Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0031

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0031
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Создание основ технологии комплексной переработки биомассы березы с получением биотоплив, биологически активных веществ и функциональных материалов.
Докладчик
Кузнецов Борис Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение актуальной проблемы – создание принципиально новых технологий получения из возобновляемого непищевого растительного сырья востребованных биотоплив и химических продуктов, обеспечивающих экологически безопасную и энергоэффективную переработку основных компонентов растительной биомассы с использованием технологичных твердых 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.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность выполняемого исследования обусловлена:
• возрастающей потребностью мирового и отечественного рынков в биоэтаноле, качественном твердом биотопливе и химических веществах природного происхождения;
• необходимостью 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 всех основных компонентов биомассы, включая кору.

Новизна разрабатываемых подходов к переработке биомассы березы определяется следующими факторами:
• 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;
• 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, что позволяет снизить, по сравнению с традиционными технологиями, затраты на утилизацию отходов и на мероприятия по охране труда и окружающей среды.
Описание исследования

Разрабатываемая 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 используются экологически безопасные реагенты и технологичные твердые катализаторы.

Разработаны лабораторные методики для производства лабораторных партий продукции:

из древесины березы

  • качественных глюкозных гидролизатов,
  • микрокристаллической целлюлозы,
  • биологически активных полимеров на основе сульфатов микрокристаллической целлюлозы,
  • органических аэрогелей из лигнина,
  • углеродных аэрогелей из лигнина,
  • нанопористых углеродных материалов из лигнина.

из коры березы:

  • биологически активного бетулина из бересты,
  • ацетатов бетулина из бересты,
  • пропионатов бетулина из бересты,
  • энтеросорбентов из луба,
  • нанопористых углеродных сорбентов из луба,
  • органических аэрогелей из полифенолов луба,
  • углеродных аэрогелей из полифенолов луба,
  • суберинового связующего для получения твердого биотоплива с улучшенными характеристиками.

Разработанные технологические принципы комплексной переработки биомассы березы обеспечивают получение в едином технологическом цикле биотоплив и ассортимента продуктов с высокой добавленной стоимостью и соответствуют критериям «зеленой» химии.

Технологически инструкции для производства в лабораторных условиях экспериментальных образцов продукции из древесины березы обеспечивают:

  • 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.;
  • «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;
  • получение каталитическим гидролизом целлюлозы из березовой древесины качественных глюкозных гидролизатов, обеспечивающих повышение на 20 % выхода биоэтанола по сравнению с гидролизатами из древесины;
  • 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 обеспечивают:

  • получение суберинового связующего из бересты с выходом 25–30 % вес., обеспечивающего повышение до 50 % механической прочности и до 2-х раз влагостойкости твердого биотоплива;
  • 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;
  • получение энтеросорбентов и нанопористых углеродных сорбентов из луба коры березы с характеристиками, соответствующими промышленному энтеросорбенту «Полифепан» и промышленному углеродному сорбенту БАУ;
  • 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 дают 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 использованы регрессионные модели из пакета прикладных программ Stratigraphics Plus.

Модернизированная опытная установка обеспечивает наработку опытных партий целевых продуктов из древесины и коры березы и получение исходных данных для разработки проекта технического задания на ОТР.

Результаты исследования
  • Разработан не имеющий аналогов энергосберегающий и экологически безопасный процесс комплексной переработки биомассы березы с получением ассортимента востребованных биопродуктов.
  • Разработаны более совершенные, чем известные, процессы получения из древесины березы микрокристаллической целлюлозы и качественных глюкозных гидролизатов для ферментативного синтеза биоэтанола.
  • Разработаны новые малостадийные «зеленые» методы получения из древесины березы биологически активных полимеров на основе сульфатов микрокристаллической целлюлозы.
  • Разработаны новые виды органических и углеродных аэрогелей, а также нанопористых углеродных материалов с уникальными физико-химическими свойствами на основе низкомолекулярного лигнина древесины березы и луба коры березы.
  • Разработаны более совершенных, чем известные, методы получения из бересты березы биологически активных бетулина, ацетата и пропионата бетулина, а также субериновых связующих.
  • Разработаны методы получения твердого биотоплива (брикеты, пеллеты) с повышенной водостойкостью и механической прочностью с использованием суберинового связующего.

Совокупность полученных научных и научно-технических результатов является основой для создания комплекса взаимосвязанных технологических процессов, интеграция которых позволяет 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.
Практическая значимость исследования
Разрабатываемая технология комплексной переработки биомассы березы позволяет получать широкий ассортимент востребованных рынком биопродуктов, которые 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.