыта в исследуемой области показал, что наиболее перспективными являются методы предобработки лигноцеллюлозного сырья ионными жидкостями, методы окисления растительного сырья в водной среде (wet-oxidation), каталитического окисления перекисью водорода в водной среде, а также радиационная предобработка. Было установлено, что наибольший выход фурфурола и ГМФ (45,1 % и 62,8 %, соответственно) достигается при использовании в качестве сырья облученных с дозой 100 кГр и подвергнутых окислению пероксидом водорода сосновых опилок. При исследовании процессов получения фурановых производных из фурфурола и ГМФ были получены фурфуриловый спирт, пирослизевая кислота, 2,5-диметилфуран и дегидрослизевая кислота с выходами 74 %, 76 %, 49 % и 85 %, соответственно. Была разработана эскизная конструкторская документация на блок ректификации, выполненный в виде тарельчатой колонны с циркуляционным обогревом и водяным охлаждением, блок CO2-стриппинга, выполненный в виде оснастки ферментационной емкости, блок первапорации, выполненный в виде отдельного сосуда с «холодной стенкой». Был разработан лабораторный регламент получения фурфурола из непищевого растительного сырья путем каталитической дегидратации пятичленных сахаров, получаемых при предгидролизе лигноцеллюлозного сырья.