Получение биотоплива из сельскохозяйственных отходов

Региональная научно-исследовательская конференция учащихся

Секция: Экология

Исследовательский проект на тему:

«Получение биотоплива из сельскохозяйственных отходов»

Выполнил: Большаков Артём,

воспитанник МБУ ДО СЮН,

объединение «Юный исследователь»

Руководитель проекта:

Гундарева Анна Викторовна,

педагог д/о МБУ ДО СЮН

Новокузнецкий городской округ, 2020 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

Обзор литературы…………………………………………………………….4

Методика исследования……………………………………………………...7

Ход исследования…………………………………………………………….8

Выводы……………………………………………………………………….10

Заключение…………………………………………………………………...10

Список литературы…………………………………………………………..11

Приложение…………………………………………………………………..12

Введение

Задумавшись над проблемой топливно-энергетического кризиса, я вспомнил жителей крайнего севера. Исходя из условий окружающей среды территории, на которой проживают эти люди, не приспособленны ко многим видам деятельности, поэтому пищевые и энергетические ресурсы там ограничены. Они ведут так называемое безотходное производство. Для решения проблемы с какими-либо ресурсами, можно применить такой вид производства. Это правило не обошло стороной и топливную сферу. Так на замену ископаемому топливу приходит биотопливо, т.е. топливо из биомассы (любого органического материала). При этом можно даже сэкономить на материалах, используя отходы сельскохозяйственного производства, которые, зачастую, просто выбрасываются.

Актуальность работы заключается: в грядущем энергетическом кризисе, как возможное его решение.

Цель: получение биотоплива из продуктов сельскохозяйственной деятельности и изучение возможности его применения в домашних условиях.

Объект исследования: биотопливо.

Предмет исследования: оптимальный способ получения биотоплива в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить литератур о видах биотоплива, способох его получения и применения.

2. Найти способы получения биотоплива из сельскохозяйственных отходов в домашних условиях и оптимизировать их для применения в домашних условиях.

3. Получить биотопливо из отходов с/х деятельности.

4. Найти применение для получившегося биотоплива в домашнем хозяйстве.

5. Проанализировать полученные результаты.

Методы исследования: экспериментирование, аналитические расчеты, анализ полученных результатов и выводы.

Обзор литературы

1.1 Что такое биотопливо?

Биотопливо  — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород). [2]

1.2 Способы получения биотоплива.

В настоящее время разработано и успешно применяется несколько технологий получения биотоплива.

Основными из них являются следующие:

1. Производство топлива из отходов сельскохозяйственного производства.

2. Добавление биологических компонентов в традиционные виды топлива.

3. Химический синтез горючего.

В данный момент большей актуальностью и интересом обладают первые два пункта вышеперечисленного списка. [1]

Мы решили взять в качестве биотоплива - биоэтанол, так как он является самым распространённым видом биотоплива на данный момент, а также самым удобным для производства в домашних условиях.

1. История биоэтанола

Биоэтанол или этиловый спирт — это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива.

Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45% пришлось на Бразилию и 44,7% — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. Получается путём спиртового брожения сахара.

Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него глюкоза расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. [1]

Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает в себя следующие стадии:

1. - Подготовка и измельчение крахмалистого сырья - зерна (ржи, пшеницы и т.п.).

2. - Ферментация. Существует два способа ферментации или осахаривания:

• Технология осахаривания солодом

1. Крупу или муку медленно залить водой 50-55°C непрерывно помешивая, чтобы не образовались комки. На 1 кг сырья требуется 4-5 литров воды. Емкость заполнять не более чем на 75%.

2. Поднять температуру до 60°C и поддерживать 15 минут.

3. Довести смесь до кипения. В зависимости от сырья варить 60-120 минут до получения однородной кашеобразной массы. Мука варится меньше, крупа – дольше.

4. Охладить кашу до 63-70°C, добавить измельченный солод (150 грамм на 1 кг сырья), постоянно помешивая.

5. При достижении 61-65°C накрыть емкость крышкой и укутать любым доступным способом, чтобы сохранить теп

6. Чтобы сырье не скисло, как можно быстрее снизить температуру до 25°C, внести дрожжи (обычно 5 грамм сухих или 25 грамм прессованных на 1 кг сырья), установить гидрозатвор и поставить на брожение в темное место с комнатной температурой. Брага отыграет за 2-6 дней.

• Технология холодного осахаривания

1. В бродильную ёмкость добавить исходное сырьё (крупу, муку, крахмал, макаронные изделия и т.д.), воду 30-35ºС (3-4 литра на 1 кг сырья), ферменты Амилосубтелин и Глюкаваморин (по 3-4 грамма на 1 кг), дрожжи (5 грамм сухих или 25 грамм хлебопекарных прессованных на 1кг).

2. Перемешать, закрыть гидрозатвором, перенести в тёмное место с температурой 20-28ºC.

3. Брожение начнётся через 1-5 часов. Первые пару дней брожение будет активным, потом интенсивность снизится. Время брожение – 7-25 дней. (Если на поверхности появилась тонкая плёнка, это признак скисания, то брагу нужно срочно перегнать)

4. Готовую брагу снять с осадка и перегнать.

1. - Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов. [3]

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин. Для сравнения:
q_{бензина} = 4.6 * 10⁷ Дж/кг,
q_спирта = 2.7 * 10⁷ Дж/кг.

На «настоящем» этаноле могут работать только специально подготовленные машины «Flex-Fuel» (дословно с англ. – «гибкое топливо»)

Обычный автомобиль может работать только на топливных смесях этанола Е5, Е7, Е20 — это смеси с низким содержанием этанола (5,7 и 20 весовых процентов, соответственно), наиболее распространенные в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путем его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ. Также каждые 3% добавляемого биоэтанола увеличивают октановое число бензина на 1-1,5 единицы. Отсюда еще одна возможность экономии топлива — это покупать бензин с более низким октановым числом. Исходя из вышесказанного, если добавить в АИ-92 10% спирта, то получаем АИ-95, а если добавить 20% спирта, то мы получим АИ-98.[4]

Методика исследования

Изучив литературу, было принято решение работать по следующей методике

1. Получение этанола;

2. Приготовление топливной смеси;

3. Испытание топлива в ДВС бензопилы и сравнение энергоэффективности полученной топливной смеси с топливом АИ-92.

1) Получение этанола.

Получать этанол мы будем из картофельных очисток, т.к. они идеально подходят под условия эксперимента. Крахмал в очистках под действием дрожжей забродить не может, поэтому будет применен один из методов осахаривания. Мы воспользуемся осахариванием солодом, т.к. в нашем городе найти ферменты для осахаривания невозможно.

2) Приготовление топливной смеси.

Изучив литературу, мы решили использовать топливную смесь из бензина и этанола в соотношении 1:3, т.к. это самая оптимальная топливная смесь для стандартного бензинового ДВС.

3) Испытание топлива в ДВС бензопилы и сравнение энергоэффективности полученной топливной смеси с топливом АИ-92.

Испытание биотоплива будет проводится с помощью бензопилы Husqvarna, т.к. заправить топливо в автомобиль не представляется возможным. Из-за технических особенностей бензопилы октановое число смеси не должно превышать 92, иначе бензопила выйдет из строя.

Ход исследования

Для проведения эксперимента я рассчитал объём необходимого сырья:

Бак бензопилы – 2 л.

25% спирта – 0,5 л

Итого: 1,5 л бензина ±0,005 л и 0,5 л спирта.

При КПД = 100%, 0,5 : 0,14 = 3,571 кг картофельных очисток понадобится.

Но КПД = 75%, поэтому m_{картофеля} = 3,571 : 100% * 125% = 4,464 кг

Тогда m_солода = 0,15 * 4.464 =0,670 кг

L воды = 4.464 * 4 = 17.855 л

m дрожжей = 4,464 * 0,025 = 0,112 кг

В конечном итоге мы получаем сусло. Оно будет готово для перегонки через 2-6 дней.

Приготовление сусла

1.Заливаем теплой водой (50-55°С) измельчённые очистки;

2. Ставим на медленный огонь и доводим до кипения;

3. Варим 3 часа;

4.Поставить на слабый огонь и добавить измельчённый солод;

5.Убрать с огня и при достижении 60°C закрыть крышку и всеми силами стараться сохранить тепло на протяжении 3 часов;

6.Затем быстро охлаждаем сусло до 25°С и вносим дрожжи. Ставим гидрозатвор;

7. Ждём неделю. (Приложение, фото 1-3, 6)

Получение этанола

Заливаем сусло в перегонный куб;

1. Включаем нагрев на обоих ТЭНах и ждём закипания сусла;

2. Когда процесс перегонки начался, отключаем 1 ТЭН и ждём окончания процесса. Перегонка закончится через 3 – 4 часа. (Приложение, фото 4-5)

Испытание биотоплива

Делаем топливную смесь по вышеуказанному рецепту, и заправляем ею бензопилу;

1. Начинаем интенсивную работу по распилу брёвен;

2. Повторяем ту же работу с чистым АИ-92. (Приложение, фото 7-8)

Мы решили проверить экономическую выгоду нашей смеси на сегодняшний день. Были сделаны следующие подсчёты:

С – стоимость, Ц - цена

Ц солода = 120 р/кг

С солода = 80.4 р.

Ц дрожжей = 20 р. за 100 гр.

С дрожжей = 22.4 р

Ц бензина АИ-92 = 40 р./л

С бензина АИ-92 = 80 р

Ц бензина АИ-80 = 31 р./л

С бензина АИ-80 = 46.5 р.

Итого:

С биотоплива = 74.65 р./л

С бензина АИ-92 = 40 р./л

Выводы

Изготовив биотопливо и испытав его в ДВС бензопилы, мы пришли к следующему выводу, что смесь биотоплива этанола с бензином АИ-80 показала эффективность при работе бензопилы также, как и с бензином АИ-92: одинаково, проработав 1 ч 40 мин (с учётом дозаправки и временем на запуск двигателя). Таким образом, получая смесь этанола с бензином, можно уменьшить расход топлива – бензина АИ-92, заменив его в будщем бензином с низким октановым числом.

Исходя из полученных данных по расчета экономической выгоды, можно сделать вывод, что использовать биоэтанол как добавку к топливу в домашних условиях пока экономически невыгодно, во всяком случае, этанол, полученный именно таким способом. В соответствии с тем, что мы не испытали второй способ осахаривания, мы не можем говорить о его эффективности.

Заключение

В заключение можно сказать, что способов получения биотоплива ещё очень много и попробовать их эффективность ещё только предстоит и, быть может, мы сможем найти самый эффективный способ его получения и применения.

Список литературы

1. Панченко А.В., Биотопливо как альтернативный источник энергии. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/biotoplivo-kak-alternativnyy-istochnik-energii

2. Производство биотоплива. Режим доступа: http://www.tp-bioenergy.ru

3. Что такое осахаривание. Режим доступа: https://2samogona.ru/braga/osaharivanie-krahmala

4. Шляхов А.Л., Химия для тех, кто все забыл/Андрей Шляхо; - Москва: ИздательствоАСТ, 2019, - 384 с.- (Наука на пальцах).

Приложение

Ф ото 1-3. Получение сусла

Фото 4-5. Оборудование для получения биоэтанола.

Фото 6. Готовое для перегонки сусло

Фото 7-8. Испытание биотоплива

11