Производство спирта из опилок в домашних и промышленных условиях

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.

Советы по использованию биотоплива и правила хранения

Биогаз, брикеты хорошо подойдут для отопления жилища, приготовления пищи, послужат источником питания для работы переделанного под газ бензинового электрогенератора или самодельного двигателя Стирлинга. Древесный уголь пригодится при использовании мангала. Жидкое биотопливо позволяет использовать керосиновые лампы, примусы без привычной копоти, а также является идеальным средством для заправки биокаминов.

Технологии изготовления биотоплива не предусматривают длительного хранения. Жидкое топливо в сравнительно короткий период насыщается водой, пеллеты и брикеты отсыревают и расслаиваются, крошатся. Желательно полученное биотопливо тут же использовать.

Как уже указывалось выше, использование биотоплива лишено каких-либо недостатков. Основные недочёты возникают по причине несовершенства конструкций установок по его производству.

Выбор сырья и источников его поставки

Из предыдущего вопроса плавно вытекает другой, не менее важный, – выбор видов используемого для производства сырья и источников его получения.
Изготовление спирта путем перегона браги может осуществляться на основе разнообразного сырья. В первую очередь, это сахар. Его производительность является максимальной: 10 кг такого сырья дает примерно 5-5,5 кг готового продукта, то есть чистого спирта.

Однако оно является и наиболее дорогим. Помимо сахара, можно использовать различные крахмалосодержащие продукты: зерновые (рис, кукуруза), а также сахарную свеклу и фрукты (яблоки, виноград, сливы и др.). Возможно также производство спирта из картофеля. Из пшеницы можно получить до 3 литров спирта, а из свеклы/картошки и фруктов всего около литра.

В любом случае выбор достаточно велик. Кроме того, использовать можно сразу несколько различных источников, а также смешивать бражки, полученные из различных компонентов. Это несущественно, если вы производите технический спирт. Но при изготовлении питьевого спирта, а тем более высокого качества (категории экстра и выше), такое смешивание недопустимо. Сырье должно быть качественным (а не подгнившие или мороженые фрукты, свекла и т. д.) и односоставным.

Выбор вида производимого спирта и каналов сбыта: кому, как, для каких целей

Спирт используется в самых различных отраслях: как пищевыми предприятиями (для производства алкогольной продукции и не только), так и фармацевтическими, химическими и другими заводами. Нуждаются в нем и производители косметики, парфюмерии и прочего. Потребность в данном продукте высока, а потому выбрать можно то направление, которое вам более интересно.
Кроме того, принимая решение о том, какой вид спирта производить – технический или же питьевой, следует произвести анализ данного рынка в своем регионе. Не удивляйтесь, если найдутся крупные конкуренты: бизнес все-таки выгодный. Поэтому сделайте качественный обзор основных каналов сбыта и сопоставьте планируемые объемы производства с существующим спросом. Возможно, придется выводить свою продукцию в другие ближайшие регионы, а это уже дополнительные затраты (в частности, транспортные) и новые конкуренты.

Возможно и то, что вы сами в дальнейшем захотите расширить свой бизнес, и производство спирта перерастет в нечто большее, например, в винно-водочный завод. Это вполне себе осуществимая и перспективная идея, так как конечный продукт (алкогольная продукция) значительно дороже, чем стоимость чистого спирта. А при соблюдении надлежащего уровня производства и качества выпускаемого продукта потребитель найдется всегда.

Оценив все основные моменты (конкуренты, каналы сбыта, перспективы развития), определяйтесь с видом спирта, который будете производить, и переходите к следующему вопросу. А связан он с выбором сырья и поиском источников снабжения.

Технологическая схема комплексной переработки древесины

Технологическая схема комплексной переработки древесины состоит из следующих стадий: гидролиз древесины, нейтрализация и очистка гидролизата; сбраживание гидролизного сусла, перегонка гидролизной бражки.

Измельченную древесину подвергают гидролизу разбавленной серной кислотой при нагревании под давлением. При гидролизе гемицеллюлозы и целлюлоза разлагаются. Гемицеллюлозы превращаются в гексозы: глюкозу, галактозу, маннозу и пентозы: ксилозу и арабинозу; целлюлоза – в глюкозу. Лигнин при гидролизе остается в виде нерастворимого остатка.

Промышленное получение спирта

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:

• Рабочие емкости изнутри выкладывают кислотоупорным материалом для исключения контакта кислоты с металлом.
• Загруженные в бункеры вещества нагревают с помощью подачи внутрь горячего пара. Выпускным клапаном для пара регулируют внутреннее давление рабочей емкости.
• Гидролиз с успехом применяют для переработки опилок любых пород древесины.
• Полученная после химической реакции глюкоза используется для дальнейшего изготовления спирта, метанола, сахара.
• Рабочий процесс сопровождается выделением опасных газов. Для безопасности работников производственные помещения обязаны проветриваться, а сам персонал работает в специальных защитных респираторах и очках.

При производстве биотоплива из древесных опилок, получают побочные вещества, способные принести дополнительную прибыль:

• Лигнин – связующее вещество для получения пеллет и евродров из опилок и других измельченных материалов, активный наполнитель для пластмасс и синтетических каучуков.
• Фурфурол – жидкость, используемая как антисептик для древесины и компонент противогрибковых медикаментов. Также применяется для очистки масел и нефти, производства пластмасс, получения гербицидов, синтетических волокон и красителей. Другие свойства и перспективные варианты применения фурфурола изучаются.
• Скипидар.
• Алебастр.

Что такое водка

Водка – это чистая сортировка, то есть смесь спирта и воды. В отличие от дистиллятов, например, виски, водка не может иметь характерного запаха сырья, а свой особый водочный аромат получает в результате очистки. Традиционно крепость водки 40 градусов, однако ценители и исследователи отмечают, что организм человека лучше воспринимает крепость 38 или, например, 42. В целом же ГОСТ 12712-2013 «Водки и водки особые. Общие технические условия» определяет крепость водки от 37,5 до 56.

Качество определяется категорией спирта, который используется в процессе приготовления водки. Всего есть четыре степени очистки спирта, различаются они исходным сырьем и степенью очистки:

• Альфа. Зерна , и их смеси. Метилового спирта не более 0,003%
• Люкс. Смеси зерна и картофеля, содержание крахмала не более 35%. Метилового спирта не более 0,03%.
• Экстра. Смеси зерна и картофеля, содержание крахмала не более 60%. Метилового спирта не более 0,03%.
• Высшей очистки. Смеси картофеля, свеклы, сахара-сырца. Метилового спирта не более 0,05%

Наиболее качественным и чистым спиртом является спирт категории «Альфа». Однако в домашнем производстве сырьё для водки не играет ключевой роли. При работе на ректификаторе можно добиться высочайшей чистоты спирта практически на любом сырье, а любой аромат полностью исчезает.

Особенно это касается ароматных водок, например, анисовой или можжевеловой. Аромат этих трав все равно будет безоговорочно доминировать, поэтому можно делать и на обычном сахаре.

Плюсы и минусы использования самодельного биотоплива

Большинство видов биологического топлива производится промышленным способом с использованием специального оборудования. Естественно, что попытка применить данные технологии жителю частного домовладения или начинающему фермеру может оказаться не под силу. При использовании других, на первый взгляд, более технически простых способов получения топлива из биоматериалов, возникают трудности с обеспечением пожарной безопасности, защиты от отравления ядовитыми, легковоспламеняющимися веществами при работе с сырьём для биотоплива. По этой причине жителям села, фермерам, дачникам начинать свою новаторскую деятельность желательно не с холодного ядерного синтеза, а с чего-то попроще. Например, уже есть рабочие модели получения биогаза, древесного угля, брикетирования отходов и опилок для каминов и биокаминов, работы двигателей внутреннего сгорания на древесном газе.

Самостоятельное производство и использование биотоплива имеет смысл при доступной дешёвой сырьевой базе, обладающей энергетической ценностью, но находящейся состоянии, непригодном для использования без предварительной переработки или подготовки. Если посмотреть на этот вопрос шире, то к данному типу можно отнести воду, опилки, силос, льяльные воды и т. д., которые, с одной стороны, обладают энергетической ценностью, но с другой — высвободить тепловую энергию при отсутствии специального оборудования затруднительно.

Преимущества

К очевидным положительным сторонам производства и использования самодельного биологического топлива с позиции частного лица относятся:

• доступность сырья
• дешевизна
• простота изготовления.

У некоторых видов биотоплива (биодизель, биогаз) присутствуют схожие с аналогичными промышленными образцами показатели удельной теплоёмкости, температуры сгорания, антидетонационные свойства, экологичность. Для жителя сельской местности, держащего хозяйство, фермера, плотника или столяра раздобыть опилки, силос, навоз намного проще и дешевле чем бензин, дизельное топливо, уголь или дрова. В большинстве случаев народные умельцы используют уже опробованные и достаточно безопасные технологии.

Недостатки

Использование биотоплива обладает следующими недостатками:

• некоторые минусы связаны непосредственно с производством самодельных видов биотоплива: отсутствие автоматических систем контроля за давлением и температурой предъявляет повышенные требования к используемому оборудованию и его установке
• само оборудование для производства биологического топлива не сертифицировано, изготавливается, как правило, кустарным способом местным «левшой»
• некоторые получаемые вещества (биометан, угарный газ) являются ядовитыми
• топливо обладает низкой плотностью, концентрацией, а потому подлежит немедленному использованию, так как по прошествии времени расслаивается и впитывает влагу, превращаясь в эмульсию.