Биоэтанол: стабилизация процессов ферментации и дистилляции для достижения максимального выхода

Биоэтанол традиционно получают путем ферментации сахаров, извлеченных из сельскохозяйственных культур первого поколения, таких как кукуруза, сахарный тростник, пшеница и сорго. По мере ужесточения глобальной политики по сокращению выбросов углерода этанол играет всё более важную роль в качестве низкоуглеродной альтернативы бензину, получаемому из ископаемого топлива.

Промышленность все чаще отказывается от сырья первого поколения в пользу сырья второго поколения, также известного как целлюлозное сырье, с целью сокращения выбросов на протяжении всего жизненного цикла и уменьшения конкуренции с производством продовольствия. Непищевое сырье, включая сельскохозяйственные отходы, побочные продукты лесозаготовок и специальные энергетические культуры, содержит ферментируемые сахара, заключенные в лигноцеллюлозные структуры, которые сначала необходимо разложить.

Эти материалы требуют дополнительных этапов предварительной обработки и ферментативного гидролиза для выделения ферментируемых сахаров из лигноцеллюлозы. Этот переход способствует дальнейшему сокращению выбросов, но при этом повышает разнообразие исходного сырья и усложняет биологические процессы.

Помимо автомобильного транспорта, спрос на этанол растет во многих сферах применения, в том числе:

• авиапромышленность, ему способствует развитие направлений по производству экологически безопасного авиационного топлива (SAF);
• химическое производство, в котором этанол используется в качестве возобновляемого сырья;
• использование топлива в промышленности в целях содействия декарбонизации энергоемких процессов.

Переход на гибридные автомобили в ряде регионов и дальнейшее развитие технологий производства альтернативных видов топлива (SAF) еще больше подкрепляют необходимость стабильного и высокопроизводительного производства. По мере расширения ассортимента исходного сырья становится крайне важным обеспечить строгий контроль над процессами ферментации и дистилляции. Это необходимо для обеспечения эффективного преобразования, высокой чистоты продукта и бесперебойного хода последующих технологических операций.

По мере роста темпов реализации инициатив по сокращению выбросов углерода во всем мире биоэтанол играет все более важную роль, заменяя бензин, полученный из ископаемого топлива, и сокращая выбросы на протяжении всего жизненного цикла. Эти механизмы по-прежнему подталкивают к увеличению квот на использование смешанного топлива и поощряют внедрение технологий производства с более низким уровнем выбросов углерода.  

В Индии, которая является одним из самых быстрорастущих рынков этанола в мире, правительство внедряет по всей стране топливо E20 — программу, запущенную в 2023 году и которая продолжает расширяться по всей стране. Это устойчивое расширение еще больше увеличивает спрос на устойчивый этанол высокого качества.

В Европейском союзеДиректива о возобновляемых источниках энергии (RED II/III) обязывает государства-члены увеличить долю возобновляемых источников энергии в транспортном секторе до 29% к 2030 году или сократить уровень выбросов парниковых газов на 14,5% . Хотя в них и не устанавливается обязательная фиксированная доля этанола в топливной смеси, эти целевые показатели стимулируют внедрение во всем регионе как этанола первого поколения, так и целлюлозного этанола.

Рост спроса создает все большее давление на производителей этанола, требуя от них поддержания высокой производительности ферментации, контроля биологической изменчивости и оптимизации энергопотребления при дистилляции. Процесс ферментации является особенно чувствительным, поэтому даже незначительные отклонения могут нарушить всю цепочку. Точные измерения технологических параметров и тщательный контроль процесса ферментации играют важную роль в сохранении эффективности производства и удовлетворении растущих потребностей мирового рынка биоэтанола.

Производство промышленного биоэтанола обычно проходит в три этапа:

1. подготовка сырья: сырье для производства биоэтанола может поступать из различных источников. Сырье с высоким содержанием сахара, такое как сок сахарного тростника, сорго или меласса, можно ферментировать напрямую. Материалы на основе крахмала, такие как кукуруза или пшеница, преобразуются в сахара с помощью комбинации высокотемпературной термической и ферментной обработки. На данном этапе переработки процесс преобразования крахмала в сахар тщательно контролируется, чтобы оптимизировать потребление энергии и помочь операторам извлечь максимальное количество сахара;
2. ферментация: в подготовленном сусле контролируется уровень pH и содержание питательных веществ, после чего в него добавляются дрожжи. Процесс ферментации протекает в больших емкостях-миксерах, где отслеживаются температура, уровень pH и выделение углекислого газа для поддержания жизнеспособности дрожжей и эффективности ферментации. Незначительные отклонения могут снизить эффективность конверсии или привести к образованию побочных продуктов, что скажется на последующих этапах разделения;
3. Дистилляция и дегидратация: «брага» с высоким содержанием этанола поступает в дистилляционную установку, где в специальной бражной колонне этанол отделяется от воды и твердых частиц посредством контролируемого нагрева. Контроль процесса дистилляции, включая измерение температуры и концентрации этанола, позволяет определить эффективность колонны. В результате окончательной дегидратации этанол достигает чистоты, необходимой для использования в качестве топлива

Эти этапы напрямую влияют на выход биоэтанола и потребление энергии, поэтому для обеспечения эффективной работы необходимо наличие надёжных КИП.

Даже когда процессы ферментации и дистилляции протекают в пределах номинальных значений, часто появляются первые признаки снижения выхода и нестабильности. Эти симптомы, как правило, свидетельствуют о проблемах в контроле технологического процесса производства этанола и обычно проявляются до срабатывания аварийных сигналов.

• партии ферментации с концентрацией этанола ниже ожидаемой;
• различия в показателях потребления сахара между партиями;
• чрезмерное образование пены или непредвиденные особенности выделения CO₂;
• усиленное образование побочных продуктов, таких как уксусная кислота или глицерин;
• повышенная потребность в энергоресурсах при дистилляции для достижения требуемой степени очистки;
• этанол, не соответствующий техническим требованиям, из-за нестабильности в дистилляционной колонне, например из-за колебаний коэффициента обратного потока, давления или температуры.

Эти проблемы являются лишь поверхностными проявлениями более глубоких дисбалансов в процессах ферментации или дистилляции. Незначительные изменения биологической активности или характеристик колонны могут быстро накапливаться, увеличивая их влияние на энергопотребление и чистоту этанола. Выявление факторов, лежащих в основе этих изменений, — это первый шаг к стабилизации производства.  

В то время как показатели, приведенные в предыдущем разделе, отражают только то, что видят операторы, основные факторы зачастую лежат глубже — на биологическом и термическом этапах производства. Ферментация зависит от постоянных микробиологических условий, тогда как дистилляция — от стабильного тепло- и массообмена. Если какой-либо из этапов не соответствует требованиям, даже незначительные отклонения могут привести к снижению выхода этанола, увеличению энергопотребления и колебаниям качества продукции. Понимание этих основных факторов имеет решающее значение для улучшения общего контроля процессов производства этанола и гарантирования его стабильной работы.

• изменения значения pH, которые влияют на метаболизм дрожжей, замедляя преобразование сахара и снижая выход этанола;
• колебания температуры в чанах для ферментации, которые вызывают стресс у дрожжей, замедляют кинетику реакции и увеличивают потребность в паре на последующих этапах дистилляции;
• неоптимизированное сырье (сахар или питательные вещества), вызывающее различия в образовании спирта от партии к партии и нестабильную кинетику ферментации;
• неэффективный контроль за уровнем CO₂, который влияет на активность микроорганизмов и маскирует раннее загрязнение или проблемы с жизнеспособностью дрожжей;
• отсутствие достоверных данных об измерении концентрации сахара, питательных веществ и этанола, что ограничивает возможности мониторинга в режиме реального времени и не позволяет эффективно регулировать ключевые технологические параметры.

• нестабильность работы дистилляционной колонны, включая скачки давления или температуры и неэффективный контроль обратного потока, что приводит к снижению эффективности дистилляции и чистоты этанола;
• снижение эффективности сепарации, что приводит к увеличению энергопотребления, увеличению количества циклов внутренней рециркуляции и нестабильной конечной концентрации этанола.

Такие особенности технологического процесса часто свидетельствуют о том, что условия ферментации или дистилляции отклоняются от нормы, ведь эти два этапа тесно взаимосвязаны, и даже незначительные отклонения могут повлиять на общую эффективность. Мониторинг ключевых технологических параметров позволяет своевременно выявлять отклонения и способствует поддержанию работы обоих этапов в пределах оптимальных значений.

Надежные измерительные решения позволяют превратить сложный процесс ферментации и дистилляции в технологическую цепочку, которую легко контролировать и регулировать.

Небольшой набор основных показателей позволяет на раннем этапе оценить микробиологическую активность, степень переработки сахара, энергопотребление и эффективность сепарации. Благодаря такому уровню понимания процесс производства биоэтанола стало проще контролировать и оптимизировать.

• Измерение pH в процессе ферментации обеспечивает стабильный метаболизм дрожжей и оптимальное преобразование сахара в этанол
• Контроль температуры ферментации обеспечивает сохранность активности дрожжей и стабилизирует кинетику реакции
• Измерение расхода сахара и питательных веществ обеспечивает постоянную доступность субстрата во всех партиях
• Мониторинг выделения CO₂ позволяет в режиме реального времени отслеживать активность ферментации и состояние дрожжей

• Мониторинг температуры дистилляционной колонны позволяет оценить стабильность тарелок и эффективность сепарации
• Измерение давления в колонне помогает поддерживать баланс между паром и жидкостью
• Мониторинг обратного потока и расхода пара позволяет контролировать эффективность сепарации и энергопотребление
• Измерение концентрации этанола позволяет проверить чистоту продукта и определить потери при сепарации

• Контроль температуры в ребойлерах и конденсаторах помогает поддерживать тепловой баланс дистилляционной установки; его нарушение приводит к увеличению расхода пара и нагрузки на систему внутренней рециркуляции
• Измерение расхода пара, охлаждающей воды и конденсата позволяет выявить энергетические дисбалансы в дистилляционной системе и помогает операторам контролировать общую потребность в энергетических ресурсах во время процесса дистилляции
• Контроль за чистотой этанола с помощью измерения плотности или проводимости позволяет выявлять посторонние примеси, попадание воды или нестабильность процесса дегидратации, которые могут привести к нестабильной конечной концентрации этанола

Решения для измерения обеспечивают базу данных, необходимую операторам для уверенного управления процессами ферментации и дистилляции. Когда технологические показатели точны, операторы могут своевременно вносить корректировки, что позволяет поддерживать в норме показатели переработки сахара, микробиологическую активность, стабильность колонны и чистоту этанола. Благодаря возможности отслеживать ключевые показатели в режиме реального времени управление процессом производства этанола становится более прогнозируемым, что позволяет снизить колебания как на биологическом, так и на термическом этапах.

• повышению титра этанола за счет стабильной кинетики ферментации и стабильной продуктивности микроорганизмов;
• снижению энергопотребления за счет стабильной работы дистилляционной установки и повышения эффективности теплообмена;
• уменьшению количества партий, не соответствующих техническим требованиям, тем самым сокращая объем доработок и стабилизацию концентрации этанола на протяжении всех производственных циклов;
• повышению стабильности процессов в ферментерах, что позволяет свести к минимуму колебания показателей использования сахара и выделения CO₂ от партии к партии;
• снижению рисков возникновения угрозы производственной безопасности, связанных с перепадами давления, накоплением CO₂ и утилизацией паров этанола;
• более продолжительному времени безотказной работы, меньшему количеству ложных срабатываний сигналов тревоги и снижению колебаний основных показателей, таких как значение pH, концентрация питательных веществ и этанола, температура и плотность;
• более эффективному использованию активов, что позволяет обеспечить более предсказуемое планирование графика работ, пропускной способности и ресурсов.

Оптимизация производства биоэтанола — это непрерывный процесс совершенствования. Будь то строительство нового завода по переработке целлюлозы или модернизация существующего предприятия с целью сокращения углеродного следа, эффективная стратегия измерения — наиболее ценный актив. При этом обеспечивается высококачественное и энергоэффективное производство этанола при минимальных колебаниях качества и операционных рисках.

В данном разделе рассматриваются часто задаваемые вопросы, касающиеся стабильности процесса ферментации, выхода этанола и энергетических показателей при производстве биоэтанола. Основное внимание уделяется типичным производственным проблемам, таким как изменчивость сырья, неэффективность ферментации и стабильность дистилляции.