Производство этанола: Развитие производства этанола как альтернативного источника автомобильных топлив — Экономика, финансы, рынки

Содержание

ФАРМАЦЕВТИКА / КонсультантПлюс

Вступает в силу закон, направленный на пресечение незаконных поставок этилового спирта, фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) и спиртосодержащих лекарственных средств

Емкости для приемки этилового спирта у организаций, использующих этиловый спирт для производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола), должны быть оснащены автоматическими средствами измерения и учета концентрации и объема безводного спирта в этиловом спирте, объема этилового спирта.

Поставки фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) осуществляются только организациями, которые имеют одновременно лицензию на производство этилового спирта для производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) и лицензию на производство лекарственных средств (фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола).

Лицензия на производство лекарственных средств (фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) выдается при условии наличия у организации на праве собственности, хозяйственного ведения или оперативного управления зарегистрированного основного технологического оборудования для производства этилового спирта.

Предусматриваются особенности лицензирования производства лекарственных средств (фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола).

Производство фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) допускается только организацией, осуществляющей производство ректификованного этилового спирта из пищевого сырья на основании лицензии на производство этилового спирта для производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) методом разведения очищенной водой такого этилового спирта, произведенного данной организацией по месту осуществления производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола).

Запрещается производство:

— фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола), спиртосодержащих лекарственных средств или спиртосодержащих медицинских изделий на основном технологическом оборудовании для производства этилового спирта;

— спиртосодержащих лекарственных препаратов по месту осуществления производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) и (или) по месту осуществления производства этилового спирта;

— фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) и (или) спиртосодержащих лекарственных препаратов на основном технологическом оборудовании для производства этилового спирта;

— медицинских изделий, содержащих этиловый спирт, по месту осуществления производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) и (или) по месту осуществления производства этилового спирта;

— медицинских изделий, содержащих этиловый спирт, на основном технологическом оборудовании для производства этилового спирта.

Реализация фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола) организациям оптовой торговли лекарственными средствами не допускается.

(Федеральный закон от 27.12.2019 N 481-ФЗ; Постановление Правительства РФ от 22.12.2020 N 2206; Информация Росалкогольрегулирования)

Открыть полный текст документа

Усиливается контроль за деятельностью производителей этилового спирта

Сенаторы одобрили изменения в закон о государственном регулировании производства и оборота этилового спирта и спиртосодержащей продукции.


Совет Федерации одобрил Федеральный закон «О внесении изменений в Федеральный закон «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции» и о проведении на территории Калининградской области эксперимента по маркировке алкогольной продукции федеральными специальными марками».

Совершенствуется порядок применения норм минимального использования производственной мощности в отношении основного технологического оборудования для производства этилового спирта.

Смотрите также

Документ внесен сенаторами РФ Анатолием Артамоновым, Артамонов
Анатолий Дмитриевичпредставитель от исполнительного органа государственной власти Калужской области Сергеем Рябухиным, Рябухин
Сергей Николаевичпредставитель от законодательного (представительного) органа государственной власти Ульяновской области

Андреем Епишиным, Епишин
Андрей Николаевичпредставитель от законодательного (представительного) органа государственной власти Тверской области Константином Долговым, Долгов
Константин Константиновичпредставитель от исполнительного органа государственной власти Мурманской области Ахматом Салпагаровым, Салпагаров
Ахмат Анзоровичпредставитель от законодательного (представительного) органа государственной власти Карачаево-Черкесской Республики Валерием Семеновым. Семенов
Валерий Владимировичпредставитель от законодательного (представительного) органа государственной власти Красноярского края

Как сообщил первый заместитель председателя Комитета СФ по бюджету и финансовым рынкам Сергей Рябухин, вносятся изменения, направленные на усиление контроля за деятельностью производителей этилового спирта.

Уточняются определения таких основных понятий, как мощность основного технологического оборудования для производства этилового спирта или алкогольной продукции, норма минимального использования производственной мощности, приостановление использования и уведомление о приостановлении или возобновлении использования такого оборудования.

Не допускается производство этилового спирта, если квартальный объем не соответствует норме минимального использования производственной мощности (70 процентов). В случае проведения ремонта основного технологического оборудования для производства этилового спирта организация уведомляет об этом лицензирующий орган по телекоммуникационным каналам связи в форме электронного документа, подписанного квалифицированной электронной подписью, до даты начала ремонта.

При соблюдении определенных условий лицензирующий орган не учитывает период такого ремонта при установлении факта несоблюдения организацией нормы минимального использования производственной мощности технологического оборудования. Несоблюдение организацией, производящей этиловый спирт, нормы минимального использования производственной мощности устанавливается в качестве основания для аннулирования лицензии на производство и оборот этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции.

Определяются признаки осуществляющих производство этилового спирта организаций, входящих в группу организаций (принадлежность одной из организаций более 70 процентов акций или долей в уставном капитале других организаций, осуществляющих производство этилового спирта, при этом суммарная производственная мощность основного технологического оборудования для производства этилового спирта группы организаций должна составлять не менее 20 миллионов декалитров в год).

Организациям, входящим в группу организаций, и организациям, осуществляющим производство алкогольной продукции с использованием этилового спирта, в случае невозможности соблюдения нормы минимального использования производственной мощности предоставляется возможность направить уведомление в форме электронного документа о приостановлении и возобновлении использования основного технологического оборудования для производства этилового спирта или алкогольной продукции с использованием этилового спирта. Порядок направления в лицензирующий орган таких уведомлений будет утверждаться уполномоченным федеральным органом исполнительной власти.

Закрепляется возможность проведения эксперимента, предусматривающего применение в течение определенного периода специального регулирования в отношении маркировки федеральными специальными марками ввозимой в Российскую Федерацию алкогольной продукции с определением круга лиц и территории, на которые распространяется это специальное регулирование. Положение о проведении такого эксперимента должно утверждаться Правительством Российской Федерации.

Предписывается провести на территории Калининградской области эксперимент по маркировке федеральными специальными марками ввозимой в Российскую Федерацию алкогольной продукции, помещенной под таможенную процедуру таможенного склада, продолжительностью с 1 июня 2021 года по 31 мая 2023 года. Определены цели проведения эксперимента, его участники, условия, при которых маркировка алкогольной продукции, ввозимой в Российскую Федерацию осуществляться не будет. Правительству РФ надлежит утвердить положение о проведении эксперимента, в котором определить участников эксперимента, условия их участия в эксперименте, порядок проведения эксперимента и представления отчета о результатах его проведения.

Организациям, имеющим на 1 июля 2021 года действующую лицензию на производство, хранение и поставки произведенного этилового спирта (за исключением винного, виноградного, плодового, коньячного, кальвадосного, вискового дистиллятов) или на производство этилового спирта для производства фармацевтической субстанции спирта этилового (этанола), предоставлено право продолжения производственной деятельности при условии выполнения ими нормы минимального использования производственной мощности, рассчитываемой по правилам Федерального закона. При этом установлена обязанность этих организаций подать до 31 октября 2021 года заявление о переоформлении лицензий, предусматривающее установление производственной мощности на квартал.

Госдума приняла закон, регулирующий производство и оборот биоэтанола — Экономика и бизнес

МОСКВА, 13 ноября. /ТАСС/. Госдума приняла в третьем, окончательном, чтении закон о регулировании производства и оборота биоэтанола, используемого в качестве топлива. Инициированный правительством закон предусматривает запрет на производство предприятиями, осуществляющими выпуск биоэтанола, этилового спирта из пищевого сырья.

В настоящее время автомобильный бензин, произведенный с добавлением в качестве высокооктановой добавки этилового спирта, в частности биоэтанола, в рамках действующего законодательства относится к спиртосодержащей непищевой продукции в связи с содержанием в нем более 0,5% этилового спирта.

«Учитывая, что производство и оборот спиртосодержащей продукции регулируется нормами, установленными федеральным законом «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции», данная ситуация приводит к сдерживанию развития производства биоэтанола», — говорится в пояснительной записке к документу.

Вводимые нормы

Законом вводятся нормы, согласно которым действие закона о госрегулировании производства и оборота этилового спирта не будет распространяться на производство и (или) оборот автомобильного бензина, произведенного с добавлением этилового спирта или спиртосодержащей продукции и соответствующего техническому регламенту Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту», утвержденному решением комиссии Таможенного союза.

Вводится понятие «биоэтанол», под которым понимается денатурированный этиловый спирт, произведенный из пищевого и (или) непищевого сырья растительного происхождения, денатурация которого осуществляется с соблюдением требований, установленных законом о госрегулировании этилового спирта, и содержащий не более 1% воды.

Определяется порядок лицензирования производства, хранения и поставок биоэтанола. Кроме того, предусматриваются специальные требования для оснащения оборудования, используемого для производства биоэтанола, средствами автоматического измерения и учета концентрации денатурирующих веществ. Документом вводится запрет на производство предприятиями, осуществляющими выпуск биоэтанола, этилового спирта из пищевого сырья. Это обусловлено необходимостью исключения возможности использования биоэтанола, полученного из пищевого сырья, в качестве суррогата алкогольной продукции.

В связи с необходимостью оснащения основного технологического оборудования автоматическими средствами измерения и учета концентрации денатурирующих веществ в потоке денатурированного биоэтанола законом предусмотрено вступление его в силу по истечении одного года после его официального опубликования, говорится в сопроводительных материалах к документу.

Особенности производства биоэтанола. Cleandex

Биоэтанол является альтернативным видом жидкого осветленного топлива для бензиновых двигателей.

Согласно официальному определению, биоэтанол – это этиловый спирт, производимый из биомассы и/или биологически разлагаемых компонентов отходов и используемый в качестве биотоплива. Химическая формула – С2Н5ОН.

Более распространенным является определение биоэтанола как жидкого спиртового топлива, вырабатываемого из сельхозпродукции с высоким содержанием сахара и крахмала (кукурузы, зерновых, сахарного тростника и др.). 

Технология производства

Биоэтанол получают в результате спиртового брожения (ферментации частей растительного сахара и крахмала) с последующей ректификацией или гидролизным методом.

Рисунок. Технология производства биоэтанола

Процесс получения биологического спирта достаточно сложен, так как ему предшествует большое число технологических операций, связанных с выделением отдельных компонентов из зерна: крахмала, глютена, зародыша и клетчатки,–в водной среде. Технологическая цепочка во многом схожа с процессом производства пищевого спирта. При этом в случае биологического топлива все чаще используют технологию мокрого помола зерна.

Сначала зерно очищается и замачивается. Затем направляется на мокрое дробление для последующей сепарации зародыша и отделения клетчатки. Оставшийся после сепарации раствор, содержащий растворенный крахмал и глютен, направляется на вторую стадию сепарации. На данном этапе происходит выделение глютена из оставшегося раствора с образованием влажного глютена и крахмала. Полученный влажный крахмал, посредством разных технологических операций, преобразуется в следующие продукты: сухой крахмал, этанол, концентрированную фруктозу.

В отличие от пищевого спирта, биоэтанол почти не содержит воды (его концентрация – 99,8%) и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти). Основными составляющими биологического спирта являются метан и сивушные масла, что делает его непригодным для питья.

Особенностью производственного процесса является получение так называемого «ко-продукта». В случае сухого помола зерна – сухая дробина с растворимыми веществами (DDGS – Distillers Dried Grains with Solubles) и СО2 ; в случае мокрого помола – глютен (пшеничная клейковина, если сырье – пшеница), СО2 и корма для животных.

Как правило, оставшиеся после ферментации продукты (оболочки зерна, дрожжи, протеин (глютен) зерна) находят широкое применение в качестве корма для скота и служат дополнительным источником прибыли для биотопливных производителей.

Углекислый газ, образующийся в больших количествах в ходе технологических операций, довольно сложно продать из-за его низкой стоимости, поэтому обычно крупные биоэтанольные компании конструируют в непосредственной близости от основного производства комплексы по переработке СО2.

 

Сырье

Современные технологи позволяют использовать практически любое сахаро- и крахмало- содержащее сырье: сахарный тростник, сахарную свеклу, картофель, кукурузу, пшеницу, ячмень, рожь и т. д.

Таблица. Объем производства биоэтанола из различных сельскохозяйственных культур

Специалисты Российской биотопливной ассоциации отмечают, что клубневые культуры, с учетом показателей урожайности и стоимости сырья на литр биоэтанола, могут также использоваться для производства биологического топлива наряду с зерновыми. Однако сам процесс их производства довольно трудоемок и экономически не столь привлекателен. Картофель, по мнению специалистов, целесообразно использовать лишь в качестве дополнительного сырья.

Самыми распространенными сырьевыми источниками являются сахарный тростник и зерно, причем в 90% зерна приходится на кукурузу.

Организация производства

Производство биоэтанола представляет собой технологический процесс, аналогичный производству пищевого спирта (только количество ректификационных колонн – две, а не пять).

По оценкам Российской биотопливной ассоциации, размер участка для завода мощностью около 150 млн л этанола и 128 тыс.т сухой барды должен составлять 10–16 га (примерно 200*500 м). В случае организации рельсового кольца для железнодорожного состава в 100 вагонов, необходимо 60–70 га земли.

Биозавод топливного этанола очень энергоэффективен. Везде, где можно, энергия восстанавливается и используется в дальнейших процессах. Современные параметры использования энергии (сухой помол, кукуруза): электричество – 0.30 кВт-час на литр этанола; энергия–10.0 МДж на литр; вода – 3 литра на литр этанола.

Как правило, организация биотопливного производства подразумевает создание полного производственного комплекса – от переработки сырья до получения готового биологического продукта.

Главный критерий выбора той или иной сельхозкультуры – ее доступность и наличие для переработки круглогодично. Значительным преимуществам в условиях нестабильных цен на зерно и масличные растения является наличие собственной сырьевой базы.

Инвестиции

По экспертным оценкам, стоимость строительства завода по производству биоэтанола находится в пределах от 0.5 до 1.0 доллара за литр мощности.

Показатели рентабельности во многом зависят от действующих цен на нефть в стране: чем они выше, тем больше доходность от изготовления биотоплива. Например, в Европе при достаточно высоких ценах на традиционные энергоресурсы, этот показатель достигает – 30–35%. В России же он несколько ниже.

К ведущим способам повышения рентабельности можно отнести организацию собственного изготовления сырья и развитие переработки «ко-продуктов» и их последующую продажу.

 

Более подробная информация об особенностях организации производства биоэтанола в условиях российского рынка представлена в отчете «Маркетинговое исследование рынка биотоплива» 

Источник: Cleandex.ru/Research.Techart

Америка нахлебалась этанола – Газета Коммерсантъ № 189 (3765) от 16.10.2007

Этаноловой индустрии, которой еще совсем недавно прочили лишь блестящее будущее, грозит первый структурный кризис. Эксперты ставят под сомнение экологичность этанолового производства и экономическую целесообразность отрасли, а некоторые обвиняют ее в повышении цен на сельхозпродукты. Кроме того, в некоторых регионах уже отмечена перенасыщенность этанолового рынка, что негативно сказывается на компаниях, занятых в этой отрасли. По мнению наблюдателей, чтобы избежать серьезного кризиса перепроизводства, экологических проблем и повышения цен на продукты питания, игрокам этаноловой индустрии необходимо принимать срочные меры.

Этаноловый бум пошел на спад

На прошлой неделе совет национальных исследований США при Национальной академии наук опубликовал данные, свидетельствующие о том, что массовое производство этанола (этилового спирта) может представлять значительную угрозу окружающей среде. До последнего времени считалось, что для стран, не богатых углеводородами, этанол является более удачной альтернативой нефти не только с экономической, но и экологической стороны, поскольку в производстве этанола используются главным образом продукты растениеводства (рожь, ячмень, кукуруза, овес, просо, картофель). Однако в отчете специальной комиссии NRC говорится, что более активное возделывание кукурузы, которая в США является одним из главных видов сырья для этанола, а также увеличение посевных площадей под зерновые в районах, не подготовленных для этого, может «оказать серьезное негативное влияние» на состояние водных ресурсов США. Дело в том, что для выращивания кукурузы в северных и южных штатах США необходимо больше воды, чем для выращивания традиционных для этих штатов сои и хлопка. Это может негативно отразиться на местных водных ресурсах, уже используемых для питья, производства электроэнергии, разведения рыбы и т. д. Кроме того, производство самого этанола из биосырья также требует довольно много воды: по подсчетам американских ученых, заводу по производству 100 млн галлонов (378 млн литров) этанола в год требуется воды столько же, сколько городу с населением 5 тыс. человек.

Совет национальных исследований не случайно озаботился возможными экологическими проблемами при производстве этанола — как известно, для США вопрос массового производства биотоплива является не только экономически, но и политически важным. В последние годы на фоне растущих цен на нефтепродукты американские политики усиленно стали лоббировать развитие этаноловой промышленности. В подписанном в августе 2005 года Джорджем Бушем-младшим законе об энергетической политике правительство США пообещало субсидии и налоговые льготы производителям этанолового топлива. Согласно ему, каждый произведенный галлон этанола дает компании право платить меньше налогов. Закон также предусматривает трехкратное (до 7,5 млрд галлонов) увеличение объемов добавок биотоплива (чаще всего это этанол) в продаваемый в США бензин к 2012 году. Политики заявляли, что производство биотоплива поможет в первую очередь снизить экономическую, а следовательно, и политическую зависимость от нефтедобывающих стран, с некоторыми из которых у США не самые теплые отношения.

В качестве образца для подражания американские политики нередко упоминали модель Бразилии — до недавнего прошлого мирового лидера этаноловой отрасли. Еще в начале 1970-х, во время мирового нефтяного кризиса, вызванного арабо-израильским конфликтом, правительство Бразилии решило уменьшить зависимость страны от нефти. Был принят ряд мер, таких как субсидии производителям этанола, увеличение производства сахарного тростника (основного сырья для производства этанола в Бразилии), строительство заправочных станций с этаноловым топливом, в результате чего к 1976 году доля импортной нефти на национальном топливном рынке снизилась с 80 до 45%. Сегодня этанол составляет более 20% в бразильском топливном балансе. В настоящий момент США уже обогнали Бразилию, став крупнейшим производителем этанола в мире (см. таблицу). В США этанол содержится в 30% продаваемого в стране горючего. По данным американской Ассоциации возобновляемых видов топлива, по состоянию на январь этого года в США функционировали 110 заводов и еще около 80 находились на стадии строительства. Этаноловая промышленность помогла за несколько лет создать сотни тысяч рабочих мест.

Европейские страны также уделят значительное внимание производству этанола. В прошлом году на субсидии для производства биотоплива страны ЕС потратили €3,7 млрд, и в ближайшие годы средства будут только расти — к 2010 году ЕС планирует повысить соотношение биотоплива, используемого для автомобилей, с нынешних 2 до 10%.

Обратная сторона медали

Но в последнее время эксперты все чаше стали отмечать и негативные стороны массового производства этанола. Сейчас производство этанола в США неуклонно приближается к отметке в 7,5 млрд галлонов — цели, заложенной в законе 2005 года. Обещанные субсидии и льготы, а также высокие цены на этанол сделали его производство чрезвычайно выгодным. В 2005 году, на пике этанолового бума, многие американские биоэтаноловые компании проводили IPO, поскольку этот бизнес был чрезвычайно привлекательным для инвесторов. Свои акции в 2005 году вывели на биржу такие компании, как Pacific Ethanol, VeraSun Energy и др. Однако в США на рынке все чаще наблюдается перенасыщение — для потребителей это, безусловно, позитивный сигнал, поскольку цены на биотопливо все время идут вниз. Однако перенасыщение рынка негативно сказывается на привлекательности производителей среди инвесторов — их акции падают в цене. Если в 2005 году акции Pacific Ethanol стоили $21,75, VeraSun Energy — $30, то сейчас акции первой стоят $9, а второй — $11,6. Некоторые ключевые участники рынка даже закрывают заводы. В сентябре испанская энергетическая компания Abengoa приостановила производство этанола на своих трех крупнейших заводах в Испании, объяснив такое решение высокими ценами на зерно и неуверенностью в национальном рынке этанола. Еще один ее завод уже остановил производство несколькими месяцами ранее по тем же причинам.

Нередко этаноловую индустрию упрекают и в том, что она ведет к повышению цен на зерновые. Производители мяса и домашней птицы также жалуются на то, что высокие цены на зерно вредят их прибылям, и требуют от правительства сократить субсидии. По данным министерства сельского хозяйства США, стоимость кормов на основе зерновых с 2005 года увеличилась приблизительно на 60%. По мнению Рональда Стинблика, руководителя научно-исследовательской группы Международного исследовательского института по устойчивому развитию (IISD), «спрос на зерновые для производства этанола и продуктов взвинтил цены на это сырье более чем на 50%. Повышение международных цен на природный газ также привело к росту цен на удобрения и большим затратам на энергетический процесс для дистилляторов».

Высокие государственные субсидии производителям этанола также все чаще вызывают вопросы об экономической целесообразности производства этанола. Как заявляет IISD, стоимость этанола из сахарной патоки, произведенного для того, чтобы избежать выделения в атмосферу одной тонны двуокиси углерода, составляет от $760 до $1000. Однако примерно за эти же деньги на Чикагской климатической бирже можно купить квоту на выброс 160 тонн диоксида углерода, а средства от покупки этой квоты можно пустить на увеличение зеленых насаждений, которые нейтрализуют выброс в атмосферу такого же количества парникового газа.

В связи с этим наблюдатели все чаще говорят о том, что компаниям, занятым в производстве этанола, а также правительствам необходимо искать срочные меры для выхода из сложившейся ситуации и предотвращения возможного кризиса — первого структурного кризиса этаноловой индустрии. Все чаще слышны разговоры о том, что компаниям, занимающимся производством этанола, необходима консолидация, как в свое время происходило с производителями других энергоносителей — нефти, газа. По мнению Брюса Бэбкока из Центра по изучению вопросов сельского хозяйства Университета штата Айова, более крупные производители смогут эффективнее размещать производство биосырья в районах, предназначенных для этого, и решать проблемы, возникающие в процессе производства этанола.

Говоря о том, какие шаги следует предпринять государственным органам, наблюдатели говорят, что необходимо менять законодательство, регулирующее производство этанола. По мнению анонимного чиновника Еврокомиссии, цитируемого агентством IPS, «политика в этом вопросе должна зависеть от того, какие вопросы надо решать именно сейчас». А шведский депутат Европарламента Андерс Вийкман отметил: «Если мы хотим, чтобы на рынке появился новый вид энергоносителя, нам нужны субсидии. Но вопрос заключается в том, как мы обеспечиваем производственный процесс. Логично предположить, что необходимо принять такие меры, которые бы обеспечили реальное сокращение выброса парниковых газов».

Екатерина Ъ-Дударева

Назван способ отличить этанол от метанола: Общество: Россия: Lenta.ru

Метанол идентичен этанолу не только по вкусу и запаху, но еще и по типу опьянения, рассказал председатель Национального союза защиты прав потребителей Павел Шапкин. В разговоре с «Лентой. ру» специалист назвал единственный способ проверить, опасен ли напиток, — поджечь его. Этанол будет гореть синим пламенем, а метанол — зеленым.

В результате массового отравления суррогатным метанолом в Оренбургской области, о котором стало известно 7 октября, пострадали 36 человек, 15 человек госпитализированы в стационары, двое из них находятся в тяжелом состоянии на аппаратах ИВЛ. По последним данным, количество погибших увеличилось до 18. Суррогатом отравились жители четырех населенных пунктов российского региона. В отношении самых тяжелых отравившихся медики дают «крайне пессимистичный» прогноз, пояснила глава Минздрава области Татьяна Савинова.

Неотличимый яд

Вся проблема метанола, по словам Шапкина, в том, что он идентичен этанолу полностью: отличить его по цвету, вкусу, запаху, даже по характеру опьянения нельзя. Первые симптомы притом могут появляться только спустя шесть часов после отравления, в течение которых люди, как правило, продолжают употреблять яд.

Материалы по теме:

«И от этого отравления не застрахован никто, — подчеркивает эксперт. — Метанол производят в объемах, намного больших, чем этанол. Более того, к 2030 году его производство планируют нарастить в пять-шесть раз. Единственный способ отличить яд — поджечь его. Этиловый спирт будет гореть голубым огоньком, а метанол — зеленым. И, к сожалению, алкоголь действительно нужно постоянно проверять: и в кафе, и в гостях. На рынке очень много подделок, любая бутылка из-под дорогого алкоголя подбирается на свалке и заполняется непонятным содержимым».

Единственным способом остановить череду смертей от отравления этим ядом Шапкин считает денатурацию метанола. Он предлагает добавлять туда специальное вещество, которое делает жидкость очень горькой на вкус, неподходящей для употребления.

«Мы направляли такой законопроект в августе, но, к сожалению, пришли очень неприятные ответы из Минпромторга, где говорилось, что у них все и так хорошо, все соответствует стандартам. И это такой абсурд. Ведь решение найдено давно, его используют во всем мире, никому и в голову не приходит его оспаривать. Видимо, нужно, чтоб погибло еще человек 200. Я считаю, что этот вопрос необходимо решать безотлагательно», — заключил эксперт.

С приставкой «био» — Журнал «Сибирская нефть» — №180 (апрель 2021)

Зеленая альтернатива традиционным бензину и дизелю — биотопливо пока сравнительно дорого, однако всеобщая обеспокоенность климатическими проблемами и растущие налоги на выбросы парниковых газов играют на руку его производителям. Попробуем разобраться, угрожает ли нефтегазовому сектору конкуренция со стороны сельского хозяйства и какие возможности для заработка на растущем рынке есть у российских компаний

Хотя продажи электромобилей в мире растут, полный отказ от жидкого моторного топлива и перевод всего транспорта на электроэнергию случится, по-видимому, еще не скоро. Однако традиционные двигатели с минимальными доработками можно заправлять биотопливом, а это — та же энергия солнца, только преобразованная не в электричество, а в энергию связей органических веществ.

Биотопливо, то есть спирт и растительное масло, пробовали использовать в двигателях внутреннего сгорания еще на самом раннем этапе их разработки, но достаточно быстро его вытеснила нефть. Новая история биотоплива началась в 1970-х в Бразилии и США. Эти страны и сегодня остаются мировыми лидерами по объемам его производства, значительно обгоняя ближайших конкурентов — Индонезию и Германию.

Резкий рост производства биотоплива в мире произошел в 2000-х и был связан с ростом обеспокоенности изменением климата. Благодаря политической поддержке и росту цен на нефть в период с 2000 по 2007 год мировое производство этанола из растительного сырья утроилось и достигло 62 млрд л, а производство биодизеля выросло более чем десятикратно, превысив 10 млрд л. Это привело к заметному дисбалансу на рынке сельхозпродукции и стало одним из факторов резкого роста цен на продовольствие. Однако рост продолжился и в последующие годы. В период с 2010 по 2019 год объемы производства биотоплив выросли на 63% (для сравнения: рост добычи нефти за тот же период составил только 8,6%).

Будущее биотоплива связывают с водорослями, которые очень быстро наращивают биомассу

Ковид ударил не только по нефтяникам, но и по производителям биотоплива. По данным Международного энергетического агентства, в 2020 году под воздействием пандемии и мирового кризиса производство жидкого биотоплива снизилось впервые за 20 лет. Причина — в резком сокращении мобильности, в первую очередь персональной. Падение составило 11,6% по сравнению c 2019 годом. Как ожидается, производство может восстановиться в прежних объемах к 2022 году.

Каким бывает биотопливо?

Основные виды жидкого биотоплива — биоэтанол и биодизель. Биоэтанол — этиловый спирт, произведенный из растительного сырья. Его используют в качестве замены бензина (в смеси с ним). В Бразилии этот вид топлива производят в основном из сахарного тростника, в США — из кукурузы. Сырьем могут служить и другие культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т.  д.

Биодизель представляет собой смесь жирных кислот, которая используется как альтернатива дизельного топлива. Для его производства подходят богатые маслами культуры, в первую очередь соя и рапс. Вообще же для производства биотоплива используют растения, которые быстро растут, производя максимум биомассы за минимум времени.

Сегодня идет поиск новых источников сырья для биотоплива. Большие перспективы связывают с гидрированным растительным маслом (HVO). Это так называемое биотопливо второго поколения. Для его производства используют отработанное растительное масло. Применяются и другие виды отходов: животный жир, различные отходы сельского и лесного хозяйства. Идут исследования возможностей получения топлива из водорослей (биотопливо третьего поколения). Водоросли способны очень быстро увеличивать свою массу, однако требуют особых условий, и пока производство в промышленных масштабах организовать не удалось.

Себестоимость производства биотоплива и ее отношение к себестоимости традиционных дизеля и бензина могут заметно различаться от страны к стране. Так, например, по данным за 2017 год, производство биоэтанола в Бразилии обходилось примерно во столько же, сколько и производство бензина (одна из причин низкой стоимости первого — дешевая рабочая сила в сельскохозяйственном секторе). В тот же период в США себестоимость биоэтанола была примерно на четверть выше бензина. Разница стоимости традиционного и биодизеля более существенна, может достигать двух и более раз.

Для автомобилей и самолетов

Биотопливо, как правило, используется в смеси с традиционными видами топлива: бензином, дизельным топливом или авиационным керосином. В России ГОСТ разрешает добавлять в автомобильное топливо до 5% биодизеля и до 10% биоэтанола. Аналогичные нормы действуют и в Европе. Более высокий процент содержания этанола требует некоторой модернизации двигателей. В кукурузных штатах США процент содержания биоэтанола в топливе может достигать 85%, а в Бразилии даже 95% (и не менее 25%). Двигатель на таком топливе трудно запустить в холодную погоду, но для Бразилии это как раз не проблема.

Биодизель по своим характеристикам практически ничем не отличается от обычного дизеля, однако в зимнее время требует дополнительного подогрева, так как он более вязкий и быстрее загустевает на морозе. Без подогрева можно обойтись, если использовать не более 20% биотоплива в смеси.

Большие перспективы у биотоплива в авиации. Впервые его смесь с авиационным керосином в пропорции 1 к 4 в 2008 году использовала авиакомпания Virgin Atlantic. С тех пор подобные смеси опробовали и многие другие авиакомпании. Производством авиационного биотоплива в Европе занимаются Neste Oil, Biomass Technology Group и UOP. К 2030 году американская аэрокосмическая корпорация Boeing планирует начать поставки самолетов, которые будут летать на 100% биотопливе. Это потребует усовершенствования двигателей и получения необходимых разрешений.

На коммерческие авиарейсы приходится около 2% всех выбросов парниковых газов и 12% всех выбросов в сфере транспорта

Преимущества и недостатки

Основные преимущества биотоплива связаны с его экологическими характеристиками. Оно относится к возобновляемым источникам энергии и позволяет снизить углеродный след от использования транспорта. Углерод, который в виде углекислого газа высвобождается при его сжигании, был поглощен из атмосферы лишь недавно, в процессе роста растений, из которых было изготовлено топливо, а не миллионы лет назад, как при использовании ископаемого топлива. И затем может снова быть поглощен растениями, то есть получается замкнутый цикл.

При сгорании биоэтанола не образуется никаких вредных соединений. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя.

В Таиланде биодизель производят из смеси пальмового масла и использованного кулинарного масла

В качестве недостатка биоэтанола называют более низкую, чем у бензина, теплотворную способность. Из-за этого повышается расход топлива.

Среди недостатков биодизеля, помимо загустевания при низких температурах, — нестабильное качество, обусловленное разнообразием используемого сырья. Кроме того, он не предназначен для длительного хранения, так как со временем портится. Расход биодизеля также несколько выше.

Производство биотоплив позволяет поддержать сельскохозяйственное производство там, где оно становится невыгодным из-за перепроизводства. Однако у этого есть обратная сторона: повышенный спрос на топливо может вызвать сокращение производства продовольствия и рост цен на него.

Впрочем, главным недостатком биотоплив остается их высокая себестоимость, поэтому без поддержки государства конкурировать с традиционными бензином и дизелем они не могут.

Что в России?

В России жидкое биотопливо пока не получило сколько-нибудь заметного распространения. Среди причин можно назвать достаточное количество собственного углеводородного сырья, отсутствие реальной господдержки, холодный климат, неготовность потребителей. Однако в России есть все условия для выращивания необходимой для его производства биомассы. Не исключено, что риски перепроизводства традиционной сельхозпродукции и рост мирового спроса на зеленые энергоносители в конечном счете приведут к тому, что Россия может стать заметным игроком на рынке биотоплива.

В конце 2018 года в ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции…» были внесены поправки, затрагивающие среди прочего производство топливного биоэтанола. По мнению экспертов, это открывает новые возможности для развития отрасли. Сейчас в качестве возможного сырья для производства такого топлива в России рассматривают мискантус. Это неприхотливое травянистое растение предпочитает теплый и влажный климат, но некоторые сорта неплохо себя чувствуют и в средней полосе России. О планах по культивированию мискантуса уже заявили в нескольких регионах страны.

Нефтянка и биотопливо

Некоторые нефтяные компании рассматривают биотопливо как возможность для выхода на новые рынки низкоуглеродной энергетики, но с более привычным для себя продуктом и уже существующей инфраструктурой дистрибуции. Ряд проектов в этой области есть у таких нефтегазовых компаний, как Shell, BP, Total, Marathon, Valero и других. В 2014 году компания Eni реализовала первый в мире проект по конверсии нефтеперерабатывающего завода в производство биотоплива. С тех пор для многих старых и низкоэффективных НПЗ в Европе и США это стало реальной альтернативой закрытию.

Центр данных по альтернативным видам топлива: основы этанольного топлива

Этанол — это возобновляемое топливо, которое производится из различных растительных материалов, известных под общим названием «биомасса». Более 98% бензина в США содержит этанол, обычно E10 (10% этанола, 90% бензина), который насыщает топливо кислородом, что снижает загрязнение воздуха.

Этанол также доступен в виде E85 (или гибкого топлива), который можно использовать в транспортных средствах с гибким топливом, предназначенных для работы на любой смеси бензина и этанола до 83%.Другая смесь, E15, одобрена для использования в легковых автомобилях 2001 модельного года и более новых.

Сделать этанол доступным в качестве автомобильного топлива необходимо в несколько этапов:

  • Сырье для биомассы выращивается, собирается и транспортируется на предприятие по производству этанола.
  • Сырье превращается в этанол на производственном предприятии, а затем доставляется на топливный терминал или конечному потребителю по железной дороге, грузовиком или баржей.
  • E10 поступает с топливных терминалов, а E85 — с терминала или непосредственно с завода по производству этанола.
  • E15 можно получить на топливных терминалах или через дозатор смесительного насоса, который набирает из баков E10 и E85 на станции.

Свойства топлива

Этанол (CH 3 CH 2 OH) — прозрачная бесцветная жидкость. Он также известен как этиловый спирт, зерновой спирт и EtOH (см. Поиск по свойствам топлива). У этанола одна и та же химическая формула, независимо от того, произведен ли он из сырья на основе крахмала или сахара, такого как кукурузное зерно (поскольку это в первую очередь в Соединенных Штатах), сахарный тростник (как в основном в Бразилии) или из целлюлозного сырья (например, древесной щепы или растительных остатков).

У этанола более высокое октановое число, чем у бензина, что обеспечивает превосходные свойства смешивания. Требования к минимальному октановому числу бензина предотвращают детонацию двигателя и обеспечивают управляемость. Бензин с более низким октановым числом смешивают с 10% этанолом, чтобы получить стандартное октановое число 87.

Этанол содержит меньше энергии на галлон, чем бензин, в разной степени, в зависимости от объемного процента этанола в смеси. Денатурированный этанол (98% этанола) содержит примерно на 30% меньше энергии, чем бензин на галлон.Влияние этанола на экономию топлива зависит от содержания этанола в топливе и от того, оптимизирован ли двигатель для работы на бензине или этаноле.

Энергетический баланс этанола

В США 94% этанола производится из крахмала кукурузного зерна. Для превращения любого исходного сырья в этанол требуется энергия. Этанол, произведенный из кукурузы, демонстрирует положительный энергетический баланс, а это означает, что процесс производства этанольного топлива не требует больше энергии, чем количество энергии, содержащееся в самом топливе.

Целлюлозный этанол улучшает энергетический баланс этанола, поскольку исходное сырье является либо отходами, побочными продуктами другой отрасли (древесина, растительные остатки), либо специальными культурами, такими как просо и мискантус, с меньшими потребностями в воде и удобрениях по сравнению с кукурузой. Когда биомасса используется в процессе преобразования непищевого сырья в целлюлозный этанол, количество энергии ископаемого топлива, используемой в производстве, сокращается еще больше. Еще одно преимущество целлюлозного этанола заключается в том, что он приводит к более низким уровням выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла.

Для получения дополнительной информации об энергетическом балансе этанола загрузите следующие документы:

Производство этанола — обзор

8.4 Ферментация этанола из стеблей топинамбура

Производство этанола из лигноцеллюлозных материалов привлекло внимание всего мира благодаря своей низкой стоимости. Как и большинство лигноцеллюлозных материалов, стебли JA состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, образуя очень компактную структуру, требующую более сложной стадии предварительной обработки.Однако, в отличие от некоторых других материалов, стебли JA имеют относительно низкое содержание целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, предназначенных для замены на инулин [10,52]. Сообщается, что содержание инулина в стеблях ЖК может достигать 22,2% [10]. Следовательно, различия в структуре и химическом составе приводят к другому методу предварительной обработки, который отличает стебли JA от других, а также делает только стебли JA [53] или вместе с его клубнями перспективным материалом для производства этанола в промышленности.

Хатун и др. [53] проводили ферментацию этанола, используя только стебли JA в качестве субстрата. Метод предварительной обработки заключался в гидролизе стеблей в 2% растворе NaOH при 121 ° C в течение 1 часа, а затем их промывании водой для нейтрализации и затем сушке. Общее количество сахаров, включая глюкозу, фруктозу, ксилозу и инулин, составляло 115,8 г на л -1 после порционного добавления целлюлазы. Наконец, рекомбинантный S. cerevisiae с геном инулиназы был адаптирован для проведения экспериментов по ферментации для получения 38.3 г л -1 этанола с выходом 0,361 г г -1 .

Стебли JA сами по себе могут обеспечить приемлемое производство этанола, но концентрации общего сахара, полученные с помощью настоящих методов предварительной обработки, не могут соответствовать требованиям ферментации этанола с очень высокой плотностью в промышленности, учитывая низкое содержание углеводов в стеблях. Следовательно, более подходящим способом является оценка всей биомассы JA для производства этанола, что способствует всестороннему использованию как клубней, так и стеблей [10,54].Kim et al. [54] сначала стебли предварительно обрабатывали как кислотами (0,5% H 2 SO 4 , 121 ° C и 60 минут), так и основаниями (1 M NaOH, 121 ° C и 60 минут). Одновременное осахаривание и ферментацию проводили путем добавления целлюлазы из клубней и стеблей в соответствующем соотношении 1:10 для получения 70,2 г л -1 этанола в течение 76 часов. Впоследствии исследователи подумали, что предварительная обработка с использованием оснований может не подходить для промышленного производства из-за потери большого количества воды.Следовательно, этап предварительной обработки основания был удален. 10 (мас. / Об.) Стеблей JA предварительно обрабатывали 0,5% H 2 SO 4 при 121 ° C в течение 60 минут с последующим добавлением 8% (мас. / Об.) Клубней, целлюлозы и К. . marxianus для ферментации этанола по технологии CBP. Результаты показали, что 45,5 г л -1 этанола было получено через 30 часов [10]. Фактически, улучшенный коэффициент использования сахара отвечает требованиям индустриализации всего процесса с учетом мощности К.marxianus метаболизирует ксилозу и арабинозу.

Стебли улучшают коэффициент использования биомассы во всем процессе производства этанола из JA и позволяют избежать расточительного использования источников углерода. Однако, подобно проблемам, с которыми сталкиваются другие лигноцеллюлозные материалы, в процессах предварительной обработки образуются ингибиторы и пентоза, которые трудно использовать для большинства пятен, даже для K. marxianus , который способен поглощать пентозу естественным образом. Следовательно, то, как оптимизировать процесс предварительной обработки, уменьшить образование ингибитора, повысить толерантность к этим ингибиторам и улучшить использование пентозы, станет важным направлением для производства этанола из JA и даже для других лигноцеллюлозных материалов.

Производство этанола — обзор

9.6.2 Биоэтанол

Производство этанола путем ферментации редуцирующих сахаров в биомассе — это стратегия, которая реализовывалась в течение нескольких десятилетий для уменьшения использования ископаемого топлива (Gutiérrez-Macías, Montañez-Barragán , & Barragán-Huerta, 2015). Однако, что касается производства биодизеля, существует множество разногласий относительно происхождения сырья, поскольку кукуруза и сахарный тростник являются основными источниками сбраживаемых сахаров с самыми высокими выходами биоэтанола (Halder, Azad, Shah, & Sarker, 2019). Следовательно, основной альтернативой является использование несъедобных лигноцеллюлозных материалов (Gurram et al., 2016).

Кофейная пудра составляет около 40% от веса свежей, полученного после удаления зерен из кофейных ягод, и содержит 23% 27% сбраживаемых сахаров, что делает ее наиболее подходящим остатком кофе для производства биоэтанола (Woldesenbet, Woldeyes, И Чандраванши, 2016). Применение физических, химических, физико-химических и биологических обработок широко применяется при производстве биоэтанола из рекуперированных остатков лигноцеллюлозы для достижения осахаривания биомассы и более высоких концентраций сбраживаемых сахаров (Gutiérrez-Macías et al., 2015). Устойчивость, проявляемая структурой биомассы, влияет на процесс осахаривания, поэтому эффективность этапов предварительной обработки, применяемых для разрушения структуры и, таким образом, высвобождения сбраживаемых сахаров, будет в значительной степени определять выход биоэтанола (Halder et al., 2019). Осахаривание сложных углеводов из SCG обработкой уксусной кислотой и хлоритом натрия и экстракцией органическим растворителем (спиртбензол 1: 2), в частности, способствовало экстракции моносахаридов из SCG, давая средний выход 0. 568 г / г, из которых 73,8% было преобразовано в этанол Saccharomyces cerevisiae через 72 часа (Kim, Choi, Lee, Kim, & Bae, 2017), в то время как кислотный гидролиз (0,4 MH 2 SO 4 ) SCG произвело 93% осахаривание и выход этанола 78% (Woldesenbet et al., 2016).

Сырье может содержать или приводить к образованию ингибиторов ферментации, которые негативно влияют на выход биоэтанола (Wikandari, Sanjaya, Millati, Karimi, & Taherzadeh, 2019). Фурфурол и гидроксиметилфурфурол являются основными побочными продуктами гидролиза биомассы, которые ингибируют процесс ферментации (Gutiérrez-Macías et al., 2017). Кофеин, TPC и липидная фракция в остатках кофе мешают ферментативному осахариванию и процессу ферментации (Kwon, Yi, & Jeon, 2013).

Следовательно, количество фенольных и коричневых соединений может уменьшаться с увеличением количества предварительных кислотно-хлоритовых обработок в остатках использованного кофе (H. M. Kim et al., 2017). Между тем твердо-жидкостная экстракция кофейных остатков водным этанолом (60% мас. / Об.) Дала примерно 50% -ное снижение ТФХ, что позволило увеличить выход на S.cerevisiae (Бурниол-Фигольс, Сениан, Скиадас и Гавала, 2016). Между тем экстракция липидной фракции из SCG способствует ферментативной активности целлюлозы, увеличивая ее конверсию глюкозы с 15 до 18 г / л (Kwon et al., 2013).

Границы | Повышение производства этанола в электрохимической ячейке с помощью Saccharomyces cerevisiae (CDBT2) и Wickerhamomyces anomalus (CDBT7)

Введение

Зависимость от транспортного топлива на основе нефти — серьезная проблема для развивающихся стран, не имеющих запасов ископаемого топлива.Проблема стоит очень остро в странах, не имеющих выхода к морю, таких как Непал (Joshi et al., 2011). Фактически страны, не имеющие выхода к морю, тратят большую часть своего ВВП на импорт ископаемого топлива через другие страны. Учитывая вышесказанное, предпринимаются серьезные попытки разработать альтернативные источники энергии, которые, как ожидается, помогут решить указанную выше проблему. Биоэтанол — одно из возобновляемых и экологически чистых видов топлива (Khatiwada and Silveira, 2011). Помимо использования в качестве топлива, биоэтанол также может использоваться для других целей, таких как производство биопластиков (Rose and Palkovits, 2011) и разработка топливных элементов на этаноле для производства электроэнергии (Saisirirat and Joommanee, 2017).

Биотопливо второго поколения, такое как биоэтанол (полученный из лигноцеллюлозы), можно производить как в сельских, так и в городских районах с использованием легкодоступной лигноцеллюлозной биомассы. Лигноцеллюлоза — самая распространенная биомасса в мире, годовое производство которой составляет около 1000 гига-метрических тонн. Биомасса представляет собой смесь целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и других компонентов, таких как пектин. Целлюлоза и гемицеллюлоза при разложении производят ферментируемые сахара, например глюкозу и ксилозу. Эти сахара могут быть далее преобразованы в важные продукты, включая этанол, путем ферментации. Объем этанола, который может быть произведен лигноцеллюлозной биомассой, зависит от состава сахаров, который варьируется в зависимости от растений и среды обитания, в которой они растут (Hermosilla et al., 2017; Joshi et al., 2018). На сегодняшний день стоимость производства этанола из лигноцеллюлозной биомассы зависит от используемой технологии. Чем лучше техника, тем ниже стоимость производства (Haque, Epplin, 2012).

Дрожжи, такие как S. cerevisiae , широко используются для ферментации этанола. Наиболее ценными в этом процессе являются дрожжи с высокой толерантностью к соли и этанолу.Кроме того, для эффективного производства этанола из лигноцеллюлозных гидролизатов дрожжи должны уметь использовать как глюкозу, так и пентозы, такие как ксилоза и арабиноза. Это связано с тем, что лигноцеллюлозная биомасса богата как глюкозой, так и ксилозой (пентозой) (Joshi et al., 2018). Это главный недостаток использования только S. cerevisiae , поскольку он не может сбраживать одновременно глюкозу и ксилозу. Соответственно, идентификация штаммов дрожжей, которые могут сбраживать как глюкозу, так и ксилозу, имеет решающее значение, если нет, по крайней мере, использовать два разных штамма дрожжей, которые способны утилизировать эти сахара независимо.В этом исследовании мы идентифицировали и использовали высокоэффективные, устойчивые к соли и этанолу штаммы дрожжей, , а именно S. cerevisiae (CDBT2) (Joshi et al., 2014) и ксилозу с использованием Вт аномального (CDBT7). для производства этанола из лигноцеллюлозной биомассы.

Для увеличения производства этанола может быть использована технология электро-ферментации, сочетающая традиционную ферментацию с электрохимией. Электроферментация — это новый процесс, в котором микробный ферментативный метаболизм можно контролировать электрохимически.Преимущества этого процесса заключаются в том, что процесс (i) является селективным, (ii) увеличивает эффективность использования сахара (углерода), (iii) сводит к минимуму использование добавок для окислительно-восстановительного баланса или контроля pH, (iv) усиливает рост клеток и ( v) в некоторых случаях повышают извлечение продукта (Schievano et al. , 2016). Электроды, используемые в электрохимической ячейке, могут действовать как поглотители электронов, как источник электронов или поляризовать ионы, присутствующие в микробах, что обеспечивает несбалансированный рост. Такие электрохимические модификации также оказывают значительное влияние не только на метаболизм и клеточную регуляцию, но и на межвидовые взаимодействия, а также на выбор микробных популяций (Moscoviz et al., 2016). Новые штаммы дрожжей S. cerevisiae (CDBT2) и W. аномальный (CDBT7), идентифицированные в нашей лаборатории, используются в этом исследовании для определения лучшего использования глюкозы и ксилозы из лигноцеллюлозной биомассы и увеличения производства этанола в электрохимическая ячейка. Лигноцеллюлозная биомасса, используемая в исследовании, была получена из Saccharum spontaneum , предварительно обработанного горячей водой при 100 ° C в течение 2 часов с последующим гидролизом 0,5 M соляной кислоты (Joshi et al., 2018).

Материалы и методы

Материалы

Тканый графитовый войлок (толщина 10 мм) был приобретен у Nippon Co. , Nippon, Japan. Платиновая проволока (диаметр 0,2 мм), высококачественный нейтральный красный, этанол и тионилхлорид были приобретены у Sigma Chemical Co., Сент-Луис, Миссури, США. Сосуды для электрохимических ячеек (ECC), изготовленные из стекла Pyrex, были приобретены у Adams and Chittenden Scientific Glass Co., Калифорния, США. Мембрана Nafion 117 была приобретена у DuPont Co., Уилмингтон, Делавэр, США. Гексагидрат гексахлороплатината (IV) водорода (Kanto Chemicals Company, Япония) был любезно предоставлен профессором д-ром Амаром Прасадом Ядавом, Центральный химический факультет Трибхуванского университета, Непал. D-глюкоза, динитросалициловая кислота (DNSA), тартрат натрия и калия, дрожжевой экстракт, пептон, сульфат аммония и альгинат натрия были приобретены у Hi-Media Company, Бангалор, Индия. Все остальные химические вещества были аналитической чистоты и были доступны на месте.

Образцы биомассы S.spontaneum был собран в помещениях кампуса Трибхуванского университета, Киртипур, Катманду, Непал, в августе. Место отбора проб было 27,6818 ° с.ш. и 85,2865 ° ю.ш. Надземную часть собранного образца сушили на воздухе в течение 24 ч и разрезали на кусочки размером около 2 см. Далее его сушили в печи при 60 ° C в течение 24 часов. Сухие образцы измельчали ​​с помощью блендера. Смешанную биомассу просеивали с использованием сит 250–500 мкм и упаковывали в пластиковые пакеты для дальнейшего использования в исследованиях ферментации.

Методы

Производство этанола в электрохимической ячейке
Разработка посевных материалов CDBT2 и CDBT7

Консервированные штаммы дрожжей CDBT2 (номер доступа банка генов MK910215) и CDBT7 (номер доступа банка генов MK910216) использовали для создания инокулятов. Инокуляты получали путем инокуляции заполненных петлей агаровых культур штаммов CDBT2 и CDBT7 в среду PYN (пептон, дрожжевой экстракт и питательные вещества) (пептон: 3,5 г · л -1 , дрожжевой экстракт: 3 г · л -1 , KH 2 PO 4 : 2 г · л -1 , MgSO4: 1 г · л -1 и (NH 4 ) 2 SO 4 : 1 г · л -1 ) (Balakumar and Arasaratnam, 2012) с добавлением 5% глюкозы. Их культивировали в орбитальном шейкере в течение 18 ч при 30 ° C и pH 5,0.

Конструкция электрохимической ячейки (ЭХЯ)

Анодная и катодная камеры ECC были собраны плотно с использованием резиновой прокладки с нафионовой мембраной, которая разделяет две камеры (рис. 1). Рабочий объем катодного и анодного отсеков составлял ~ 300 мл каждое. Обычный графитовый войлок (11 см × 3 см × 1 см) использовался в качестве катода, а платиновая проволока (диаметр 0,2 мм, длина 1 м) использовалась в качестве анода.Каждый раз добавляли 1,2 мл соответствующего посевного материала, приготовленного выше, с 300 мл среды PYN в каждом случае.

Рисунок 1 . Электрохимический элемент (ECC): ECC был собран с использованием сборки топливного элемента из стекла Pyrex, как показано на рисунке, разделенного нафионовой мембраной с использованием герметичной резиновой прокладки. Электроды вставляли через небольшие отверстия в каждой из крышек камеры и затем подключали к блоку питания для подачи внешнего напряжения.

Оптимизация производства этанола в ECC

Штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 культивировали в ECC (рис. 1) и оценивали продукцию этанола в присутствии источников углеводов, т.е.е. глюкоза (5%) и гидролизат лигноцеллюлозной биомассы (с 3,3% редуцирующего сахара). Гидролизат лигноцеллюлозной биомассы был приготовлен путем сбора гидролизата, который образовался после предварительной обработки биомассы Saccharum spontaneum (размер 250–500 мкм) горячей водой при 100 ° C в течение 2 часов с последующим гидролизом 0,5 М HCl в течение 24 часов. 5% -ный гидролизат глюкозы или биомассы действовал как источник углеводов (Joshi et al., 2018). Состав СМИ PYN добавлен в качестве дополнений. Среда для ферментации в ECC без культуры и внешнего источника напряжения служила контролем.Два отсека ECC были заполнены средой PYN с добавлением глюкозы или гидролизата лигноцеллюлозной биомассы, инокулированы штаммами дрожжей и позволяли производить этанол в присутствии и отсутствии приложенного напряжения при оптимизированном pH 5,5 и 30 ° C (Joshi et al. , 2014).

Производство этанола штаммами дрожжей CDBT2 и CDBT7 при приложенном напряжении

В первой реакции ферментации штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 культивировали в катодной и анодной камерах соответственно.Во второй реакции ферментации штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 культивировали в анодной и катодной камерах соответственно. В каждой из вышеуказанных реакций на ECC постоянно подавали 4 В. Производство этанола дрожжевыми штаммами CDBT2 и CDBT7 в ECC контролировали с интервалами 12 ч, как описано Seo et al. (2009). Образец бульона (1 мл), собранный из ECC, первоначально центрифугировали при 4000 × g в течение 15 минут для удаления клеточного дебриса. Затем супернатант смешивали с 1 мл трин-бутилфосфата (ТВФ), встряхивали в течение 15 минут и центрифугировали при 4000 × g в течение 15 минут для разделения слоев.Около 750 мкл верхнего слоя ТВР переносили в другую пробирку и смешивали с таким же количеством подкисленного реагента 5% дихромата калия. Смесь встряхивали, центрифугировали, как описано выше, и нижний зеленый слой (слой реагента дихромата калия) отделяли, и его оптическую плотность измеряли при 595 нм с использованием спектрофотометра против холостого опыта. Рост клеток контролировали путем измерения мутности культурального бульона при 600 нм. Снижение концентрации понижающего сахара в образцах бульонов измеряли методом DNSA (Miller, 1959).

Образование пленки в графитовом электроде дрожжами

Образование биопленок анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). После завершения эксперимента в ECC графитовые электроды, которые использовались в качестве катода с культурами CDBT2 и CDBT7, упаривали в вакууме и упаковывали в стерильный пластиковый пакет. Образцы были отправлены в Advanced Instrumental Lab, Университет Джавахарлала Неру, Нью-Дели, Индия для SEM. Образование биопленки было подтверждено микрофотографией.

Производство этанола на CDBT2 и CDBT7 при разном напряжении

Чтобы определить оптимальный источник внешнего напряжения для производства этанола, напряжение ECC менялось от 0 до 5 В (± 0.1 В) с интервалом 1 В и производство этанола измеряли, как указано выше.

Сравнение продукции этанола CDBT7 с несколькими штаммами S.
cerevisiae

Для сравнения эффективности продукции этанола CDBT2 с другими S. cerevisiae , производство этанола в анодном отсеке ECC контролировали путем культивирования штаммов S. cerevisiae , полученных из различных источников. Штаммы дрожжей MKY09 (лабораторный штамм дрожжей) и Ethanol Red (промышленный штамм дрожжей) любезно предоставлены проф.Экхард Боле, Франкфуртский университет, Германия. Штамм дрожжей MKY09, трансформированный плазмидой pGPD2, в которую вставлен ген лакказы (pGPD2 / lac), был разработан в Центральном департаменте биотехнологии Трибхуванского университета, Непал (Bishwakarma, 2017). Плазмида pGPD2 / lac была сконструирована путем клонирования синтетического гена лакказы Ganoderma lucidum размером 1576 п.н. в векторе экспрессии pGPD2, приобретенном у Addgene Company. Сконструированную плазмиду трансформировали в штамм MKY09. Штамм дрожжей CDBT7 во всех случаях культивировали в катодном отсеке.Две камеры были разделены нафионовой мембраной. Производство этанола измеряли, как описано выше.

Эффект различных систем повышения электронного транспорта в ECC

Производство этанола контролировали в катодном и анодном отсеках путем культивирования штаммов дрожжей CDBT2 и CDBT7 в различных комбинациях следующим образом. В реакции 1 штамм дрожжей CDBT2 культивировали в обоих отсеках. В реакции 2 штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 культивировали в анодном и катодном отсеках соответственно.В реакции 3 штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 совместно культивировали как в катодном, так и в анодном отсеках. Во всех реакциях наблюдали за образованием этанола, как указано выше. В следующей серии реакций графитовый войлок (катод) и платиновая проволока (анод) были покрыты различными усилителями электронного транспорта и использовались в качестве катода и анода в ECC. В первом случае графитовый электрод иммобилизовали дрожжевыми клетками с помощью геля альгината кальция и использовали в качестве катода. Вкратце, сначала центрифугировали около 2,4 мл 18-часовой культуры дрожжевых штаммов, осадок смешивали с 10 мл 25 мМ фосфатного буфера (pH 7. 0), содержащего 4% альгината натрия, и позволили ему впитаться в графитовый электрод в течение 30 мин. Графитовый электрод, содержащий альгинат и дрожжевые клетки, затем вымачивали в охлажденном 100 мМ растворе CaCl 2 на 30 мин, чтобы вызвать коагуляцию альгината кальция, и, наконец, промывали 25 мМ фосфатным буфером. Во втором случае платиновый электрод был покрыт наночастицей платины электрохимическим способом на аноде. Для этой платиновой проволоки погружали в 10% раствор гексахлороплатината (IV) водорода в дистиллированной воде (Kanto Chemical Co.) при постоянной подаче 0,2 В с помощью потенциостата Hokuto Denko-151 (Hokuto Denko Corporation, Япония) в течение 30 мин. В третьем случае катод был покрыт нейтрально-красным, как описано Jeon and Park (2010). Вкратце, графитовый войлок сначала пропитывали метанолом, затем погружали в 1% раствор поливинилового спирта на 3-4 часа и сушили в печи при температуре около 80 ° C в течение 24 часов. Затем полностью высушенный графитовый войлок пропитывали чистым хлороформом, содержащим 10% тионилхлорида и 0,01% нейтрального красного, на 6 часов. Затем графитовый войлок оставляли на 12 часов для высыхания на воздухе. Затем его автоклавировали и промывали проточной дистиллированной водой до сохранения цвета. Наконец, его сушили при 60 ° C в течение 24 ч и использовали в качестве катода. Лучшее сочетание систем транспорта электронов среди них было определено на основе более высокого производства этанола.

Производство этанола гидролизатом лигноцеллюлозной биомассы в качестве источника углеводов
Производство этанола из гидролизата

Гидролизат биомассы лигноцеллюлозы с добавкой среды PYN использовали для дальнейшей ферментации с получением этанола.Гидролизаты хранили в камерах ECC. После автоклавирования камеры инокулировали штаммами дрожжей CDBT2 и CDBT7 в анодной и катодной камерах соответственно. Две камеры были разделены нафионовой мембраной. Производство этанола измеряли, как описано выше.

Сравнение производства этанола с помощью нафиона и ацетатцеллюлозной мембраны

Описанные выше эксперименты были повторены в ECC, снабженном мембраной из ацетата целлюлозы для разделения двух камер. Производство этанола измеряли, как указано выше, и сравнивали с теми, которые определялись, когда разделяющей мембраной была нафионная мембрана.

Статистический анализ

Все представленные данные были средним значением трех избыточных данных. Все графики и статистические расчеты были выполнены с помощью Graph Pad Prism 8.0.1. Стандартные ошибки были представлены в виде ± стандартное отклонение (± SD).

Результаты

Оптимизация производства этанола в электрохимической ячейке (ECC)

Стандартные условия, при которых ферментация проводилась в ECC (схема сборки ECC показана на рисунке 1) с использованием различных штаммов дрожжей, были pH 5.5, 30 ° C, бульон PYN с добавлением 5% глюкозы и внешнего источника 4V. Система ферментации, в которой штамм CDBT2 культивировали в анодном отсеке, а штамм CDBT7 в катодном отсеке, оказалась наиболее эффективной для производства этанола, чем культивирование штамма CDBT2 в катодном отсеке и штамма CDBT7 в анодном отсеке (рисунки 2A, B, таблица 1). Сканирующая электронная микроскопия показала образование пленки CDBT7 в графитовом войлочном электроде (рис. 3). Эффективность ферментации была увеличена как в культурах в катодной, так и в анодной камере по сравнению с реакциями ферментации, проводимыми в отсутствие приложенного напряжения.Наблюдался более быстрый и усиленный рост CDBT2 в анодном отсеке (рис. 2С). С другой стороны, рост штамма CDBT2 при культивировании в катодном отсеке был относительно ограниченным. Штамм CDBT7 при культивировании в анодном отсеке показал относительно меньшее усиление продукции этанола (таблица 1). При приложении внешнего напряжения в диапазоне от 0 до 5 В (± 0,1 В), в то время как CDBT2 культивировали в анодном отсеке, а CDBT7 культивировали в катодном отсеке, приложение 4 В произвело наибольшее количество этанола (рис. 2D).Наблюдаемое усиление продукции этанола составило 19,4 ± 0,18%, когда CDBT2 культивировали в анодном отсеке, и 23,7 ± 0,51%, когда CDBT7 культивировали в катодном отсеке. Подача внешнего напряжения через ECC в отсутствие инокулятов дрожжей (отрицательный контроль) не приводила к обнаруживаемым уровням этанола.

Рисунок 2 . Производство этанола в ECC штаммами дрожжей CDBT2 / CDBT7 с подачей 4V извне. (A) Производство этанола в катодной и анодной камерах с помощью CDBT2 и CDBT7 по отдельности. (B) Среднее производство этанола в обеих камерах. (C) Рост клеток и утилизация глюкозы при культивировании CDBT2 в анодной и катодной камерах с и без приложенного внешнего напряжения (нормальный рост — без подачи внешнего напряжения). (D) Влияние приложенного электрического тока на производство этанола CDBT2 и CDBT7. (Контроль: ЕСС без дрожжевой культуры и без источника питания; нормальная ферментация: ЕСС без источника питания).

Таблица 1 .Этанол, продуцируемый CDBT2, и CDBT7, культивируемый в разных компартментах.

Рисунок 3 . Сканирующие электронные микроскопические изображения графитовых войлочных электродов. (A) Плоский графитовый войлок. (B) Катод из графитового войлока после выращивания CDBT7 и производство этанола в катодной камере. (C) Катод из графитового войлока после выращивания CDBT2 и производство этанола в катодной камере.

Сравнение производства этанола различными

S.cerevisiae Штаммы, культивируемые в анодном отсеке, соединенные со штаммом CDBT 7, культивируемые в катодном отсеке

Для определения эффективности производства этанола с использованием различных штаммов S. cerevisiae в ECC, производство этанола контролировали путем культивирования CDBT2, этанолового красного, MKY09 и MKY09-pGPD2 / lac в анодном отсеке против CDBT7 в катодном отсеке. И снова CDBT2 продуцировал наибольшее количество этанола (фиг. 4A) по сравнению с другими штаммами S. cerevisiae .Кроме того, генетическая модификация штамма MKY09 путем трансформации его геном лакказы (MKY09-pGPD2 / lac) не влияла на выработку этанола в ECC, а штаммы MKY09 и MKY09-pGPD2 / lac продуцировали сходные количества этанола. Кроме того, штамм дрожжей CDBT2, культивируемый в анодной камере, связанный со штаммом CDBT7, культивированным в катодной камере, показал усиление продукции этанола с помощью CDBT7 (рис. 4B).

Рисунок 4 . Производство этанола различными штаммами S. cerevisiae , культивированными в анодном отсеке электрохимической ячейки с CDBT7, культивируемым в катодном отсеке: сравнительное исследование. (A) Производство этанола в анодном отсеке. (B) Производство этанола в катодном отсеке.

Влияние различных систем переноса электронов

Влияние дрожжевых культур

Для определения влияния культур дрожжей на системы транспорта электронов штаммы дрожжей CDBT2 и CDBT7 культивировали в ECC в следующих комбинациях; (i) CDBT2 / CDBT2 в анодном / катодном отсеках; (ii) CDBT2 / CDBT7 в анодном и катодном отсеках и (iii) совместное культивирование CDBT2 и CDBT7 в обоих отсеках.В сочетании с CDBT2 / CDBT2 было обнаружено, что штамм дрожжей CDBT2 продуцировал больше этанола в анодном отсеке (15,5 ± 0,14 мг · мл -1 ) по сравнению с катодным отсеком (13,4 ± 0,07 мг · мл -1 ). . Среднее производство этанола в этой комбинации составило 14,4 ± 0,15 мг · мл -1 (таблица 2), а увеличение производства этанола составило 27,5 ± 0,44%. В комбинации CDBT2 / CDBT7 штамм CDBT2 снова продуцировал больше этанола в анодной камере (15,10 ± 0,28 мг · мл -1 ) по сравнению со штаммом CDBT7 в катодном отсеке (12.5 ± 0,50 мг · мл -1 ). Среднее производство этанола в этой комбинации составило 13,8 ± 0,56 мг · мл -1 (рис. 5A, таблица 2), а увеличение производства этанола составило 21,5 ± 0,71%. Когда штаммы CDBT2 и CDBT7 совместно культивировали в обоих отсеках, продукция этанола была значительно ниже по сравнению с отдельными культурами.

Таблица 2 . Производство этанола в КЭП с различными комбинациями анодных и катодных систем для увеличения переноса электронов: резюме.

Рисунок 5 . Производство этанола с использованием различных систем повышения транспорта электронов. (A) Использование дрожжей в различных комбинациях в ECC (A: нормальная ферментация CDBT2; B: CDBT2 / CDBT2 в электрохимической ячейке; C: CDBT2 / CDBT7 в электрохимической ячейке, D: CDBT2 / CDBT7 нормальная ферментация, E: CDBT2 / CDBT7 смешанная культура). (B) Использование графитового электрода, иммобилизованного штаммом дрожжей CDBT7 [A: графитовый катод / Pt анод; B: графитовый катод (иммобилизованный CDBT7) / Pt анод; C: нормальная ферментация CDBT2 / CDBT7; D: нормальная ферментация CDBT2 / CDBT7, иммобилизованная в графите]. (C) Использование электродов, покрытых различными переносчиками электронов (A: нормальный платиновый анод / графитовый катод; B: платиновый анод с платиновым покрытием / графитовый катод; C: нейтральный красный покрытый графитовый катод / платиновый анод; D: нейтральный красный катод с покрытием / Анод с платиновым покрытием).

Эффект иммобилизации дрожжей

Штамм дрожжей CDBT7, иммобилизованный в присутствии альгината кальция на катоде, при использовании для производства этанола в ECC со штаммом CDBT2 в анодном отсеке, продуцировал 12. 6 ± 0,42 мг · мл -1 и 4,95 ± 0,07 мг · мл -1 этанола под действием штаммов CDBT2 и CDBT7 соответственно без приложенного напряжения, т.е. произошло значительное снижение выработки этанола (рис. 5B). При использовании той же системы в ECC с подачей внешнего напряжения (4 В) производство этанола было значительно увеличено. Производство этанола в последнем случае составило 16,1 ± 0,49 мг · мл -1 (CDBT2 в анодном отсеке) и 7,75 ± 0,5 мг · мл -1 (штамм CDBT7 в катодном отсеке), соответственно.Среднее производство этанола составило 11,5 ± 0,70 мг · мл -1 , а увеличение производства этанола составило 36,2 ± 0,54%, чем без подачи напряжения. Однако среднее производство этанола в ECC было меньше, чем без иммобилизации CDBT7 на катоде. Таким образом, иммобилизация не показала лучшего увеличения производства этанола.

Эффект материалов, улучшающих перенос электронов

Покрытие платинового электрода мелкими частицами (наночастицами) платины с использованием гексахлороплатината (IV) и графитового катода нейтральным красным, а также культивирование штамма CDBT2 в анодном отсеке и штамма CDBT7 в катодном отсеке 17. 5 ± 0,01 мг · мл -1 и 17,2 ± 0,01 мг · мл -1 этанола, соответственно (рис. 5C). Наблюдалось значительное увеличение производства этанола (52,8 ± 0,44%) по сравнению с нормальной ферментацией без подачи напряжения (Таблица 2).

Электрохимическое производство этанола из

Saccharum spontaneum Гидролизат

Когда лигноцеллюлозный ( Saccharum spontaneum) гидролизат с 3,3% редуцирующего сахара использовался в качестве субстрата для ферментации в ECC, наблюдалось значительное увеличение производства этанола в анодном (9.0 ± 0,1 мг · мл -1 ; увеличение = 60,8 ± 0,10%), а также в катодных (11,9 ± 0,05 мг · мл -1 ; увеличение = 63,0 ± 0,07%) отсеках со средним увеличением на 61,9 ± 0,12% по сравнению с нормальной ферментацией без подачи напряжения. Производство этанола с помощью CDBT2 и CDBT7 без внешнего источника напряжения составляло 5,6 ± 0,03 и 7,3 ± 0,06 мг · мл -1 , соответственно (рисунок 6, таблица 3). Увеличение количества производимого этанола, когда субстратом ферментации был лигноцеллюлозный гидролизат, было намного выше по сравнению с ферментацией с глюкозой в качестве субстрата в идентичных условиях.Кроме того, когда мембранный барьер был заменен на ацетат целлюлозы вместо нафионовой мембраны, произошло дальнейшее увеличение (6,30 ± 0,22%) производства этанола (рисунок 7, таблица 3).

Рисунок 6 . Производство этанола из лигноцеллюлозного гидролизата ( S. spontaneum , предварительно обработанного горячей водой в течение 2 часов с последующим 0,5 М кислотным гидролизом) в ECC со штаммами CDBT2 и CDBT7, культивированными в анодном и катодном отсеках, соответственно (контроль: ECC без культуры дрожжей и без внешней среды). напряжение питания.Нормальный: ECC с дрожжевой культурой и без внешнего источника питания).

Таблица 3 . Этанол, продуцируемый CDBT2 и CDBT7, культивированный с гидролизатом лигноцеллюлозной биомассы.

Рисунок 7 . Производство этанола из лигноцеллюлозного гидролизата (горячая вода S. spontaneum , предварительно обработанная в течение 2 часов с последующим 0,5 М кислотным гидролизом) в ECC с CDBT2 и CDBT7 в анодном и катодном отсеках, разделенных нафионовой мембраной или мембраной из ацетата целлюлозы.Измерения этанола в культурах определяли через 3,5 дня ферментации.

Обсуждение

S. cerevisiae CDBT2 и W. anomalus CDBT7 штаммы дрожжей были выбраны для исследования, поскольку оба являются хорошими продуцентами этанола, а последний, как было показано, способен превращать ксилозу в этанол. Оптимальные значения pH для производства этанола с использованием штаммов дрожжей CDBT2 и CDBT7 составляли pH 5,5 и температуру 30 ° C соответственно. Условия соответствовали нашим предыдущим экспериментам по оптимизации дрожжевых штаммов CDBT2 (Joshi et al., 2014). Система ECC с CDBT2 в анодном отсеке и CDBT7 в катодном отсеке производила наибольшее количество этанола по сравнению с тестируемой системой с обратным ходом. Это может быть связано с тем, что деформация CDBT7 образует пленку на графитовом катоде, что приводит к быстрому переносу электронов через катод. Это дополнительно подтверждается тем фактом, что (i) изображения поверхности катода на СЭМ ясно показывают образование биопленки CDBT7 (рис. 3), и (ii) использование катода с иммобилизованным CDBT7 привело к значительному увеличению продукции этанола при культивировании в ECC (таблица 2). ) (Тойт и Преториус, 2000).Кроме того, исследование Mohamoud (2014) предполагает, что подача внешнего напряжения увеличивает окислительно-восстановительный потенциал пленки и, таким образом, приводит к увеличению переноса электронов и увеличению производства этанола. Согласно этому исследованию, при подаче электричества на электрод с полианилин / поливиниловым композитом окислительно-восстановительный потенциал пленки увеличивался на 40%. Canelas et al. (2008) наблюдали, что образование этанола требует поддержания соотношений НАД + / НАДН. У здоровых эукариот отношения NAD + / NADH обычно относительно высоки, а диапазон колеблется в широких пределах (60–700). Canelas et al. (2008) также наблюдали, что соотношение NAD + / NADH в цитозоле у ​​ S. cerevisiae в устойчивом и высокодинамичном состоянии колеблется от 101 ± 14 до 320 ± 45, тогда как соотношение NAD + / NADH в цельной клетке составляет 7,5. ± 2,5. Кроме того, было обнаружено, что в S. cerevisiae соотношение НАД + / НАДН снижалось при наличии донора электронов и соотношение увеличивалось в присутствии акцептора электронов. В нашем случае, когда штамм дрожжей культивировали в катодном отсеке, производство этанола увеличивалось, потому что катод был донором электронов, что приводило к большему превращению NAD + в NADH, который направлял преобразование пирувата в этанол.Обратимо, когда штамм дрожжей, культивируемый в анодном отсеке, который является акцептором электронов, преобразовывал НАДН в НАД + , который управлял быстрым превращением глюкозы в пируват, так что мы могли видеть усиление роста и образование этанола. Несмотря на указанные выше соотношения, эукариоты могли выжить, даже когда отношение NAD + / NADH было всего лишь 7–10 (Veech et al., 1972). Входное внешнее напряжение поляризует ионы, присутствующие в цитозоле, и в результате положительно заряженный ион NAD + , связанный с клеточной мембраной, облегчает и ускоряет перенос электронов от катода (Gunawardena et al., 2008; McGillivray and Gow, 2009), таким образом, упрощает доступ для восстановления NAD + до NADH в катоде, что приводит к увеличению производства этанола. Согласно Яу и соавт. (2013) считалось, что приложенное напряжение поляризует ионные заряды в дрожжевых клетках, что может снизить туннельный барьер для переноса электронов во время окисления глюкозы, что приводит к большему количеству пирувата и, следовательно, большему росту клеток и производству этанола.

Пируват, образующийся во время гликолиза, превращается в (i) ацетил-КоА в аэробных условиях у эукариот, (ii) лактат во время гомолактической ферментации у млекопитающих или (iii) этанол во время анаэробной ферментации у дрожжей и бактерий. При подаче внешнего напряжения NAD + непосредственно преобразовывался в NADH, повышая уровень NADH. Известно, что это вызывает дисбаланс в росте дрожжей, который способствует производству этанола, заставляя дрожжи преобразовывать пируват в ацетальдегид, а затем в этанол за счет потребления НАДН. Также было показано, что повышенный уровень НАДН аллостерически ингибирует пируватдегидрогеназу (Harris et al., 2002) и предотвращает превращение пирувата в ацетилкофермент А. Соответственно, пируват может переключаться на образование этанола.Song et al. (2014) показали, что внешний ввод напряжения можно использовать для управления кинетикой метаболизма глюкозы в S. cerevisiae как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Здесь внутриклеточные переносчики электронов, такие как NAD + , NADH и система переноса электронов через трансплазматическую мембрану (tPMET), расположенные в плазматической мембране, играют важную роль для прямого транспорта электронов через клеточную мембрану. Система tPMET состоит из цитохромов и различных окислительно-восстановительных ферментов, таких как НАДН-оксидаза, которая обеспечивает окислительно-восстановительную активность мембраны в определенных участках.

В действительности, для уменьшения отношения NAD + / NADH, необходимое приложенное напряжение составляет около -0,33 В (Veech et al., 1972). В наших экспериментах мы видим, что оптимальное производство этанола было получено при 4 В ± 0,1 В. Мы полагаем, что более высокое напряжение было из-за омического падения, вызванного разработанным ECC. Мэтью и др. (2015) сообщили о постепенном увеличении роста в 1,1 раза и производства этанола в 2 раза при культивировании S. cerevisiae с внешним источником напряжения до 15 В.В нашем исследовании увеличение напряжения выше 4 В снижает производство этанола. Это может быть связано с тем, что повышение напряжения может окислять платину до диоксида платины, который действует как изолятор и снижает активность электрода (Wang et al. , 2006). Точно так же в катоде может иметь место избыточное производство газообразного водорода, что может снизить активность графитового электрода (Hsu et al., 2008). Кроме того, при использовании смешанной культуры штаммов дрожжей CDBT2 и CDBT7 продукция этанола была относительно низкой. Это может быть потому, что когда S.cerevisiae и W. аномальный культивировали вместе, рост W. аномальный мог подавить рост S. cerevisiae , таким образом снизив общее производство этанола (Ruyters et al., 2015).

Steinbusch et al. (2010) сообщили об увеличении более чем в 2 раза производства этанола в присутствии внешнего источника электрического тока, когда ацетат использовался в качестве субстрата для ферментации. He et al. (2016) сообщили о 60.Увеличение производства бутанола на 3% за счет Clostridium spp . когда нейтральный красный использовался как переносчик электронов. He et al. также продемонстрировали, что нейтральный красный увеличивает производство бутанола лучше, чем другие переносчики электронов, такие как виологеновые красители (красители, содержащие пиридиновые группы). Кроме того, нейтральный красный может прочно связываться с клеточными мембранами (Park et al., 1999). Он имеет окислительно-восстановительный потенциал около -0,325 В, который аналогичен окислительно-восстановительному потенциалу НАДН (-0,32 В). Соответственно, нейтральный красный может взаимодействовать с НАДН и, таким образом, повышать уровень НАД + / НАДН, вызывая больше этанола.Уменьшение продукции этанола в иммобилизованной культуре было связано с тем, что иммобилизация снижает диффузию субстрата, и, следовательно, продукция этанола была меньше, чем при нормальном росте, тогда как она увеличивает быстрый перенос электронов на пересечении электрода.

Увеличение производства этанола из-за приложенного внешнего источника напряжения было еще больше, когда в качестве субстрата использовали кислотно-гидролизованный гидролизат Saccharum spontaneum . Это может быть потому, что; NaCl, присутствующий в нейтрализованном гидролизате, может способствовать увеличению производства этанола за счет снижения сопротивления. Фактически, Ян и др. (2015) показали, что при увеличении концентрации NaCl с 5 до 30 г · л -1 в ферментационной среде внутреннее сопротивление системы уменьшается с 2432,0 до 2328,4 Ом. Аналогичным образом Камцев и др. (2018) также отметили, что увеличение концентрации соли увеличивает электрическую проводимость, следовательно, увеличивает поток электронов и снижает сопротивление. Соответственно, повышенная проводимость, вероятно, будет способствовать производству этанола. Повышенное производство этанола из лигноцеллюлозной биомассы также может быть частично связано с присутствием в смеси различных натуральных продуктов / веществ, которые могут способствовать росту штаммов дрожжей.Изменение мембраны из ацетата целлюлозы вместо мембраны нафиона увеличило производство этанола. Последнее может быть связано с транспортом ксилозы через ацетатцеллюлозную мембрану из анодной камеры в катодную, а также со снижением внутреннего сопротивления из-за накопления ионов на поверхности мембраны (Tang et al. , 2010).

Заключение

Таким образом, комбинация штаммов дрожжей S. cerevisiae CDBT2 и W. аномальный CDBT7 эффективно и эффективно продуцирует этанол как из глюкозы, так и из гидролизата лигноцеллюлозной биомассы.Использование штаммов CDBT2 / CDBT7 в ECC эффективно утилизирует редуцирующие сахара, на что указывает почти полное использование редуцирующих сахаров. Производство этанола штаммами дрожжей CDBT2 и CDBT7 может быть увеличено за счет подачи низкого уровня внешнего напряжения. S. cerevisiae CDBT2 был наиболее эффективным при производстве этанола в анодном отсеке, тогда как аномальный штамм дрожжей W. CDBT7 был наиболее эффективным при производстве этанола в катодном отсеке. Дальнейшее увеличение производства этанола наблюдалось, когда КЭП работал с мелкими наночастицами платины, нанесенными на платиновый анод, и нейтральный красный цвет был нанесен на графитовый катод.Предварительно обработанная горячей водой и гидролизованная минеральной кислотой лигноцеллюлозная биомасса (экономичный метод) может использоваться в качестве субстрата для ферментации в ECC со штаммами CDBT2 и CDBT7. Дополнительным преимуществом использования гидролизованной лигноцеллюлозной биомассы было то, что она дополнительно увеличивает производство этанола в ECC. С учетом представленных здесь данных, штамм дрожжей CDBT2 может служить мощным промышленным штаммом для генетической модификации и производства этанола. Одно из ограничений этого исследования — дальнейшее расширение.Мы твердо уверены, что масштабирование этого исследования вполне возможно при наличии большой ячейки электрохимической ферментации и является следующим этапом нашего исследования.

Доступность данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в файлы рукописи / дополнительные файлы.

Авторские взносы

JJ выполнил лабораторные работы и подготовил черновик рукописи. ТБ, LS и AY редактировали рукопись. ПД, БП, ПП, МЫ, ММ, РМ помогали в лабораторных работах.Все авторы отредактировали рукопись и одобрили представленную версию.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Г-н Суджан Бишвокарма, Центральный факультет биотехнологии, Трибхуванский университет, Программа финансирования возобновляемых источников энергии Непала, заслуживает высокой оценки за их поддержку.

Список литературы

Бишвакарма, С. (2017). Гетерологичная экспрессия гена лакказы Ganoderma lucidum в Saccharomyces cerevisiae для деградации лигноцеллюлозной биомассы (M. Sc. Thesis). Университет Трибхувана, регистрационный номер: 5-1-48-301-2007.

Google Scholar

Канелас, А. Б., Ван Гулик, В. М., и Хейнен, Дж. Дж. (2008). Определение соотношения цитозольных свободных НАД / НАДН в Saccharomyces cerevisiae в установившихся и высокодинамичных условиях. Biotechnol. Bioeng. 100, 734–743. DOI: 10.1002 / bit.21813

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хак М., Эпплин Ф. М. (2012). Стоимость производства проса и стоимость производства этанола из проса для нескольких уровней инвестиционных затрат на биоперерабатывающий завод и степени конверсии биомассы в этанол. Биомасса Биоэнергетика 46, 517–530. DOI: 10.1016 / j.biombioe.2012.07.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харрис, Р.А., Боукер-кинли М. М. и Хуанг Б. (2002). Регулирование активности комплекса пируватдегидрогеназы. Adv. Enzyme Regul. 42, 249–259.

PubMed Аннотация | Google Scholar

He, A. Y., Yin, C. Y., Xu, H., Kong, X. P., Xue, J. W., Zhu, J., et al. (2016). Повышенное производство бутанола в ячейке микробного электролиза с помощью Clostridium beijerinckii IB4. Биопроцесс Биосист. Англ. 39, 245–254. DOI: 10.1007 / s00449-015-1508-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрмосилла, Э., Шальчли, Х., Мутис, А., Диез, М.С. (2017). Совместное действие индукторов ферментов и нитрата на селективную деградацию лигнина в соломе пшеницы с помощью Ganoderma lobatum . Environ. Sci. Загрязнение. Res. 24, 21984–21996. DOI: 10.1007 / s11356-017-9841-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hsu, P. C., Seol, S. K., Lo, T. N., Liu, C. J., Wang, C. L., Lin, C. S., et al. (2008). Пузырьки водорода и морфология роста разветвленного цинка при электроосаждении. J. Electrochem. Soc. 155: D400. DOI: 10.1149 / 1.2894189

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чон Б. Ю. и Пак Д. Х. (2010). Улучшение производства этанола за счет электрохимической редокс-комбинации Zymomonas mobilis и Saccharomyces cerevisiae . J. Microbiol. Biotechnol. 20, 94–100. DOI: 10.4014 / jmb.0904.04029

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джоши Б., Бхатт М. Р., Шарма Д., Джоши, Дж., Малла, Р., и Шрирама, Л. (2011). Производство лигноцеллюлозного этанола: современные методы и последние разработки. Biotechnol. Мол. Биол. Ред. 6, 172–182. DOI: 10.1111 / j.1540-8159.2011.03289.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джоши Дж., Бхаттарай Т. и Шрирама Л. (2018). Эффективные методы предварительной обработки для высвобождения восстанавливающих сахаров из лигноцеллюлозной биомассы, произрастающей в Непале, и характеристики предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы. Внутр. J. Adv. Biotechnol. Res. 9, 9–23.

Google Scholar

Джоши, Дж., Шреста, Р., Манандхар, Р., Манандхар, К., Шрирама, Л., и Бхаттараи, Т. (2014). Улучшение производства этанола за счет электрохимической окислительно-восстановительной комбинации дрожжевых клеток. Внутр. J. Biol. Sci. Прил. 1, 46–54. DOI: 10.13140 / RG.2.2.19735.06564

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камцев Дж., Суджанани Р., Янг, Э. С., Ян, Н., Мо, Н., Пол, Д. Р. и др.(2018). Зависимость ионной проводимости ионообменных мембран от концентрации соли. J. Membrane Sci. 547, 123–133. DOI: 10.1016 / j.memsci.2017.10.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Khatiwada, D., and Silveira, S. (2011). Балансы парниковых газов этанола на основе патоки в Непале. J. Clean. Prod. 19, 1471–1485. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2011.04.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэтью, А.С., Ван, Дж., Луо, Дж., И Яу, С. Т. (2015). Повышенное производство этанола за счет электростатически ускоренной ферментации глюкозы с использованием Saccharomyces cerevisiae . Sci. Отчет 5, 1–6. DOI: 10.1038 / srep15713

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макгилливрей А.М., Гоу Н.А.Р. (2009). Применяемые электрические поля поляризуют рост мицелиальных грибов. Microbiology 132, 2515–2525. DOI: 10.1099 / 00221287-132-9-2515

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллер, Г.Л. (1959). Использование реактива динитросалициловой кислоты для определения редуцирующего сахара. Анал. Chem. 31, 426–428.

Google Scholar

Мохамуд, М.А. (2014). Неожиданное повышение окислительно-восстановительного потенциала и электрохимические характеристики псевдоемкости композитных пленок полианилин / поливиниловый спирт (PAn / PVA). Электрохим. Acta 139, 201–208. DOI: 10.1016 / j.electacta.2014.06.174

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Moscoviz, R. , Toledo-Alarcón, J., Трабли, Э., Бернет, Н. (2016). Электро-ферментация: как запустить ферментацию с помощью электрохимических систем. Trends Biotechnol. 34, 856–865. DOI: 10.1016 / j.tibtech.2016.04.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Д. Х., Лайвениекс, М., Геттлер, М. В., Джайн, М. К., и Зейкус, Дж. Г. (1999). Микробиологическое использование электрически восстановленного нейтрального красного в качестве единственного донора электронов для роста и производства метаболитов. Заявл.Environ. Microbiol. 65, 2912–2917.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Руйтерс, С., Мукерджи, В., Верстрепен, К. Дж., Тевелейн, Дж. М., Виллемс, К. А., и Ливенс, Б. (2015). Оценка потенциала диких дрожжей для производства биоэтанола. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 42, 39–48. DOI: 10.1007 / s10295-014-1544-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сайсирират П. и Джуммани Б. (2017). Исследование характеристик топливного элемента с микропрямым этанолом (Micro-DEFC) для применения с портативными электронными устройствами. Energy Proc. 138, 187–192. DOI: 10.1016 / j.egypro.2017.10.148

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schievano, A., Pepé Sciarria, T., Vanbroekhoven, K., De Wever, H., Puig, S., Andersen, S.J., et al. (2016). Электро-ферментация — слияние электрохимии с ферментацией в промышленных применениях. Trends Biotechnol. 34, 866–878. DOI: 10.1016 / j.tibtech.2016.04.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Seo, H.Б., Ким, Х. Дж., Ли, О. К., Ха, Дж. Х., Ли, Х. Й. и Юнг, К. Х. (2009). Измерение концентрации этанола с помощью экстракции растворителем и окисления дихромата и его применение в процессе производства биоэтанола. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 36, 285–292. DOI: 10.1007 / s10295-008-0497-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стейнбуш, К. Дж., Хамелерс, Х. В., Шаап, Дж. Д., Кампман, К., и Байсман, К. Дж. (2010). Биоэлектрохимическое производство этанола путем опосредованного восстановления ацетата смешанными культурами. Environ. Sci. Technol. 44, 513–517. DOI: 10.1021 / es

1e

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан X., Го К., Ли Х., Ду З. и Тиан Дж. (2010). Характеристики мембран микрофильтрации в двухкамерных микробных топливных элементах. Biochem. Англ. J. 52, 194–198. DOI: 10.1016 / j.bej.2010.08.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тойт Д. М., Преториус И. С. (2000). Микробная порча и консервация вина: с помощью оружия из собственного арсенала природы — обзор. S. Afr. J. Enol. Витич. 21, 74–96.

Google Scholar

Вич, Р. Л., Гинн, Р., Велозо, Д. (1972). Динамика воздействия этанола на окислительно-восстановительные и фосфорилирующие состояния печени крыс. Biochem. J. 127, 387–397. DOI: 10.1042 / bj1270387

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Х. , Кумар Р. и Майерс Д. Дж. (2006). Влияние напряжения на растворение платины. Electrochem. Sol.State Lett. 9, A225 – A227. DOI: 10.1149 / 1.2180536

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг Э., Чой М. Дж., Ким К. Ю., Чаэ К. Дж. И Ким И. С. (2015). Влияние начальных концентраций соли на производительность клеток и распределение внутреннего сопротивления в микробных опреснительных клетках. Environ. Technol. 36, 852–860. DOI: 10.1080 / 09593330.2014.964333

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Яу, С. Т., Сюй, Ю., Сонг, Ю., Фэн, Ю., и Ван, Дж. (2013). Катализируемое ферментом преобразование глюкозы в глюконолактон с регулируемым напряжением с использованием полевого ферментативного детектора. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 20134–20139. DOI: 10.1039 / c3cp52004h

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

7.2 Производство этанола из сахарного тростника | EGEE 439: Альтернативные виды топлива из источников биомассы

7.

2 Производство этанола из сахарного тростника

Производство этанола из кукурузы будет рассмотрено в следующем разделе; этот раздел будет посвящен производству этанола из сахарного тростника.Итак, что нужно сделать, чтобы получить сахар из сахарного тростника?

Первый шаг — уборка сахарного тростника. Большая часть сбора урожая выполняется вручную, особенно во многих тропических регионах. Некоторые уборки производятся механическим способом. Затем материал быстро транспортируется грузовиком, чтобы уменьшить потери.

Затем трость разрезают и фрезеруют в воде. В результате получается сок с содержанием твердых веществ 10-15%, из которого извлекается сахароза. Сок содержит нежелательные органические соединения, которые могут вызвать так называемую инверсию сахара (гидролиз сахара до фруктозы и глюкозы).Это приводит к стадии осветления, чтобы предотвратить инверсию сахара.

На стадии осветления сок нагревают до 115 ° C и обрабатывают известью и серной кислотой, которая осаждает нежелательные неорганические вещества.

Следующим этапом производства этанола является этап ферментации, на котором смешивают сок и мелассу, чтобы получить 10-20% раствор сахарозы. Ферментация экзотермическая; следовательно, охлаждение необходимо для поддержания реакции в условиях ферментации. Дрожжи добавляются вместе с питательными веществами (азотом и микроэлементами), чтобы дрожжи продолжали расти.Ферментация может происходить как в реакторах периодического действия, так и в реакторах непрерывного действия, хотя в Бразилии в основном используются реакторы непрерывного действия.

На рис. 7.4 показана схема одного из процессов производства этанола, а также вариант производства сахара-рафинада. Сахарный тростник содержит следующее: воду (73-76%), растворимые твердые вещества (10-16%) и сухую клетчатку или жмых (11-16%). Чтобы получить два основных продукта, этанол и сахар, требуется ряд физических и химических процессов, которые происходят в 7 этапов.

Рисунок 7.4: Схема процесса сахарного тростника для производства этанола и сахара.

Щелкните здесь, чтобы просмотреть текстовую альтернативу рисунку 7.4

Вот список семи стадий процесса производства сахарного тростника, за которыми следует пошаговое объяснение семи стадий:

Стадия 1: экстракция
Стадия 2: Обработка сока (ведущая к сахару)
Стадия 3: Обработка сока (с получением этанола)
Этап 4: Многофункциональный испаритель
Этап 5: Кристаллизация, сушка
Этап 6: Ферментер
Этап 7: Дистилляция этанола
Объяснение семи этапов, начинающихся с сахарного тростника:

Этап 1 (экстракция) дает сок [также производит жом].Сок отправляется на два возможных этапа: этап 2 (в конечном итоге приводящий к сахару) или этап 3 (в конечном итоге приводящий к этанолу).
На втором этапе производится очищенный сок [также производится пирог].
Этап 3 производит очищенный сок. Очищенный сок из стадии 3 направляется на стадию 6 (ферментер), а очищенный сок из стадии 2 направляется на стадию 4 (многоэффектный испаритель).
Результатом этапа 4 (многоэффектный испаритель) является сироп [на этом этапе также образуется пар]. Этот сироп распространяется по нескольким возможным направлениям.
Вариант 1. Сироп заканчивается на этапе 5 (кристаллизация, сушка), где сироп становится сахаром [или субпродуктами].
Вариант 2. Сироп проходит стадию 5 (кристаллизация, сушка), где сироп становится патокой, а затем переходит на стадию 6 (ферментер).
Вариант 3. Сироп сразу поступает на стадию 6 (ферментер).
Результатом этапа 6 (ферментер) является вино. Вино отправляется на этап 7.
Результатом этапа 7 (дистилляция этанола) является этанол [на этом этапе также образуются субпродукты].

Итак, зачем производить и сахар, и этанол? Оба являются товарными продуктами, поэтому цена и рынок продукта могут диктовать, сколько каждого продукта нужно производить. Так устроены бразильские заводы по производству этанола. Для обеспечения экономичности процесса все продукты, даже побочные продукты, каким-либо образом утилизируются.

Как отмечалось ранее, одним из основных побочных продуктов переработки является сухое волокно, также известное как жом. Багасса также является побочным продуктом переработки стеблей сорго.Чаще всего жмых сжигают для выработки тепла и энергии для обработки. Преимущество сжигания жома заключается в снижении потребности во внешней энергии, что, в свою очередь, также снижает чистый углеродный след и улучшает чистый энергетический баланс процесса. При переработке кукурузы производится побочный продукт, который можно использовать в качестве корма для животных, называемый зерном дистилляторов, но этот материал также можно сжигать для обеспечения технологического тепла и энергии. На Рис. 7.5 показана установка для сжигания жмыха. Главный недостаток сжигания жома — высокое содержание воды; высокое содержание воды снижает выход энергии и является проблемой для большинства источников биомассы по сравнению с ископаемыми видами топлива, которые имеют более высокую плотность энергии и более низкое содержание воды.

Багасса (см. Рис. 7.6) может найти другое применение. Состав жмыха: 1) целлюлоза, 45-55%, 2) гемицеллюлоза, 20-25%, 3) лигнин, 18-24%, 4) минералы, 1-4%, и 5) воски, <1%. . Благодаря содержанию целлюлозы его можно использовать для производства бумаги и биоразлагаемых бумажных продуктов. Обычно его возят на небольших грузовиках, которые выглядят так, как будто из них растут «волосы».

Рисунок 7.5: Сахарный завод Usina Santa Elisa в Сертаозиньо, Бразилия. Жмых, побочный продукт производства сахара, можно сжигать для получения энергии или превращать в этанол.

Рисунок 7.6: Багасса.

Еще одна культура, которая имеет некоторое сходство с сахарным тростником, — это сорго. Сорго — это вид травы, один из видов выращивается на зерно, а многие другие используются в качестве кормовых растений (корма для животных). Эти растения выращивают в более теплом климате и произрастают в тропических и субтропических регионах. Сорго двухцветное — это мировая культура, которая используется в пищу (в виде зерна и сиропа сорго или патоки), в качестве корма для животных, для производства алкогольных напитков и биотоплива. Большинство сортов сорго устойчивы к засухе и жаре даже в засушливых регионах и используются в качестве основного продукта питания для бедных и сельских общин. На рисунке 7.7 показано поле сорго.

Рис. 7.7: Сорго, выращиваемое в Миссисипи.

США могут использовать несколько альтернативных источников сахара для производства этанола; оказывается, что кукуруза является наименее дорогим и, следовательно, наиболее прибыльным кормом и способом производства этанола. В таблице 7.1 показано сравнение различных видов сырья, которое можно использовать для производства этанола, а также затраты на сырье, производственные затраты и общие затраты.Если вы посмотрите на использование сахара для производства этанола (из различных источников), вы увидите, что затраты на его переработку низкие, но цены на сырье высоки. Однако в Бразилии затраты на корм для сахарного тростника значительно ниже, чем в других странах. Обратите внимание, что данные за 2006 год.

Таблица 7. 1: Сводка оценочных затрат на производство этанола ($ / галлон) a (Источник: Министерство сельского хозяйства США по развитию сельских районов)
Статья затрат Затраты на сырье b Затраты на обработку Итого затраты
UC Мокрый помол кукурузы 0.40 0,63 1,03
UC Сухой помол кукурузы 0,53 0,52 1,05
Сахарный тростник США 1,48 0,92 2,40
США Сахарная свекла 1,58 0,77 2,35
Патока США c 0,91 0,36 1.27
Сахар-сырец США c 3,12 0,36 3,48
Сахар-рафинад США c 3,61 0,36 3,97
Бразилия Сахарный тростник d 0,30 0,51 0,81
ЕС Сахарная свекла d 0,97 1,92 2. 89

a Без капитальных затрат

b Затраты на сырье для мокрого и сухого помола кукурузы в США представляют собой чистые затраты на сырье; сырье для сахарного тростника и сахарной свеклы в США составляет валовые затраты на сырье

c Без транспортных расходов

d Среднее значение опубликованных оценок

Насколько это было плохо? • farmdoc daily

В 2019 году промышленность по производству этанола в США столкнулась с серьезными проблемами, в том числе с низкими ценами на этанол и сушеное дистилляционное зерно (DDGS) и продолжающимися сбоями в политике при реализации RFS.Было несколько хороших новостей с предоставлением круглогодичного отказа от RVP для E15, но немедленный эффект был в лучшем случае скромным. Воздействие этих встречных ветров на прибыль от производства этанола, безусловно, представляет интерес для тех, кто работает в отрасли этанола, а также для политиков и законодателей, заинтересованных в финансовом здоровье промышленности возобновляемых источников топлива в США. Целью данной статьи является оценка рентабельности производства этанола в США в 2019 году с использованием той же базовой модели репрезентативного завода по производству этанола в Айове, которая использовалась в более ранних статьях farmdoc daily на эту тему (например,г., 1 февраля 2017 г .; 14 марта 2018 г .; 13 февраля 2019 г.).

Анализ

Как отмечалось выше, модель типичного завода по производству этанола в Айове используется для отслеживания рентабельности производства этанола. Модель предназначена для представления «среднего» завода по производству этанола, построенного в середине 2000-х годов. Несомненно, существуют значительные различия в мощности и эффективности производства в отрасли, и это следует иметь в виду при просмотре оценок прибыли по модели. Некоторые из допущений модели включают:

  • Завод сухой мельницы, построенный в 2007 г.
  • Производственная мощность 100 миллионов галлонов этанола в год
  • Стоимость строительства завода 2 $. 11 на галлон производственной мощности этанола
  • 40% заемное и 60% долевое финансирование
  • 25% годовых по 10-летнему кредиту для заемного финансирования; кредит полностью погашен в 2017 году
  • В общей сложности фиксированные затраты 0,21 доллара США на галлон этанола, произведенного до 2017 г., и 0,15 доллара США за галлон в 2018-2019 гг.
  • Переменные затраты, не связанные с кукурузой и природным газом (включая денатурант), в размере 0,21–0,26 доллара США за галлон в 2007-2011 гг.
  • Переменные затраты, не связанные с кукурузой и природным газом, без денатуранта, равные 0 долл. США.16 — 0,17 доллара США за галлон после 2011 г.
  • Переменные затраты денатуранта после 2011 г., рассчитанные как 2 процента от оптовой цены CBOB
  • 30 кубических футов природного газа на галлон этанола
  • 80 галлонов этанола (включая денатурант) произведено на бушель кукурузы, переработанной до 2014 г .; 2,85 галлона этанола на бушель кукурузы на 2015-2018 годы; и 2,90 галлона этанола на бушель кукурузы в 2019 году.
  • На бушель переработанной кукурузы произведено 16 фунтов DDGS; 16,25 фунта DDGS на бушель кукурузы на 2015-2018 годы; и 16.5 фунтов DDGS на бушель кукурузы в 2019 году.
  • 0,55 фунта кукурузного масла на бушель обработанной кукурузы (начиная с января 2012 г.)
  • Нетбэк (маркетинговые) затраты составляют 0,05 доллара за галлон этанола и 4 доллара за тонну DDGS.

Обратите внимание, что некоторые из вышеперечисленных предположений изменились по сравнению с предыдущими статьями farmdoc daily о рентабельности производства этанола. Во-первых, предполагалось, что первоначальная ссуда на строительство будет выплачена в 2017 году, поэтому процентные расходы по ссуде больше не являются частью постоянных затрат, начиная с 2018 года.Во-вторых, чтобы отразить повышение эффективности с течением времени, коэффициент конверсии кукурузы / этанола увеличен с 2,80 галлона этанола на бушель кукурузы в 2007–2014 годах до 2,85 галлона в 2015–2018 годах и снова увеличен до 2,90 галлона в 2019 году. также предполагается процентное увеличение производства DDGS на бушель кукурузы. См. Обсуждение ниже, чтобы увидеть доказательства, оправдывающие эти изменения коэффициентов конверсии.

Для отслеживания рентабельности завода с течением времени, еженедельные цены на этанол и DDGS на заводах по производству этанола в Айове собираются, начиная с конца января 2007 года.Цены на кукурузное масло для Среднего Запада можно узнать в OPIS. Стоимость природного газа на 2007-2013 годы рассчитана на основе ежемесячных промышленных цен штата Айова, доступных в EIA. С января 2014 года промышленные цены в Айове сообщались только время от времени, и когда они сообщались, они не соответствовали исторической зависимости от ближайших фьючерсных цен на природный газ. Следовательно, для оценки затрат на природный газ, начиная с января 2014 года, используется регрессионная зависимость между ближайшими фьючерсными ценами на природный газ и стоимостью природного газа за 2007-2013 годы.

На рисунке 1 представлены три компонента выручки завода на галлон — этанол, DDGS и кукурузное масло — на еженедельной основе с 26 января 2007 г. по 3 января 2020 г. На диаграмме показано, что цены на этанол (за вычетом чистых маркетинговых затрат) начались. 2019 год на исторически низких уровнях в 1,25 доллара за галлон, вырос до пика в 1,52 доллара в конце июня, а затем в остальное время колебался в диапазоне между этими двумя крайностями. Цены на DDGS испытали крайнюю волатильность в 2019 году, при этом цены начинались примерно с 1 года.Цена на этанол в 3 раза выше, но к середине года цена на этанол упала всего в 0,8 раза. Общая выручка в 2019 году составила 1,73 доллара на галлон, почти столько же, сколько в среднем 1,72 доллара на галлон в 2018 году. На рисунке 2 показаны четыре основных компонента затрат на производство этанола. Стоимость кукурузы — это основные производственные затраты, в настоящее время в среднем около 80 процентов переменных и постоянных затрат. Цена на кукурузу росла в течение 2019 года со значительным скачком в мае и июне. Рост цен на кукурузу привел к увеличению средних общих переменных затрат на 2019 год до 1 доллара. 60 за галлон по сравнению с 1,53 доллара в 2018 году.

На Рисунке 3 представлены оценки прибыли от производства этанола (до вычета налогов) за вычетом всех переменных и постоянных затрат. Чистая прибыль в 2019 году составила в среднем убыток -0,02 доллара на галлон по сравнению с прибылью в 0,05 доллара в 2018 году. Структура чистой прибыли в 2019 году можно разделить на два отдельных периода. Средний чистый убыток с января по сентябрь составил — 0,05 доллара за галлон. Чистая прибыль с октября по декабрь в среднем составила 0,07 доллара за галлон. Хотя улучшение показателей в последнем квартале стало долгожданной передышкой для производителей этанола, в конце года рентабельность снова стала отрицательной.Глубина потерь, понесенных в середине 2019 года, показана на Рисунке 4, на котором показана рыночная цена этанола на заводах (за вычетом маркетинговых затрат) и цена закрытия типичного завода. Цена закрытия равна переменным затратам за вычетом доходов, не связанных с этанолом (DDGS и кукурузное масло). Рыночная цена находилась в пределах 0,10 доллара за галлон ниже уровня остановки на большую часть лета. Неудивительно, что в 2019 году некоторые заводы по производству этанола были отключены.

Не было недостатка в спорах о причинах убытков, понесенных производителями этанола в 2019 году.Одно из объяснений, которому отдают предпочтение многие в индустрии этанола, — это влияние исключений для малых нефтеперерабатывающих заводов (SRE), предоставленных Агентством по охране окружающей среды США в соответствии со Стандартом по возобновляемым видам топлива (RFS). Хотя нет сомнений в том, что SRE открыли черный ход для EPA, чтобы уменьшить законодательно установленные и обязательные объемы биотоплива RFS, данные, представленные в нескольких предыдущих статьях farmdoc daily , показывают, что физическое использование этанола немного снизилось из-за SRE. (13 сентября 2018 г .; 13 декабря 2018 г .; 16 января 2019 г .; 24 января 2019 г .; 31 января 2019 г.).Основное свидетельство в поддержку вывода о том, что SRE не «уничтожили» внутренний спрос на этанол, можно найти на Рисунке 5, на котором показана совокупная ежемесячная скорость смешивания этанола в США с января 2007 года по октябрь 2019 года. (предполагаемой) скорости смешения от месяца к месяцу, нет свидетельств снижения средней скорости смешения с течением времени из-за воздействия SRE. Хотя верно то, что SRE могли предотвратить такой рост скорости смешения, как это могло бы происходить в противном случае в последние годы, SRE не вызвали снижения общей скорости смешения.

Более правдоподобным объяснением потерь производителей этанола в 2019 году со стороны спроса является резкое падение чистого экспорта. На рисунке 6 показан ежемесячный чистый экспорт (экспорт — импорт) этанола в США за период с января 2010 года по октябрь 2019 года. Без особой помпезности чистый экспорт этанола за период с января по октябрь 2019 года упал на 340 миллионов галлонов по сравнению с тем же периодом 2018 года. Это связано с одновременным сокращением экспорта на 206 миллионов галлонов и увеличением импорта на 134 миллиона галлонов.Чувствительность цен на этанол и прибыли от торговли этанолом была задокументирована в более ранних статьях farmdoc daily (например, 11 июня 2014 г. ).

Еще одним вероятным источником потерь в производстве этанола является расширение производственных мощностей. Расширение производственных мощностей с 2014 года выразилось в строительстве нескольких новых заводов и повышении эффективности производства на существующих заводах. На рисунке 7 показаны показатели повышения эффективности на заводах по производству этанола в США.S. Он показывает совокупный ежемесячный коэффициент конверсии этанола на бушель кукурузного и сорго исходного сырья с октября 2014 года по октябрь 2019 года. Данные о сырье собраны из отчета Министерства сельского хозяйства США по дроблению зерна и производству побочных продуктов. Обратите внимание, что совокупный коэффициент конверсии в 2014 и 2015 годах составлял в среднем около 2,80, а затем начал неуклонно расти, достигнув за последние месяцы почти 3,00. С начала и до конца этого периода выборки коэффициент конверсии увеличился на 5,7 процента.Для сравнения, если бы коэффициент конверсии остался на уровне 2,80, производство этанола в 2019 году, вероятно, было бы примерно на 600 миллионов галлонов меньше. Это добавленное производство этанола за счет повышения эффективности, безусловно, способствовало снижению цен на этанол и прибыли в 2019 году.

Наконец, также полезно рассмотреть агрегированную рентабельность производства этанола за годовой горизонт за 2007-2019 годы, как показано на Рисунке 8. Прибыль представлена ​​как в виде общей чистой прибыли до налогообложения, так и в процентах от прибыли на капитал.Чистый убыток за 2019 год в размере — 1,6 миллиона долларов стал первым годовым убытком с 2012 года и только четвертым годовым убытком за период с 2007 по 2019 год. Это положило конец череде шести лет подряд положительной прибыли для типичного завода по производству этанола. С учетом убытка 2019 года общая совокупная (до налогообложения) прибыль для акционеров за период 2007-2019 годов составляет 129,7 млн ​​долларов, что немного больше, чем предполагаемые инвестиции в акционерный капитал для типичного завода в размере 126,6 млн долларов. Мы можем использовать средний чистый убыток для типичного завода, чтобы сделать приблизительную оценку прибыли для всего U. Промышленность этанола в 2019 году. Предполагая, что все заводы в отрасли получили чистый убыток в размере -0,02 доллара на галлон и что общее производство этанола в США в 2019 году составило 15,7 миллиарда галлонов, совокупные потери этанольной промышленности (до налогообложения) можно оценить в размере — 314 миллионов долларов.

Процентный доход для акционеров дает полезную информацию о привлекательности инвестиций в заводы по производству этанола по сравнению с другими инвестициями. Средняя доходность за период 2007–2019 гг. Составила 7,9%, а стандартное отклонение — показатель риска — 12.5 процентов. Для сравнения: средняя доходность фондового рынка за этот период, измеренная S&P 500, составила 10,4 процента, а соответствующее стандартное отклонение — 18,1 процента. Отношение средней доходности к стандартному отклонению является мерой привлекательности инвестиций с учетом риска возврата инвестиций, и по этому показателю коэффициент инвестиций в этанол, равный 0,63, по-прежнему выгодно отличается от отношения для фондового рынка в целом, равного 0,57. Это обеспечивает важный контекст при рассмотрении убытков, понесенных производителями этанола в 2019 году.Даже с учетом этого убытка, включенного в данные, заводы по производству этанола демонстрируют солидные показатели инвестиционной деятельности за последние 13 лет.

Последствия

Индустрия этанола в 2019 году испытала первый убыточный год с 2012 года, завершив тем самым шестилетнюю серию положительных прибылей. Предполагаемый убыток типичного завода по производству этанола в Айове в 2019 году составил 1,6 миллиона долларов. Несмотря на большие убытки, убытки в 2019 году все же были намного меньше, чем убытки в размере -6,7 млн ​​долларов в 2012 году. Доказательства указывают на сочетание резкого падения чистого экспорта этанола и повышения эффективности производства как движущих сил, вызвавших низкие цены и понесенные финансовые убытки. производителями этанола в течение 2019 г.Состояние индустрии этанола в США, вероятно, не улучшится, пока производство и использование не будут сбалансированы. Это потребует закрытия некоторых производственных мощностей, дополнительного спроса или их комбинации. Наиболее оптимистичный сценарий — это дополнительный спрос на экспорт этанола из США в рамках торговой сделки Фазы 1 с Китаем.

Список литературы

«Годовая доходность акций, облигаций и векселей: 1928 г. — текущая дата». Получено Дамодараном А. из базы данных Федеральной резервной системы в Санкт-Петербурге.Луи (ФРЕД). Последнее обновление 5 января 2019 г., по состоянию на 28 января 2020 г. http://pages.stern.nyu.edu/~adamodar/New_Home_Page/datafile/histretSP.html

Ирвин, С. «Насколько тяжелым был 2018 год для прибыли от производства этанола?» farmdoc daily (9): 26, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 13 февраля 2019 г.

Ирвин С. «Понимание цены E85 по сравнению с E10». farmdoc daily (9): 17, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 31 января 2019 г.

Ирвин С. «Что стоит за ростом использования E85?» farmdoc daily (9): 13, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 24 января 2019 г.

Ирвин, С. «Исключения для малых нефтеперерабатывающих заводов и снижение спроса на E85». farmdoc daily (9): 8, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 16 января 2019 г.

Ирвин, С. «Подробнее об исключениях для малых нефтеперерабатывающих заводов и сокращении спроса на этанол» farmdoc daily (8): 228, Департамент экономики сельского хозяйства и потребительской экономики, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн, 13 декабря 2018 г.

Ирвин, С. «Исключения для малых нефтеперерабатывающих заводов и снижение спроса на этанол». farmdoc daily (8): 170, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 13 сентября 2018 г.

Ирвин С. «Что произошло с рентабельностью производства этанола в 2017 году?» farmdoc daily (8): 45, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 14 марта 2018 г.

Ирвин С. «Рентабельность производства этанола в 2016 году.” farmdoc daily (7): 18, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 1 февраля 2017 г.

Ирвин С. и Д. Гуд. «Почему цены на этанол и прибыль от производства такие высокие?» farmdoc daily (4): 108, Департамент сельского хозяйства и экономики потребления, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, 11 июня 2014 г.

этанол целлюлозный | биотопливо | Britannica

целлюлозный этанол , биотопливо второго поколения, которое производится путем преобразования растительности, непригодной для потребления человеком, в этиловый спирт (этанол).В то время как в биотопливе первого поколения используется пищевое сырье, такое как кукуруза (кукуруза), целлюлозный этанол можно производить, используя сырье, такое как древесина, трава или непищевые части растений. Все виды биотоплива являются возобновляемыми, но целлюлозный этанол оказывает меньшее влияние на пищевую цепочку, чем биотопливо первого поколения, поскольку его можно производить из сельскохозяйственных отходов или из энергетических культур, выращиваемых на землях, которые лишь незначительно используются для производства продуктов питания. Однако степень превращения сырья в конечный продукт у целлюлозного этанола ниже, чем у биотоплива первого поколения, и без улучшений в технологии производства целлюлозный этанол может стать топливной добавкой, а не заменой нефти.

Использование обычного сырья в качестве основного компонента биотоплива первого поколения вызвало споры «еда против топлива», в которых ставилась под сомнение ценность биотоплива первого поколения как экологически чистой альтернативы нефти. Утверждалось, что при отвлечении пахотных земель и кормов от пищевой цепи человека производство биотоплива окажет прямое влияние на цены на продукты питания для потребителей. Критики биотоплива утверждали, что по мере роста спроса на сырье фермеры будут продавать свой урожай более высокооплачиваемым производителям биотоплива, а не своим традиционным покупателям, что приведет к нехватке продовольствия и быстрому росту цен. Хотя после внедрения биотоплива первого поколения действительно произошел глобальный рост цен на продовольствие и нехватка продовольствия, особенно в 2007 и 2008 годах, сторонники утверждают, что это можно объяснить ростом цен на нефть, а не производством биотоплива. В ходе этих дебатов целлюлозный этанол появился в 2006 году как альтернатива этанолу первого поколения, поскольку он может использовать отходы и непищевые растения, выращенные на земле более низкого качества. Многие энергетические культуры также требовали меньше удобрений, чем пищевые культуры, используемые для производства этанола первого поколения.

Изучите процесс производства биотоплива E10 из таких культур, как пшеница, ячмень, сахарная свекла и кукуруза.

Узнайте о E10, бензиновой смеси, содержащей 10 процентов этанола.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц Просмотреть все видео для этой статьи

Поскольку очень немногие страны, такие как Бразилия, имеют географию и климат, позволяющие производить достаточно целлюлозного этанола для полного перехода от нефти к биотопливу, многие страны предпочитают смешивание нефтяной и целлюлозный этанол. Большинство смесей содержат 5–10 процентов целлюлозного этанола, поэтому их можно использовать в современных автомобилях без модификации двигателя.

Изучите рост производства биотоплива на основе этанола в США и его обратную сторону

Обзор производства биотоплива на основе этанола в Соединенных Штатах.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видео к этой статье

Целлюлозный этанол производится из лигноцеллюлозной биомассы, которая в основном состоит из целлюлозы и лигнина, содержащихся в сухом растительном веществе.Лигноцеллюлозную биомассу обычно можно разделить на чистую биомассу естественных растений, биомассу отходов промышленного и сельскохозяйственного производства и энергетические культуры, которые выращиваются специально для производства целлюлозного этанола. Большая часть целлюлозного этанола производится из отходов биомассы, особенно из жмыха сахарного тростника, и из энергетических культур, таких как просо ( Panicum virgatum ). Чтобы превратиться в биотопливо, лигноцеллюлозная биомасса должна быть предварительно обработана, а затем гидролизована кислотой или ферментами для разложения целлюлозы на простые сахара.Затем эти сахара подвергаются микробной ферментации с образованием этанола, который перегоняется до чистоты около 95 процентов. Целлюлозный этанол также можно производить путем газификации, в результате которой образуется газовая смесь водорода, монооксида углерода и диоксида углерода, которая затем ферментируется или химически катализируется до этанола.

Одна из многих проблем, связанных с производством целлюлозного этанола, заключается в том, что коэффициент конверсии ниже, чем у биотоплива первого поколения, а это означает, что для производства того же объема этанола требуется больше сырья.Ферменты, используемые для гидролиза, также дороги и являются одним из основных факторов, ограничивающих рентабельность технологии. Чтобы повысить эффективность этого этапа процесса, проводятся исследования альтернативных методов преобразования, модифицированных ферментов и новых энергетических культур.

Целлюлозный этанол продолжает оставаться политически популярным во многих частях мира, включая США, Бразилию и Европейский Союз, и рекламируется как возможное решение проблемы энергетической независимости, а также как метод повторного использования некоторых отходов.В некоторых странах, в том числе в Соединенных Штатах, есть законодательство, требующее от производителей топлива добавлять определенный процент биотоплива в свою продукцию. Такое законодательство является одним из основных рыночных факторов роста рынка, делая технологию уязвимой перед экономическим спадом или законодательными колебаниями, которые могут серьезно повлиять на ее будущее. Биотопливо также является сильно субсидируемым источником энергии и, вероятно, не сможет конкурировать на текущем рынке без государственной субсидии. Хотя возможно, что затраты на производство целлюлозного биотоплива однажды будут ниже, чем затраты на производство нефти, такое изменение потребует резкого роста цен на ископаемое топливо, а также более низких производственных затрат.

Опубликовано в категории: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.