Сибирские ученые используют шелуху овса для получения этилена

 15.03.2018 20:18:53

15 марта 2018

В России ежегодно производится около 3,5 млн тонн этилена. Он является сырьем для изготовления ряда веществ и материалов - полиэтилена и пластмассы, резины и уксусной кислоты, антифриза и автомобильных покрышек. Коллектив сибирских ученых предложил получать этилен из шелухи овса.
Чтобы овсяная каша, мука или мюсли попали к нам на стол, очищенные зерна отправляют на изготовление того или иного продукта, а шелуха остается невостребованной. Так что у ученых возникла мысль перерабатывать ее в биоэтилен: приставка био- означает, что для производства этилена (C2H4) используют любое возобновляемое природой сырье - в противовес «нефтяному» C2H4.

Сырье - плодовые оболочки овса

Кроме того, овес - одна из наиболее популярных злаковых культур. В процессе переработки шелуха концентрируется на элеваторах, но не находит своего применения и становится причиной экологических проблем на предприятиях. Это связано с ее высокой зольностью: попытки сжигать шелуху в печах приводят к поломкам, так как зола плавится и застывает в виде плотной субстанции, напоминающей негорючую пластмассу.

- Значительная доля российского овса выращивается в Сибири, - рассказывает старший научный сотрудник Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН кандидат технических наук Елена Викторовна Овчинникова. - В одном только Алтайском крае остается около 200 тыс. тонн шелухи, из которых можно было бы получить 14,5 тыс. тонн этилена. По всему Сибирскому федеральному округу ее хватит для производства 130 тыс. тонн C2H4, поэтому такая переработка здесь наиболее интересна.

Возобновляемые ресурсы для производства традиционных продуктов - перспективное направление, позволяющее создавать малотоннажные производства, не привязанные к источникам нефтехимического сырья. Технология уже применяется в промышленности: в этилен перерабатывается сахарный тростник. В теплых странах, где сахар - основное производство, технология показала свою эффективность. В Сибири перспективным сырьем может стать шелуха овса: удельный выход этилена из нее выше, чем из тростника. Использование шелухи овса для получения биоэтанола также связано с низкой стоимостью: затраты на возделывание этого злака полностью окупаются продукцией его переработки.

- Если опустить детали, технология выглядит просто: твердое нужно превратить в жидкое, а затем жидкое - в газ, - поясняет младший научный сотрудник Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (г. Бийск) кандидат технических наук Ольга Владимировна Байбакова. - Изначально в ИПХЭТ получают биоэтанол - этиловый спирт - из целлюлозного сырья. Потом в Институте катализа этиловый спирт конвертируют в биоэтилен.

В разработке принимали участие заведующая лабораторией биоконверсии ИПХЭТ СО РАН кандидат химических наук Вера Владимировна Будаева и старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН кандидат технических наук Екатерина Анатольевна Скиба.

Тончайшие пластинки шелухи длиной до 12 мм необходимо превратить в сбраживаемые сахара: глюкозу, целлобиозу и т.п. В ИПХЭТ СО РАН шелуху овса предварительно обрабатывают щелочью, а потом осахаривают полученный полупродукт. В результате целлюлоза - основной компонент шелухи овса - превращается в глюкозу. К тому же получается отличная питательная среда для микроорганизмов-продуцентов этанола. Дальше проводится обычное спиртовое брожение: хорошо знакомый многим процесс, в результате которого глюкоза превращается в этанол - этиловый спирт. Этилен получают дегидратацией этанола: молекулы воды отщепляются от C2H5OH при температурах около 400 °С в присутствии катализатора.

Ольга Байбакова работает на бражной колонне

В процессе дегидратации используется относительно дешевый катализатор на основе кислотно-модифицированных оксидов алюминия (Al₂O₃). Заключительный этап - каталитический процесс получения биоэтилена - проводится в трубчатом реакторе: катализатор размещен внутри трубок, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель, что обеспечивает подвод тепла для осуществления реакций.

- В нашей технологии получения этилена мы используем концентрированный (94-96 %) этанол, - поясняет младший научный сотрудник ИК СО РАН аспирант Сардана Пурбуевна Банзаракцаева. - Применение концентрированного C2H5OH привлекательнее для коммерческого производства, поскольку позволяет получать большее количество C2H4 на оборудовании меньших габаритов. Так, в ИК СО РАН была создана пилотная установка, где при загрузке до 0,5 кг катализатора можно производить 1-2 кг биоэтилена в час.

В ИК СО РАН ученые уже сравнили полученный биоэтилен с промышленным. Они синтезировали сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ): выяснилось, что по молекулярной массе и термофизическим характеристикам образцы оказались аналогичны полученным из промышленного C2H4. Правда, выход СВМПЭ из биоэтилена оказался ниже, чем из «нефтяного», однако его можно увеличить при дополнительной, более глубокой очистке от кислородсодержащих примесей в заводских условиях.


Пилотная установка каталитической дегидратации этанола производительностью 1-2 кг/ч по этилену (ИК СО РАН)

- Каталитическая технология получения «зеленого» этилена из этанола открывает возможность создания высокоэффективных производств C2H4 для специальных областей применения, - рассказывает руководитель группы комплексных технологических проектов ИК СО РАН кандидат технических наук Виктор Анатольевич Чумаченко. - Например, небольшие производства композитных материалов на базе многослойных углеродных нанотрубок в полимерных матрицах. В перспективе они могут найти применение в кабельной промышленности, в строительстве и ряде других областей.

Сырьем для биоэтилена могут также стать специально выращиваемые высокоцеллюлозные травы. Так, брендом Сибирского отделения РАН является мискантус сорта Сорановский, который выращивают сотрудники ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН. Коллекция растения была собрана сотрудниками Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.

Естественно, что ряд научных коллективов объединился с целью создания комплексной технологии получения C2H4 из мискантуса. Совместный проект «Фундаментальные основы получения этилена из мискантуса» четырёх институтов Сибирского отделения (ИЦиГ, ЦСБС, ИПХЭТ, ИК) под руководством академика Геннадия Викторовича Саковича выполняется в рамках «Междисциплинарных интеграционных исследований» Комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН на 2018-2020 гг.

- Из мискантуса можно выработать больше биоэтилена, чем из шелухи, но проблема в том, что для его культивирования нужны дополнительные посевные площади, в отличие от овса, - заключает Елена Овчинникова. - По нашим оценкам, благодаря этой технологии реально получать 10-20 тысяч тонн этилена в год. Такие разработки могут быть интересны предприятиями, которым в силу расположения или специфики производства нужен собственный независимый источник биоэтилена. Так что в настоящее время получение ряда продуктов из возобновляемого непищевого сырья - это, прежде всего, вопрос перспективы развития технологий.

Алёна Литвиненко