Биологическая и термохимическая переработка органосодержащих материалов

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.Ф. Куфтов, А.В. Лихачева

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
И ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ
ПЕРЕРАБОТКА
ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ
МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Топливо, топливосжигающие устройства и химические
реакторы»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.43.056(075.8)
ББК 31.365
К95

К95

Рецензенты В.И. Наумов, В.А. Девисилов

Куфтов А. Ф.
Биологическая и термохимическая переработка органосо-
держащих материалов : учеб. пособие / А.Ф. Куфтов, А.В. Лихачева. – 
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 65, [3] с. :
ил.

Пособие посвящено рассмотрению биомассы как одного из источников 
альтернативных видов тепловой энергии. Дано описание различных 
топлив, которые можно получить из биомассы, представлены
их энергетический потенциал, а также агрегаты для производства
этих топлив.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Может
быть использовано при выполнении курсовых и дипломных проектов.


УДК 621.43.056(075.8)
ББК 31.365

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время использование биомассы находит все большее 
распространение как в развивающихся, так и в промышленно
развитых странах. Это обусловлено истощением запасов ископаемых 
топлив, ростом их стоимости и загрязнением окружающей
среды при их применении для выработки тепловой и электрической 
энергии. Особенно остро вопрос о применении альтернативных 
топлив стоит для стран, не имеющих достаточного количества
ископаемых топлив, поскольку эти страны являются энергозависимыми 
от стран — экспортеров традиционного топлива. В связи с
этим энергетическая и природоохранная политика многих стран
мира в последние годы была направлена на замену ископаемых
топлив альтернативными топливами, в том числе топливом биологического 
происхождения (биотопливом).
Биоэнергетика основана на использовании местных возобновляемых 
ресурсов. При правильном использовании эти ресурсы могут 
обеспечивать сырьем производство тепловой энергии в течение
неограниченного времени, если не нарушать условия их воспроизводства. 
Поставки биотоплива могут быть организованы как на
региональном, так и на федеральном уровне, в то время как поставки 
ископаемых (традиционных) органических топлив — только
на федеральном или международном уровнях, поскольку добыча и
потребление ископаемых топлив разнесены друг от друга на большие 
расстояния.
Из биомассы можно получить промышленные топлива трех видов: 
твердое, жидкое, газообразное. Основными методами переработки 
исходного сырья являются механический, термохимический,
биологический. Данное пособие посвящено рассмотрению технологических 
основ этих методов и соответствующего оборудования.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Биохимическая конверсия

Аэрация — введение газа в питательную среду для увеличения
площади поверхности взаимодействия.
Аэробные и анаэробные микроорганизмы — микроорганизмы,
способные развиваться в кислородной среде и без свободного кислорода 
соотвотственно.
Аэротенк — биореактор с аэробной конверсией биомассы.
Биогаз — газообразное топливо, полученное анаэробным разложением 
органических веществ (биомассы) метанообразующими
бактериями.
Биоинженерия — инженерная реализация биотехнологии.
Биологически активные вещества — стимуляторы жизнедеятельности 
микроорганизмов (витамины, гормоны).
Биомасса — все органические вещества растительного и животного 
происхождения, рассматриваемые как постоянно возобновляемый 
источник энергии. Различают первичную биомассу (растения, 
животные, микроорганизмы и т. п.) и вторичную биомассу
(отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности 
животных и человека).
Биореактор (ферментатор, ферментер) — агрегат промышленного 
биологического синтеза.
Биосинтез — процесс получения различных продуктов с помощью 
природных и искусственных микроорганизмов (бактерий,
грибов).
Биосистема — консорциум микроорганизмов и биомассы.

4

Биотехнологический продукт — продукт, получаемый в процессе 
воздействия микроорганизмов на органический и неорганический 
материал различного происхождения.
Биотопливо — биомасса, которая может быть использована как
топливо.
Биофотолиз — биохимическая система, конвертирующая световую 
энергию с раздельным получением водорода и кислорода.
Включает фотосинтезическую стадию, на которой осуществляется
фотосинтез с выделением кислорода (например, микроводоросля-
ми) и анаэробных продуктов водорода.
Биохимические процессы — процессы синтеза вещества при
участии микроорганизмов.
Биоэнергетическая конверсия биомассы — процесс перевода
биомассы с помощью микроорганизмов в топливо (низкоатомные
спирты, биогаз, жирные кислоты и т. п.).
Биоэтанол, фурфурол, бутанол — спирты, получаемые при анаэробной 
конверсии биомассы и используемые как жидкое топливо.
Выпаривание — процесс удаления из раствора растворителя в
результате изменения его агрегатного состояния, т. е. превращения 
его в пар и удаления из аппарата (в корпус, конденсатор или
атмосферу). При выпарке (кипении) раствора пары из него выделяются 
в чистом виде, а растворимые вещества остаются в аппарате
(соль или вязкая жидкость).
Гидролиз (осахаривание) — превращение органических материалов 
в сахара.
Культуральная жидкость — сложная многофазная система, содержащая 
культуры бактерий и грибов, растворы различных солей,
растворимых продуктов метаболизма (в том числе спирт) с экс-
трацеллюлярными (выделяющимися клеткой во внешнюю среду)
продуктами биосинтеза.
Метаболизм — обмен веществ при взаимодействии микроорганизмов 
с питательной средой.
Метаболит — продукт обмена веществ микроорганизмов.
Метаногенез — метановое анаэробное брожение.
Метантенк — биореактор, в котором осуществляется метагенез.

Микробиологический синтез — технологический процесс производства 
биотехнологических продуктов.

5

Перегонка (ректификация и дистилляция) — термический процесс 
разделения жидкости на отдельные компоненты. Процесс перегонки 
осуществляется в том случае, если кипящая смесь выделяет 
пар´ы, содержащие те же компоненты, что и в жидкости, но в
другой пропорции. Обычно процент легкокипящих компонентов в
парах больше, чем в жидкости.
Продуценты — микробная структура, накапливающая биологически 
активные вещества.
Субстрат — исходный продукт, преобразуемый ферментом в
результате специфического фермент-субстратного взаимодействия
в конечный продукт.
Сырье бродильной продукции — биомасса, разделяемая по углеводному 
типу: сахаристая, крахмальная, целлюлозная.
Фермент — биокатализатор, имеющий белковый состав.
Ферментационная среда — сложная многокомпонентная система (
жидкость, газ, квазижидкость).
Ферментация — процесс превращения веществ, происходящий
в анаэробных условиях под воздействием ферментов.
Энергетический лес — специально выращиваемые быстрорастущие 
деревья, используемые как сырье для получения биотоплива.

Этанол — денатурированный этиловый спирт.

1.2. Термохимическая конверсия

Газификация — переработка органического твердого и жидкого
топлива при высокой температуре в присутствии воздуха, кислорода 
и воды с получением синтез-газа (генераторного газа). Горючие
составляющие включают в себя смесь углерода, водорода, небольшого 
количества (1 . . . 3 %) метана и оксидов серы. Теплотворная
способность генераторного газа достигает 16 500 кДж/нм3∗.
Газогенератор — агрегат для осуществления процесса газификации.

Метанирование — процесс получения метана из смеси диоксида 
углерода и водорода, содержащейся в генераторном газе.

∗ нм3 — кубический метр при нормальных условиях. Нормальные условия в
теплотехнике соответствуют давлению 105 Па и температуре 0 ◦C.

6

Пиролиз — процесс термической переработки органического
сырья путем высокотемпературного нагрева без доступа кислорода.

Синтез-газ (генераторный газ), синтез-спирт — газообразное 
и жидкое топлива, полученные термохимической переработкой
(термохимической конверсией).
Термохимическая конверсия биомассы (с начальной влажностью 
W < 60 %) в топливо — прямое сжигание с количеством окислителя, 
меньшим стехиометрического. К процессам термохимической 
конверсии относятся газификация и пиролиз.
Термохимический крекинг — процесс карбонизации органического 
сырья в конденсированное и газообразное состояние. Часто
используется с каталитическими добавками, вводимыми для улучшения 
эффективности процесса.
Физическая теплота топлива — энтальпия топлива.
Химическая теплота топлива — условная теплота, которая может 
быть получена при сжигании горючих составляющих топлива.

2. БИОМАССА

Растительная биомасса является первичным источником энергии 
на Земле. Одна часть биомассы, образовавшаяся за период
возникновения жизни и сконцентрированная в недрах земли, превращается 
в ископаемые топлива, другая постоянно образуется и
разлагается в настоящее время (возобновляемая биомасса). В пособии 
будет рассмотрено получение различных топлив из возобновляемой 
биомассы.
Биомасса образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и
воды с выделением кислорода. При образовании сухой биомассы
поглощается такое же количество углекислоты, какое выделяется
при ее окислении (горении или разложении). Кроме того, при сжигании 
биомассы уменьшаются выбросы серы и снижается эмиссия
оксидов азота, последняя — вследствие более низких температур
горения.

7

2.1. Классификация биомассы
по источникам происхождения

По источникам происхождения биомассу можно разделить на
две основные группы. К первой группе относится первичная
биомасса (растения, животные, микроорганизмы и т. п.) естественного

или
культивируемого
происхождения.
Наибольшее
распространение в настоящее время получают специально выращиваемые 
для энергетических целей наземные растения: энергетические 
леса с быстрорастущими сортами деревьев (Великобритания, 
Франция, Германия, Швеция), сахарный тростник и
генно-модифицированная кукуруза (Бразилия, США). Для России
в зоне умеренного климатического пояса — это гибридный тополь, 
ива и другие растения, для южной части страны — акации,
эвкалипты. В сельском хозяйстве перспективными энергетическими 
культурами кроме сахарного тростника и кукурузы являются
маниока, сладкое сорго, рапс и др.
Помимо растений наземного происхождения для получения
топлива можно применять водные растения: ламинарии, водяные
гиацинты и др.
Ко второй группе (вторичная биомасса) относятся различные
органические остатки и отходы:
• отходы деревообрабатывающей промышленности (опилки,
кора, стружка, щепа);
• биологические отходы животноводства (навоз крупного рогатого 
скота, куриный помет и др.);
• остатки сбора урожая сельскохозяйственных культур и продукты 
их переработки (солома, кочерыжка кукурузных початков,
стебли хлопка, отходы картофеля и др.);
• промышленные и городские осадки сточных вод (ОСВ);
• твердые бытовые отходы (ТБО) городского хозяйства.

2.2. Энергетический потенциал биомассы

Биомасса только суши Земли составляет примерно 1800 млрд т
в пересчете на сухое вещество, из нее леса занимают 68 %, травянистая 
экосистема — 15 %, возделываемые земли — 8 %. Энергетический 
эквивалент биомассы суши равен 3 · 1022 Дж, что соответствует 
разведанным традиционным запасам ископаемых топлив.

8

Потенциальные ресурсы растительной массы для энергетического
использования составляют 100 млрд т у. т∗.
В настоящее время для энергетических целей используется до
1 млрд т у. т. растительной массы, что эквивалентно 25 % мировой
добычи нефти. В странах экваториального пояса доля биомассы
в энергобалансе страны составляет 35 %, в мировом потреблении — 
12 %, в России — 3 %. По некоторым данным, к 2012 г.
использование биомассы в России возрастет до 10 . . . 12 %, а по
прогнозам к 2040 г. общее потребление энергии в мире составит
13,5 млрд т н. э.∗∗ (100 %), при этом вклад всех возобновляемых
источников энергии (ВИЭ) — 6,44 млрд т н. э. (47,7 %), вклад
биомассы — 3,21 млрд т н. э. (23,8 %).

3. БИОТОПЛИВО

Биотопливо по происхождению подразделяют на шесть групп:
• древесное топливо (сырье из леса и отходов деревоперера-
ботки, не прошедшее химической обработки);
• торфяное топливо;
• аграрные топлива (специально выращиваемые растения) и отходы 
переработки сельхозпродукции (солома, лузга подсолнечника
и др.);
• органическая составляющая ТБО и ОСВ;
• щелоки (побочный продукт целлюлозно-бумажных комбинатов (
ЦБК), включающий органическую и химическую составляющие);
• 
биологические отходы животноводства.
Не все виды исходной биомассы, применяемой для производства 
биотоплив, можно строго отнести к возобновляемым источникам. 
Например, скорость образования торфа на несколько порядков 
меньше скорости его исчерпания. Древесина также обладает

∗ т у. т. — тонна условного топлива. Под условным подразумевается топливо
с низшей теплотворной способностью 29 300 кДж на 1 кг или на 1 м3 при
нормальных условиях.
∗∗ т н. э. — тонна нефтяного эквивалента; теплотворная способность одной
тонны нефтяного эквивалента, равна 41,868 ГДж.

9

аналогичной возобновляемостью, поскольку процесс фотосинтеза
идет гораздо медленнее процессов горения. Исключение составляет 
энергетический лес, так как при его возобновлении используются 
специально селекционированные быстрорастущие деревья
(срок возобновляемости 3—7 лет). При этом должны соблюдаться
оптимальные (устойчивые и экологически сбалансированные) методы 
его выращивания. В целом можно сказать, что применение
биотоплива предусматривает заботу общества об эквивалентном
приросте биомассы, израсходованной на производство энергии.
По мере истощения ресурсов ископаемого топлива биомасса
может стать одним из основных источников сырья для химических
производств и выработки энергии.
Пути создания ресурсов биомассы, способных удовлетворить
запросы в них как в источниках энергии, состоят в организации
лесоводческих, водных энергетических и других хозяйств.

3.1. Экологические аспекты использования
топлива из биомассы

Горение и разложение углеводородных веществ, к которым относятся 
все ископаемые топлива, а также топлива, полученные из
биомассы, и сама биомасса являются разными стадиями экзотермической 
реакции окисления, которые различаются лишь скоростью
процесса.
Горение традиционных видов топлив и топлив биологического 
происхождения имеет одинаковую природу, но воздействие на
окружающую среду они оказывают принципиально разное. Биотопливо 
практически не способствует загрязнению окружающей
среды ни в результате тепловых выбросов, ни в результате выброса 
в атмосферу углекислого газа и других парниковых газов.
Количество веществ, выделяемых и потребляемых в процессе роста 
и фотосинтеза растений, сопоставимо с тем же количеством
теплоты и веществ, выделяемых в процессе их природного разложения. 
Углекислота, выделяемая при горении или разложении
биомассы, а также углекислота от производных из нее топлив поступает 
в атмосферу и с помощью фотосинтеза разлагается растениями 
на углерод и кислород (рис. 1). Углерод используется как

10