Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.607.21.0031

Руководитель: Кузнецов Борис Николаевич

Должность: заместитель директора по научной работе

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биомасса березы, древесина, кора, комплексная переработка, биоэтанол, твердое биотопливо, микрокристаллическая целлюлоза, сульфаты микрокристаллической целлюлозы, полифенолы, аэрогели, бетулин, ацетаты и пропионаты бетулина, энтеросорбенты, углеродные сорбенты.

Цель проекта:
Проект направлен на решение актуальной проблемы – создание принципиально новых технологий получения из возобновляемого непищевого растительного сырья – биомассы березы востребованных биотоплив, химических веществ и функциональных материалов, ориентированных на экологически безопасную и энергоэффективную переработку основных компонентов биомассы с использованием эффективных катализаторов и зеленых реагентов. 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.

Основные планируемые результаты проекта:
Вновь разработанные технологические принципы комплексной переработки биомассы березы в биотоплива и химические продукты.
Технологические инструкции для производства в лабораторных условиях экспериментальных образцов продукции из древесины березы:
а) качественных глюкозных гидролизатов из целлюлозы для ферментативного синтеза биоэтанола,
а) микрокристаллической целлюлозы,
в) биологически активных полимеров на основе сульфатов микрокристаллической целлюлозы,
г) органических и углеродных аэрогелей и нанопористых углеродных материалов из лигнина.
Технологические инструкции для производства в лабораторных условиях экспериментальных образцов продукции из коры березы:
а) биологически активного бетулина, ацетатов и пропионатов бетулина из бересты,
б) энтеросорбентов и нанопористых углеродных сорбентов из луба,
в) органических и углеродных аэрогелей из полифенолов луба,
г) суберинового связующего для получения твердого биотоплива с улучшенными характеристиками.
Модернизированная опытная установка по комплексной переработке древесины и коры березы в биотоплива и химические продукты.
Проект технического задания на проведение ОТР по созданию технологии комплексной переработки биомассы березы в биотоплива и химические продукты.

Разработанные технологические принципы комплексной переработки биомассы березы должны обеспечить получение в едином технологическом цикле биотоплив и ассортимента продуктов с высокой добавленной стоимостью и соответствовать критериям «зеленой» химии.
Технологически инструкции для производства в лабораторных условиях экспериментальных образцов продукции из древесины березы должны обеспечить:
а) одностадийное получение микрокристаллической целлюлозы с использованием «зеленых»
делигнифицирующих реагентов с выходом до 70 % вес. от содержания целлюлозы в древесине и с концентрацией остаточного лигнина не более 1 % вес.;
б) «зеленый» синтез сульфатов микрокристаллической целлюлозы с антикоагулянтными свойствами, содержащих не менее 8,5 % вес. серы и обладающих средней молекулярной массой не менее 16 000 Да;
в) получение каталитическим гидролизом целлюлозы из березовой древесины качественных глюкозных гидролизатов, обеспечивающих повышение на 20 % выхода биоэтанола по сравнению с гидролизатами из древесины;
г) получение из лигнина и полифенолов макро- и микропористых органических и углеродных аэрогелей с удельной поверхностью 250–500 м2/г и объемом пор 0,5–1,5 см3/г, нанопористых углеродных материалов с удельной поверхностью до 2000-2500 м2/г.
Технологические инструкции для производства в лабораторных условиях экспериментальных образцов продукции из коры березы должны обеспечить:
а) получение суберинового связующего из бересты с выходом 25–30 % вес., обеспечивающего повышение до 50 % механической прочности и до 2-х раз влагостойкости твердого биотоплива;
б) получение из бересты бетулина с выходом до 90 % вес. от его содержания в бересте, диацетатов бетулина и пропионатов бетулина с выходом до 80 % от содержания бетулина в бересте;
в) получение энтеросорбентов и нанопористых углеродных сорбентов из луба коры березы с характеристиками, соответствующими промышленному энтеросорбенту «Полифепан» и промышленному углеродному сорбенту БАУ;
г) получение органических и углеродных аэрогелей на основе полифенолов из коры березы с характеристиками, аналогичными аэрогелям, синтезируемым с использованием дорогих и дефицитных реагентов.
Методики исследовательских испытаний должны дать качественные и количественные сведения об элементном и химическом составе, строении и свойствах жидких и твердых продуктов, получаемых из древесины и коры березы с точностью, определяемой техническими характеристиками используемых приборов.
Для математической оптимизации процессов переработки биомассы будут использованы регрессионные модели из пакета прикладных программ Stratigraphics Plus.
Модернизированная опытная установка должна обеспечить наработку опытных партий целевых продуктов из древесины и коры березы и получение исходных данных для разработки проекта технического задания на ОТР.

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

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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).
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.
Реализация 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.
Возможно использование разрабатываемой технологии на существующих экстракционных, гидролизных и биохимических заводах России с использованием части имеющегося на заводах оборудования с целью снижения капитальных затрат.
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.

Текущие результаты проекта:
В рамках второго этапа проекта (2015 г.) разработаны технологические принципы комплексной переработки биомассы березы, основанные на интеграции в едином технологическом цикле процессов получения из древесины и коры березы биотоплив и продуктов с высокой добавленной стоимостью: биологически активных и других востребованных химических веществ, новых функциональных материалов, а также на использовании «зеленых» реагентов и эффективных катализаторов.
Проведена оптимизация процессов переработки древесины и коры березы в качественные глюкозные гидролизаты для ферментативного синтеза биоэтанола, микрокристаллическую целлюлозу, биологически активные сульфаты микрокристаллической целлюлозы, бетулин, ацетаты и пропионаты бетулина, органические и углеродные аэрогели, энтеросорбенты, нанопористые углеродные сорбенты, сбериновые связующие для получения твердого биотоплива с улучшенными характеристиками. Разработана техническая документация для модернизации опытной установки по комплексной переработке древесины и коры березы, включающая общую технологическую схему и блок-схему установки, перечень стандартных готовых узлов и технических решение по их использованию.
Разработаны Программы и Методики исследовательских испытаний экспериментальных партий всего ассортимента востребованных продуктов, получаемых из древесины и коры березы по разрабатываемой технологии.
Наработаны экспериментальные партии образцов продуктов из древесины березы для проведения исследовательских испытаний: глюкозных гидролизатов для синтеза биоэтанола, микрокристаллической целлюлозы, сульфатов микрокристаллической целлюлозы, аэрогелей и нанопористых углеродных материалов из лигнина. По тематике проекта опубликовано 5 статей, получен 1 патент и отправлены 4 заявки на патенты, защищена 1 кандидатская диссертация.
Для популяризации результатов, полученных при выполнении 2 и 3 этапов проекта, были сделаны пленарный доклад на 5-ой Международной научно-технической конференции «Альтернативные источники сырья и топлива», проходившей с 26 по 28 мая 2015 г. в г. Минск (Беларусь), устные доклады на 3-ем Международном симпозиуме по зеленой химии, проходившем с 3 по 7 мая 2015 г. в г. Ла-Рошель (Франция), на XII Европейском конгрессе по катализу «Катализ: Балансировка использования ископаемого топлива и возобновляемых ресурсов», проходившем с 30 августа по 4 сентября 2015 г. в г. Казань, Россия; на 3-ей Международной конференции «Катализ возобновляемых ресурсов: топлива, энергии, химических веществ, проходившей с 6 по 11 сентября 2015 г. в Катании, Сицилия, Италия; на конференции MedChem 2015 (2-ая Всероссийская конференция по медицинской химии, 6-ая Российско-Коейская конференция «Актуальные вопросы биологически активных соединений: химия и биотехнология»), проходившей с 5 по 10 июля в г. Новосибирске, Россия; на XXIX Научно-технической конференции «РЕАКИВ-2015», проходившей с 28 сентября – 1 октября 2015 в г.Новосибирск, Россия; на II Всероссийской конференции «Горячие точки химии твердого тела», проходившей с 25 по 28 октября 2015 в г. Новосибирск, Россия.