За матеріалами статті на тему «Виробництво цукру та біоетанолу з цукрових буряків та жому» («Production of beet sugar and bio-ethanol from sugar beet and its bagasse») журналу «Міжнародний журнал інженерних тенденцій та технологій» («International Journal of Engineering Trends and Technology») №4, січень 2017 р.

Енергетична перспектива

Одна з відмінностей між виробництвом бурякового та тростинного цукру полягає у споживанні та виробництві енергії з точки зору побічних продуктів. За відносно короткий період, протягом якого цукрові буряки збираються та надходять на переробку, завод із виробництва бурякового цукру працює в середньому лише 90 днів на рік. А завод із переробки цукрової тростини працює довше, оскільки після виробництва цукру-сирцю протягом приблизно 5 місяців процес його рафінування може відбуватися на тому ж заводі та тривати ще декілька місяців. Відповідно, витрати на виробництво бурякового цукру значно нижчі, порівняно з тростинним цукром, а виробництво побічних продуктів, таких як меляси (патоки), жому та твердих частинок цукрових буряків з легкістю компенсують значну частину цих витрат.

Паливна здатність та аналіз виробництва палива з цукрових буряків

Цукрові культури, включаючи цукрову тростину (Saccharum оfficinarum), цукровий буряк (Beta vulgaris) та цукрове сорго (Sorghum bicolor L. Moench) є гарною сировиною для виробництва відновлюваних джерел енергії через їх доступність, оскільки вони є культурами, які мають високий вміст цукру та забезпечують найвищий вихід цукру з гектару.

Цукровий буряк містить велику кількість сахарози, яка легко ферментується за допомогою багатьох мікроб, а також є одним із найбільш ефективних джерел виробництва етанолу. Виробництво біоетанолу з цукрових буряків зменшує викиди парникових газів у повітря, порівняно з кукурудзою чи тростиною. У процесі ферментації також можна отримати й інші види біопалива, включаючи біометанол, біобутанол, біометан та біоводень, багато з яких мають кращу питому енергію, ніж етанол. Окрім того, виробництво енергії з відновлюваних природних ресурсів стає все більш затребуваним. У цьому плані цукрові буряки використовуються як сировина для виробництва біопалива, особливо етанолу. Після вилучення цукру буряки можна безпосередньо переробляти в етанол, використовуючи будь-який традиційний або промисловий метод. На відміну від крохмальних культур, які повинні пройти додаткові етапи переробки для отримання зброджуваних цукрів.

Досягнення в галузі біоконверсії лігноцелюлози дозволили використовувати бадилля та жом цукрових буряків для виробництва біоенергії. Наприклад, у виробництві етанолу використовується буряковий жом та культури-біокаталізатори для розчинення пектину та целюлози, а потім цукри перетворюються за допомогою ферментів цвілевий грибів. Останнім часом етанол став найпоширенішим видом біопалива, але продовжуються дослідження технологій виробництва біопалива другого покоління, такого як водень, метан, метанол і бутанол, і найкращою сировиною для виробництва кожного з них визнано цукровий буряк та побічні продукти його переробки. Тобто, продукти з високою доданою вартістю та побічна продукція бурякоцукрового виробництва відіграють важливу роль у галузі відновлюваної енергетики.

Цукор із цукрових буряків

Цукровий буряк (Beta vulgaris L.) — це одна із найбільш поширених у світі культур для виробництва цукру після цукрової тростини (Saccharum officinarum L.). Цукровий буряк має високий вміст цукру, який коливається від 16% до 20%, головним чином, залежно від умов вирощування культури. Цукор, розчинні сухі речовини, утримання вологи та механічні властивості є важливими параметрами при визначенні придатності нових виведених сортів цукрових буряків. Взагалі кажучи, механічні властивості цукрових буряків є важливими при розробці та впровадженні обладнання для їх збирання, очищення, зберігання, транспортування та переробки.

Хімічний склад, особливо вміст цукру, є основним критерієм для селекціонерів, виробників та переробників цукрових буряків. Буряки з утримуванням високого вмісту вологи зазвичай мають менший вміст цукру, в результаті чого збільшується вартість їх перевезення. У селекції цукрових буряків вміст цукру та утримування вологи зазвичай досліджуються наприкінці вегетаційного сезону. Поляриметрія та рефрактометрія — найкращі методи визначення вмісту вологи та цукру в буряках. Поляриметрія — це найпоширеніший метод для аналізу вмісту цукру в бурякоцукровій галузі. З іншого боку, рефрактометрія зазвичай використовується для визначення вмісту розчинних сухих речовин в отриманому соку. У природі зустрічається дуже мало цукрів, які широко використовуються у якості підсолоджувачів. Окрім цукру (сахарози), іншими важливими цукрами є глюкоза (крохмальний цукор або крохмальний сироп), інвертний цукор (еквімолярна суміш глюкози та фруктози), мальтоза, лактоза та фруктоза. Сахароза зустрічається в природі в більшості зелених насаджень, листі та стеблах (цукрова тростина — 12-26%, цукрова кукурудза — 12-17%, цукрове пшоно — 7-15%, пальмовий сік — 3-6%), у фруктах та насінні (кісточкові плоди, такі як персики, яблука, гарбузи, кероби або 'хліб Святого Іоанна', ананаси, кокоси, волоські горіхи, каштани), а також у кореневих і кореневищах (солодка картопля — 2-3%, арахіс — 4-12%, цибуля — 10-11%, цукровий буряк — 16-26% та виведені сорти — 3-20%). Двома найважливішими видами сировини для виробництва цукру є цукрова тростина (Saccharum officinarum) та цукровий буряк (Beta vulgaris ssp. Vulgaris varaltissima).

Концепція цукрових буряків у виробництві біоетанолу

Дефіцит енергії, високі ціни на нафту та зміни клімату збільшують значимість та необхідність в проведенні нових досліджень та пошуків альтернативних енергетичних ресурсів, щоб підтримувати економічний розвиток та ріст населення. Етанол — це відновлюване біопаливо, вироблене з різних видів сировини та може використовуватися як єдине джерело палива або часткова заміна органічного палива, а буряковий жом — головний побічний продукт бурякоцукрової галузі — потенційна сировина для виробництва біопалива. Він містить 20-25% целюлози, 25-36% геміцелюлози, 20-25% пектину, 10-15% білка та 1-2% лігніну.

Після відміни системи квот в Євросоюзі Європейська цукрова галузь переживає період змін та інновацій, що значною мірою впливає на реформування виробництва цукру. Тобто, розглядається можливість перевести значну частину цукрових буряків на виробництво відновлюваної енергії, головним чином, біоетанолу, а потім подати заявку на отримання енергетичної дотації. Виробництво біоетанолу з цукрових буряків виглядає досить перспективним варіантом через обмеження джерел органічного палива та зростаючу залежність ЄС від імпортної нафти. Промислові об'єкти, розроблені для спільного виробництва цукру та біоетанолу, мають просторову перевагу, оскільки основні побічні продукти або, навіть, відходи одного виробничого процесу (наприклад, меляса або цукровий сироп при виробництві цукру) можуть використовуватися у якості сировини для виробництва біоетанолу. Виробництво біоетанолу з буряка технічно можливе на більшості бурякоцукрових заводів із відповідними оновленнями та доповненнями обладнання.

Етанол здебільшого відомий як основне альтернативне джерело енергії, яке може вироблятися як з біомаси, так і сільськогосподарської продукції. У світі етанол виробляється насамперед із цукрової тростини, цукрових буряків, кукурудзи та крохмалю. У даний час цукрова галузь акцентує увагу на альтернативному рішенні з високим виходом готового продукту і безвідходному процесі виробництва етанолу з цукрових буряків, а також із його побічної продукції, такої як меляса та жом. Дуже важливою проблемою ефективності використання цукрових буряків в енергетичних цілях є отримання найвищих показників, що співвідносяться з їх врожайністю.

Цукровий буряк— одна із культур, які дають найвищий вихід цукру з гектару. Із цієї причини це ідеальна сировина для виробництва етанолу, який може використовуватися як зелена енергія. У процесі переробки цукрових буряків у якості побічних продуктів отримуємо патоку (мелясу) та жом, які використовуються як сировина для виробництва етанолу, пекарських дріжджів та лимонної кислоти. Екологічно безпечні технології стають все більш популярними через збільшення забруднення навколишнього середовища. Однією з них є процес виробництва етанолу з використанням ферментації бурякового жому. Меляса — це побічний продукт бурякоцукрової галузі, який отримується в кінці процесу переробки цукрових буряків, тому витрати на її виробництво значно вищі, ніж собівартість виробництва бурякового жому. Крім того, склад меляси та проміжних продуктів переробки цукрових буряків залежить від різних факторів, таких як якість буряків та технологічний процес рафінування цукру. Отже, оптимізація виробництва етанолу з проміжних та побічних продуктів переробки цукрових буряків на переробних заводах є важливим кроком у збільшенні обсягів виробництва етанолу. У зв’язку зі скороченням економічної підтримки виробництва цукру основні зусилля були спрямовані на пошуки нових способів використання цукрових буряків окрім харчової промисловості.

Біоетанол — високооктанове біопаливо, яке виробляється за рахунок ферментації кукурудзи, картоплі, зерна (пшениці, ячменю та жита), цукрових буряків, цукрової тростини та рослинних залишків. Біоетанол зазвичай використовується в транспортній галузі у якості альтернативної заміни пального для транспорту або в суміші з бензином (з'єднання етанолу та ізобутилену (ETBE)). З'єднання метанолу та ізобутилену (MTBE), яке використовується для збільшення октанового числа, було заборонено в США та Канаді через шкідливі викиди в повітря, викликавши збільшення попиту на біоетанол. ETBE (45% біоетанолу та 55% ізобутилену) починає застосовуватись у багатьох країнах замість MTBE.

Етанол можу використовуватися у суміші з бензином у коефіцієнті 5%, 10% та 85%. Змішування 85% етанолу з бензином може використовуватися лише в конкретних типах двигунів, тоді як додавання 5% і 10% етанолу в бензин можна використовувати без жодних модифікацій двигуна. Етанол виробляється із сільськогосподарської сировини, включаючи цукор та крохмаль, за допомогою процесу ферментації. Ціни на сировину, що використовується для виробництва етанолу, потужність виробництва, врожайність цукрових буряків, а також отримання побічної продукції значно кращі, порівняно з іншими альтернативними ресурсами (див. Таблиця 2).

Таблиця 2. Виробництво етанолу з деяких сільськогосподарських культур