"Древесина, древесные опилки, бумага" и тому подобные материалы состоят в значительной степени из целлюлозы. Целлюлоза – это полимер, построенный из соединенных друг с другом молекул глюкозы. В результате гидролиза целлюлозы можно разорвать химические связи между молекулами глюкозы (такой процесс происходит не обязательно в жестких условиях при высокой температуре – он идет, например, в пищеварительном тракте коровы и других жвачных животных). Остается подвергнуть полученный раствор глюкозы очистке, а потом ферментации – брожению. В результате брожения микроорганизмы (вернее, их ферменты) превращают глюкозу в этиловых спирт (а также в ряд других соединений, в том числе в высшие спирты – так называемые сивушные масла). Для получения более чистого этилового спирта следует полученную смесь очистить – ректификацией, активированным углем и т.п. Таким образом в промышленности и получают этиловый спирт, который называется гидролизным. В принципе его можно очистить и до состояния питьевого спирта, затратив соответствующее количество денег и усилий.
Вы в лесу. Вокруг теснятся толстые и тонкие стволы деревьев. Для химика все они состоят из одного и того же материала — древесины, основной частью которой является органическое вещество — клетчатка (C6H10O5) х. Клетчатка образует стенки клеток растений, т. е. их механический скелет; довольно чистую мы её имеем в волокнах хлопчатой бумаги и льна; в деревьях она встречается всегда вместе с другими веществами, чаще всего с лигнином, почти такого же химического состава, но обладающего иными свойствами. Элементарная формула клетчатки C6H10O5 совпадает с формулой крахмала, свекловичный сахар имеет формулу C12H22O11. Отношение числа атомов водорода к числу атомов кислорода в этих формулах такое же, как и в воде: 2:1. Поэтому эти и им подобные вещества в 1844 г. были названы «углеводами», т. е. веществами, как бы (но не на самом деле) состоящими из углерода и воды.
Углевод клетчатка имеет большой молекулярный вес. Молекулы её представляют длинные цепи, составленные из отдельных звеньев. В отличие от белых зёрен крахмала, клетчатка представляет прочные нити и волокна. Это объясняется различным, теперь точно установленным, структурным строением молекул крахмала и клетчатки. Чистая клетчатка в технике зовётся целлюлозой.
В 1811 г. академик Кирхгоф сделал важное открытие. Он взял обыкновенный крахмал, полученный из картофеля, и подействовал на него разбавленной серной кислотой. Под действием H2SO4 произошёл гидролиз крахмала и он превратился в сахар:
Эта реакция имела важное практическое значение. На ней основано крахмало-паточное производство.
Но ведь клетчатка имеет ту же самую эмпирическую формулу, что и крахмал! Значит, из неё тоже можно получить сахар.
Действительно, в 1819 г. было впервые осуществлено и осахаривание клетчатки с помощью разбавленной серной кислоты. Для этих целей можно применять и концентрированную кислоту; русский химик Фогель в 1822 г. получил сахар из обычной бумаги, действуя на неё 87-процентным раствором H2SO4.
В конце XIX в. получение сахара и спирта из дерева стало интересовать уже и инженеров-практиков. В настоящее время спирт из целлюлозы получают в заводских масштабах. Способ, открытый в пробирке учёного, стад осуществляться в больших стальных аппаратах инженера.
Читайте также: Что такое ниппель на колесе
Посетим гидролизный завод. В огромные варочные котлы (перколяторы) загружают опилки, стружки или щепу. Это — отходы лесопильных или деревообрабатывающих предприятий. Раньше эти ценные отходы сжигались или просто выбрасывались на свалку. Через перколяторы непрерывным током проходит слабый (0,2—0,6%) раствор минеральной кислоты (чаще всего серной). Долго держать одну и ту же кислоту в аппарате нельзя: содержащийся в ней сахар, полученный из древесины, легко разрушается. В перколяторах давление 8—10 ат, а температура 170—185°. При этих условиях гидролиз целлюлозы идёт значительно лучше, чем при обычных условиях, когда процесс весьма затруднителен. Из перколяторов получают раствор, содержащий около 4% сахара. Выход сахаристых веществ при гидролизе достигает 85 % от теоретически возможного (по уравнению реакции).
Дальше сахарный раствор поступает на сбраживание в спирт с помощью дрожжей, с чем мы уже знакомы. Так из дерева получают этиловый спирт. Он называется гидролизным спиртом.
Рис. 8. Наглядная схема получения гидролизного спирта из древесины.
Для Советского Союза, имеющего необозримые лесные массивы и неуклонно развивающего промышленность синтетического каучука, получение спирта из древесины представляет особый интерес. Ещё в 1934 г. XVII съезд ВКП(б) постановил всемерно развивать производство спирта из опилок и отходов бумажной промышленности. Первые советские гидролизно-спиртовые заводы начали регулярно работать с 1938 г. За годы второй и третьей пятилеток у нас были построены и пущены заводы по выработке гидролизного спирта — спирта из древесины. Этот спирт в настоящее время всё в больших количествах перерабатывается в синтетический каучук. Это — спирт из непищевого сырья. Каждый миллион литров гидролизного этилового спирта освобождает для питания около 3 тыс. тонн хлеба или 10 тыс. тонн картофеля и, следовательно, около 600 га посевной площади. Для получения этого количества гидролизного спирта нужно 10 тыс. тонн опилок с 45-процентной влажностью, что может дать за год работы один лесопильный завод средней производительности.
В советское время, кто еще помнит, много шутили на тему спирта, приготовленного из опилок. Ходили слухи, будто после войны дешевую водку делали как раз на основе «опилочного» алкоголя. В народе этот напиток получил название – «сучок».
Вообще, разговоры о производстве спирта из опилок возникли, конечно же, не на пустом месте. Такой продукт действительно производился. Назывался он «гидролизным спиртом». Сырьем для его производства действительно были опилки, точнее – целлюлоза, извлекаемая из отходов лесной промышленности. Выражаясь строго научно – из непищевого растительного сырья. По приблизительным расчетам, из 1 тонны древесины можно было получить около 200 литров этилового спирта. Это будто бы позволяло заменить 1,5 тонны картофеля или 0,7 тонн зерна. Применялся ли такой спирт на советских лекеро-водочных заводах, неизвестно. Производился он, понятное дело, для сугубо технических целей.
Читайте также: Лада ларгус с акпп цена
Надо сказать, что производство технического этанола из органических отходов уже давно будоражит воображение ученых. Можно найти литературу XIX века, где обсуждаются возможности получения спирта из самого разнообразного сырья, в том числе и непищевого. В XX веке эта тема зазвучала с новой силой. В 1920-го годы ученые в Советской России даже предлагали делать спирт из… фекалий! Было даже шутливое стихотворение Демьяна Бедного:
Ну настали времена,
Что ни день, то чудо:
Водку гонят из говна –
По три литра с пуда!
Русский ум изобретет
В зависть всей Европы –
Скоро водка потечет
В рот из самой жопы…
Впрочем, идея с фекалиями так и осталась на уровне шутки. А вот к целлюлозе отнеслись серьезно. Помните, в «Золотом теленке» Остап Бендер рассказывает иностранцам о рецепте «табуреточного самогона». Дело в том, что с целлюлозой «химичили» уже тогда. Причем, надо заметить, извлекать ее можно не только из отходов лесной промышленности. Отечественное сельское хозяйство ежегодно оставляет огромные горы соломы – это тоже прекрасный источник целлюлозы. Не пропадать же добру. Солома – источник возобновляемый, можно сказать – даровой.
Есть только в этом деле одна загвоздка. Помимо нужной и полезной целлюлозы в одревесневших частях растений (а таковыми, в том числе, является и солома) содержится лигнин, который усложняет весь процесс. Из-за наличия в растворе этого самого лигнина практически невозможно получить нормальную «бражку», поскольку сырье не осахаривается. Лигнин тормозит развитие микроорганизмов. По этой причине требуется «подкормка» – добавление нормального пищевого сырья. Чаще всего в этой роли выступает мука, крахмал или патока.
От лигнина, конечно же, можно избавиться. В целлюлозо-бумажной промышленности это традиционно делается химическим путем, например, с помощью обработки кислотой. Вопрос только в том, куда его потом девать? В принципе, из лигнина можно получить неплохое твердое топливо. Горит он хорошо. Так, в Институте теплофизики СО РАН даже разработали соответствующую технологию сжигания лигнина. Но, к сожалению, тот лигнин, что остается от нашего целлюлозо-бумажного производства, в качестве топлива непригоден из-за содержащейся в нем серы (последствия химической обработки). Если его сжигать – получим кислотные дожди.
Есть и другие способы – обрабатывать сырье перегретым паром (лигнин при высоких температурах плавится), проводить экстракцию органическими растворителями. Кое-где именно так и делают, однако эти способы очень затратные. В условиях плановой экономики, где все затраты брало на себя государство, можно было работать и таким способом. Однако в условиях рыночной экономики получается так, что овчинка, образно говоря, не стоит выделки. И при сопоставлении затрат выходит, что куда дешевле обходится производство технического спирта (по-современному – биоэтанола) из традиционного пищевого сырья. Все зависит от того, в каких количествах вы располагаете таким сырьем. У американцев, например, имеет место перепроизводство кукурузы. Куда проще и выгоднее излишки пустить на производство спирта, чем транспортировать ее на другой континент. В Бразилии, как мы знаем, излишки сахарного тростника также используются в качестве сырья для производства биоэтанола. В принципе, в мире не так уж мало стран, где спирт заливают не только в желудок, но и в бак автомобиля. И все было бы неплохо, если бы некоторые известные мировые деятели (в частности, кубинский лидер Фидель Кастро), не выступили против такого «несправедливого» использования сельхозпродукции в условиях, когда в некоторых странах люди страдают от недоедания, а то и вообще умирают с голоду.
Читайте также: Как подключить тахометр к мотоциклу
В общем, идя навстречу филантропическим пожеланиям, ученые, работающие в сфере производства биоэтанола, должны искать какие-то более рациональные, более совершенные технологии переработки непищевого сырья. Примерно десять лет назад специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН решили пойти другим путем – использовать для этих целей механохимический способ. Вместо известной химической обработки сырья или нагревания они стали применять особую механическую обработку. Для чего были сконструированы специальные мельницы и активаторы. Суть метода такова. Благодаря механической активации целлюлоза переходит из кристаллического состояния в аморфное. Это облегчает работу ферментов. Но главное здесь то, что сырье в процессе механической обработки разделяется на различные частички – с разным (большим или меньшим) содержанием лигнина. Потом уже – благодаря разным аэродинамическим характеристикам этих частичек – их легко отделить друг от друга с помощью специальных установок.
На первый взгляд, все очень просто: размололи – и дело с концом. Но только на первый взгляд. Если бы действительно все было так просто, то уже во всех странах мололи бы солому и прочие растительные отходы. На самом деле здесь необходимо найти правильную интенсивность, чтобы сырье разделилось на отдельные ткани. В противном случае у вас получится однообразная масса. Задача ученых – как раз найти здесь необходимый оптимум. И оптимум этот, как показывает практика, достаточно узкий. Можно и перестараться. В том-то, надо сказать, и заключается работа ученого, чтобы выявить золотую середину. Причем, здесь необходимо учитывать и экономические аспекты – а именно, отработать технологию так, чтобы затраты на механихимическую обработку исходного сырья (каким бы дешевым оно ни было) не сказались на себестоимости производства.
В лабораторных условиях уже получены десятки литров замечательного спирта. Самым впечатляющим выглядит тот момент, что спирт получен из обычной соломы. Причем – без применения кислоты, щелочей и перегретого пара. Главное подспорье тут – «чудо-мельницы», сконструированные спецами Института. В принципе, уже ничто не мешает перейти и к промышленным образцам. Но это уже – другая тема.
Вот он – первый отечественный биоэтанол из соломы! Пока еще в бутылях. Дождемся ли, когда его начнут производить цистернами?
Источник: