Гидролизный спирт что это такое
Спирт из древесины (гидролизный спирт)
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.
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.
Производство спирта из опилок в домашних и промышленных условиях
Ограниченность запасов добываемых топливных ресурсов подталкивает человечество к поиску, выявлению и освоению альтернативных способов получения энергии. Наиболее перспективным направлением подобных изысканий становится получение замены газу и нефти из возобновляемых источников растительного происхождения. После биологической или термохимической обработки растительной массы получают биотопливо. 
Одним из вариантов жидкого биотоплива является спирт из опилок. Такой способ применения отходов деревообработки – опилки – заменяет картофель и зерно при производстве спиртов. Для использования в получении спирта, 1 кг опилок равносилен 1 кг картофеля или 0,3 кг зерна. Очевидно, что такая замена сырья помогает сберечь в государственных масштабах огромные объемы пищевого сырья и освободить дополнительные площади для сельскохозяйственного производства.
Как сделать спирт из опилок
«Строительным» материалом растительных клеток дерева является твердая волокнистая клетчатка (целлюлоза). Ее содержание в растениях доходит до 70%. В клетчатке много полисахаридов, которые при определенном химическом воздействии переходят в глюкозу. Из последней после сбраживания и перегонки получают спирт. Значит, биомасса мелких опилок и древесной стружки из отходов превращается в ценное сырье для производства спирта – этанола или бутанола.
Промышленное получение спирта
Производство спирта из древесных опилок на промышленной основе осуществляется двумя способами гидролиза. При любом из них опилки не требуют дополнительной подготовки, кроме максимально возможного измельчения.
В первом случае опилки в вертикальном бункере заливаются концентрированным (40%) раствором серной кислоты. Массовые объемы опилок и раствора равны. Смесь герметично закрытого бункера доводят до температуры 220-250°С и регулярно перемешивая выдерживают от 1 ч до 1 ч 20 мин. Затем полученные при гидролизе растворы глюкозы и серной кислоты сцеживают. К слитой в другую емкость жидкости добавляют раствор мела для нейтрализации кислоты. Последующей фильтрацией отделяют раствор глюкозы от отходов.
Метод не стал распространенным из-за высокой стоимости и повышенных требований к материалу применяемого оборудования, который должен выдерживать агрессивное воздействие концентрированной серной кислоты.
При втором, менее затратном, способе применяется слабый (0,5-1,0%) раствор кислоты. Процесс протекает 1,2-1,5 ч при температурах 160-190°С и давлении в бункере до 15 атм.
Общие моменты для рассмотренных методов гидролиза:
При производстве биотоплива из древесных опилок, получают побочные вещества, способные принести дополнительную прибыль:
Очистка раствора глюкозы
Процесс очистки проходит поэтапно:
Домашний способ получения спирта
Получить спирт из опилок можно в домашних условиях, и также двумя способами.
Первый способ не требует наличия сложного оборудования, но является очень долгим (иногда неудачным) процессом, занимающим до 2-х лет. Собранные в кучу опилки поливают водой и оставляют преть под пленкой. Внутри кучи начинает повышаться температура и создаются условия для активизации процесса гидролиза с последующим получением глюкозы из клетчатки опилок. Технология дальнейшего использования глюкозы для брожения и получения спирта общеизвестна.
Второй способ копирует заводскую технологию. Сначала самостоятельно или на заказ делают уменьшенные аналоги промышленных установок. В качестве материала для них используют только нержавеющую сталь. Она стойкая к агрессивному воздействию слабого кислотного раствора.
Содержимое установки нагревают с помощью змеевика с циркулирующим разогретым паром (может применяться воздух) или на открытом огне. Регулируя внутреннее давление рабочей камеры, запускают процесс гидролиза. Рекомендуемые значения для эффективности протекания химической реакции – 7-10 атм.
Далее, как и при заводском производстве, из раствора механическим методом удаляется лигнин, затем нейтрализуется кислота и раствор отстаивается для оседания карбонатов. После очистки раствор глюкозы готов для последующего сбраживания.
Брожение и перегонка
При последующем брожении глюкоза разлагается на спирт и углекислый газ. Для активизации процесса в домашних и промышленных условиях к раствору глюкозы добавляются дрожжи. Температура окружающей среды и порода древесины определяет время брожения – 5-14 суток. Окончание брожения определяется по значительному снижению интенсивности выделения газа. Визуально это характеризуется малым количеством поверхностной пены из пузырьков с углекислотой.
Последний технологический процесс – перегонка. Полученный жидкий материал нагревают до 70-80°С и выходящий пар охлаждают до выпадения спиртового конденсата. Для охлаждения пара, его пропускают через змеевик, который имеет водяное или воздушное наружное охлаждение.
Остатки перегонки – скипидар и дрожжевая масса, пригодная для повторного сбраживания следующей партии рабочего раствора и приготовления кормовых дрожжей для животноводческих фермерских хозяйств.
Применение биотоплива
Биотопливо из опилок – биоэтанол – применяют для двигателей разнообразной техники. При такой замене бензину работа агрегата улучшается, увеличивается его мощность, снижается температура нагрева при нагрузках, увеличивается эксплуатационный ресурс поршней и клапанов, так как при сгорании спирта нет сажи и дыма.
Этанол сделал возможным использование каминов в квартирах многоэтажек без привычного дымохода. Теплопотери при обогреве отсутствуют, дым и сажа не образуются, количество выделяемого углекислого газа незначительное.
Как сделать спирт из опилок: все способы получения биотоплива
Опилки – ценное сырье для производства различных спиртов, которые можно использовать в качестве горючего.
На таком биотопливе могут работать:
Основная проблема, которую приходится преодолевать при изготовлении биотоплива из опилок – это гидролиз, то есть превращение целлюлозы в глюкозу.
Основа у целлюлозы и глюкозы одна – углеводороды. Но для превращения одного вещества в другое необходимы различные физические и химические процессы.
Как получить спирт из опилок?
Основные технологии для преобразования опилок в глюкозу можно поделить на два типа:
Вне зависимости от способа гидролиза, опилки необходимо максимально измельчить. Для этого применяют различные дробилки.
Чем меньше размер опилок, тем более эффективным будет разложение древесины на сахар и другие компоненты.
Найти более подробную информацию об оборудовании для измельчения опилок вы сможете здесь: Оборудование для переработки древесных отходов. Никакой другой подготовки опилки не требуют.
Промышленный способ
Опилки засыпают в вертикальный бункер, затем заливают раствором серной кислоты (40 %) в соотношении 1:1 по массе и, закрыв герметично, нагревают до температуры 200–250 градусов.
В таком состоянии опилки держат 60–80 минут, постоянно перемешивая.
За это время проходит процесс гидролиза и целлюлоза, впитывая воду, распадается на глюкозу и другие составляющие.
Полученное в результате этой операции вещество процеживают, получая смесь раствора глюкозы с серной кислотой.
Очищенную жидкость сливают в отдельную емкость и смешивают с раствором мела, который нейтрализует кислоту.
Затем все отфильтровывают и получают:
Недостаток этого метода в:
поэтому широкого распространения он не получил.
Существует и менее затратный метод, в котором используют раствор серной кислоты крепостью 0,5–1 %.
Однако для эффективного гидролиза необходимы:
Время протекания процесса 70–90 минут.
Оборудование для такого процесса можно изготовить из менее дорогих материалов, ведь столь разбавленный раствор кислоты менее агрессивен, чем тот, который применяют в описанном выше методе.
А давление в 15 атмосфер не является опасным даже для обычного химического оборудования, ведь многие процессы также проходят при высоком давлении.
Для обоих методов применяют стальные, герметично закрывающиеся емкости объемом до 70 м³, выложенные изнутри кислотоупорным кирпичом или плиткой.
Такая футеровка защищает металл от контакта с кислотой.
Нагревают содержимое емкостей, подавая в них раскаленный пар.
Сверху устанавливают спускной клапан, который настраивают на необходимое давление. Поэтому излишки пара выходят в атмосферу. Остальной пар создает необходимое давление.
В обоих методах задействован один и тот же химический процесс. Под воздействием серной кислоты целлюлоза (C6H10O5)n впитывает воду H2O и превращается в глюкозу nC6H12O6, то есть смесь различных сахаров.
После очистки эту глюкозу используют не только для получения биотоплива, но и для производства:
Оба метода позволяют перерабатывать древесину любых пород, поэтому являются универсальными.
В качестве побочного продукта переработки опилок в спирт получают лигнин – вещество, склеивающее:
Поэтому лигнин можно продавать предприятиям и предпринимателям, которые занимаются производством пеллет и брикетов из отходов древесины.
Еще один побочный продукт гидролиза – фурфурол. Это маслянистая жидкость, эффективный антисептик для обработки древесины.
Фурфурол также применяют для:
В процессе обработки опилок кислотой выделяются ядовитые газы, поэтому:
Выход глюкозы по массе составляет 40–60 % от веса опилок, но с учетом большого количества воды и примесей вес продукта в несколько раз больше исходного веса сырья.
Лишняя вода будет удалена в процессе перегонки.
Кроме лигнина побочными продуктами обоих процессов являются:
которые можно продать, получив какую-то прибыль.
Очистка раствора глюкозы
Очистку проводят в несколько этапов:
Вот здесь описан технологический цикл переработки древесины на гидролизном заводе в городе Тавда (Свердловская Область).
Домашний способ
Этот способ проще, но занимает в среднем 2 года. Опилки насыпают большой кучей и обильно поливают водой, после чего:
Температура внутри кучи поднимается и начинается процесс гидролиза, в результате которого целлюлоза превращается в глюкозу, которую можно использовать для брожения.
Минус этого метода в том, что при низкой температуре активность процесса гидролиза снижается, а при отрицательной полностью прекращается.
Поэтому такой метод эффективен лишь в теплых регионах.
Кроме того, велика вероятность перерождения процесса гидролиза в гниение, из-за чего получится не глюкоза, а ил, а вся целлюлоза превратится в:
Иногда в домах строят установки, подобные промышленным. Их изготавливают из нержавеющей стали, которая без последствий выдерживает воздействие слабого раствора серной кислоты.
Нагревают содержимое таких аппаратов с помощью:
Закачивая в емкость пар или воздух и отслеживая показания манометра, регулируют давление в емкости. Процесс гидролиза начинается при давлении в 5 атмосфер, но наиболее эффективно протекает при давлении 7–10 атмосфер.
Затем так же, как и при промышленном производстве:
После этого раствор глюкозы отстаивают и сбраживают с добавлением дрожжей.
Брожение и перегонка
Для брожения в раствор глюкозы добавляют обычные дрожжи, которые активизируют процесс брожения.
Эту технологию используют как на предприятиях, так и при получении спирта из опилок в домашних условиях.
Время брожения 5–15 дней, в зависимости от:
Процесс брожения контролируют по количеству образования пузырьков углекислого газа.
Во время брожения происходит такой химический процесс – глюкоза nC6H12O6 распадается на:
После окончания брожения материал подвергают перегонке – нагреву до температуры 70–80 градусов и охлаждению отходящего пара.
При такой температуре из раствора испаряются:
а вода и водорастворимые примеси остаются.
используют змеевик, погруженный в холодную воду или охлаждаемый холодным воздухом.
Для увеличения крепости готового продукта его перегоняют еще 2–4 раза, постепенно снижая температуру до значения 50–55 градусов.
Крепость полученного продукта определяют с помощью спиртометра, который оценивает удельную плотность вещества.
В качестве биотоплива можно использовать продукт перегонки с крепостью не менее 80 %. В менее крепком продукте слишком много воды, поэтому техника будет работать на нем неэффективно.
Хотя спирт, полученный из опилок, очень похож на самогон, его нельзя использовать для питья из-за большого содержания метанола, который является сильным ядом. Кроме того, большое количество сивушных масел портит вкус готового продукта.
Чтобы очистить от метанола, необходимо:
После перегонки остаются:
Они более питательны и полезны, чем зерно любых злаковых культур, поэтому их охотно покупают фермерские хозяйства, разводящие крупный и мелкий скот.
Применение биотоплива
По сравнению с бензином у биотоплива (спирта, полученного из переработанных отходов) есть как преимущества, так и недостатки.
Вот основные преимущества:
Благодаря высокому октановому числу можно увеличить степень сжатия, повысив мощность и экономичность мотора.
Меньшая температура сгорания:
Благодаря отсутствию серы, биотопливо не загрязняет воздух и не сокращает срок службы моторного масла, ведь оксид серы окисляет масло, ухудшая его характеристики и снижая ресурс.
Благодаря значительно менее высокой цене (если не считать акцизы), биотопливо серьезно экономит семейный бюджет.
Есть у биотоплива и недостатки:
Биотопливо повреждает резиновые уплотнители, поэтому во время переделки мотора для работы на спирту все резиновые уплотнители меняют на полиуретановые детали.
Из-за меньшего соотношения топливо-воздух для нормальной работы на биотопливе необходима перенастройка топливной системы, то есть установка жиклеров большего сечения в карбюратор или перепрошивка контроллера инжектора.
Из-за слабой испаряемости затруднен пуск холодного двигателя при температуре ниже плюс 10 градусов.
Чтобы решить эту проблему, биотопливо разбавляют бензином в соотношении 7:1 или 8:1.
Для работы на смеси бензина и биотоплива в соотношении 1:1 никакой переделки двигателя не требуется.
Если же спирта будет больше, то желательно:
Шлифовка необходима для увеличения степени сжатия, что позволит реализовать более высокое октановое число. Без такой переделки двигатель будет терять в мощности при добавлении в бензин спирта.
Если же биотопливо используют для электрогенераторов или бытовых бензиновых приборов, то желательна замена резиновых деталей на полиуретановые.
В таких устройствах можно обойтись без шлифовки головки, потому что небольшая потеря мощности компенсируется увеличением подачи топлива. Кроме того, потребуется перенастройка карбюратора или инжектора, это сможет сделать любой специалист по топливным системам.
Более подробно о применении биотоплива и переделке моторов для работы на нем читайте в этой статье (Применение биотоплива).
Выводы
Производство спирта из опилок – сложный процесс, который включает в себя массу операций.
Если есть дешевые или бесплатные опилки, то, заливая биотопливо в бак своего автомобиля, вы серьезно сэкономите, ведь его производство обходится заметно дешевле бензина.
Теперь вы знаете, как получить спирт из опилок, применяемый в качестве биотоплива и как это можно сделать в домашних условиях.
Кроме того, вы узнали о побочных продуктах, которые возникают в процессе переработки опилок в биотопливо. Эти продукты также можно продать, получив пусть и небольшую, но все же выгоду.
Благодаря этому бизнес по производству биотоплива из опилок становится весьма выгодным, особенно если использовать топливо для собственного транспорта и не платить акцизный сбор на продажу спирта.
листья вместо опилок подойдут?
Здравствуйте, подойдут, но только свежесобранные и не обработанные химическими, бактериологическими или иными препаратами. Поэтому городские или садовые листья использовать нельзя, а вот лесные можно. Но только свежесобранные, без гнили, иначе патогенные микроорганизмы подавят спиртообразующие бактерии и вместо сбраживания пойдет процесс гниения, с его помощью нельзя получить спирт.
Гидролиз в результате которого получают глюкозу, которая в свою очередь уже участвует в процессе брожения проходит при температуре 190-200 С. Какие патогенные микроорганизмы угнетающие грибки дрожжей при такой температуре могут выжить?
Здравствуйте, Олег. В промышленном производстве наиболее важным является сокращение времени переработки без потери эффективности, поэтому опилки обрабатывают кислотой и нагревают. Естественно, что при такой температуре никакие патогенные микроорганизмы не выживают. Но вот при домашнем изготовлении наиболее важным является простота процесса, потому что не каждый захочет не только тащить кислоту в дом или сарай, но и использовать герметичную емкость из нержавейки, работающую при высоком давлении, ведь самодельное устройство может взорваться. Поэтому нередко используют естественный процесс гидролиза, протекающий при температуре 40-60 градусов. Такой процесс занимает не один десяток месяцев, зато нет никакого риска взрыва и химического ожога. А вот вероятность размножения патогенных микроорганизмов очень высока, ведь опилки — это целлюлоза и лигнин, идеальное питание для многих видов живых микроорганизмов. С такими вредителями все справляются по-разному, но основным способом активизации правильного процесса распада древесины является обработка материала препаратами, содержащими соответствующие бактерии. Чем раньше они начнут действовать, чем быстрей захватят территорию, тем лучше смогут противостоять конкурентам. Нередко удается нормально превратить опилки в глюкозу даже без обработки такими препаратами, однако приходится часто ворошить кучу, регулируя ее влажность. В общем, каждый, кто сам использует такой процесс, ищет наиболее эффективный в его условиях способ поддержки нужных микроорганизмов и подавления деятельности вредителей.