Iamandi Nicoleta Diploma2019 (1) Converted (4) [624064]

MINISTERULUI EDUCAȚIEI NAȚIONALE
UNIVERSITATEA “OVIDIUS” DIN CONSTANȚA
FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE
PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI PETROCHIMIE

LUCRARE DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Conf. univ. dr. ing. Lucica BARBEȘ

ABSOLVENT: [anonimizat]
2019

MINISTERULUI EDUCAȚIEI NAȚIONALE
UNIVERSITATEA “OVIDIUS” DIN CONSTANȚA
FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE
PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI PETROCHIMIE

TEHNOLOGII DE OBȚINERE A
COMBUSTIBILILOR
ECOLOGICI

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC:
Conf. univ. dr. ing. Barbeș Lucica

ABSOLVENT: [anonimizat]
2019

DECLARAȚIE

Subsemnata IAMANDI Nicoleta , absolventă a Facultății de Științe Aplicate și
Inginerie, Universitatea „Ovidius” din Constanța, promoția 2019, progr amul de
Prelucrarea Petrolului și Petrochimie , declar pe proprie răspundere că lucrarea de
diplomă am redactat -o cu respectarea regulilor dreptului de autor, conform actelor
normative în vigoare (Legea 8/1996 modificată și completată prin Legea nr. 285/200 4.
Ordonanța de Urgență nr. 123/2005, modificată și Legea nr. 329/2006).
Pentru eliminarea acuzațiilor de plagiat:
– am executat lucrarea personal, nu am copiat -o și nu am cumpărat -o, fie în
întregime, fie parțial;
– textele din surse românești, precum și cel e traduse din alte limbi au fost prelucrate
de mine și sintetizate rezultând un text original;
– în cazul utilizării unor fraze citate exact, au fost indicate sursele bibliografice
corespuntătoare , imediat după frazele respective.
Am luat la cunoștință că e xistența unor părți nereferențiale sau întocmite de alte
persoane poate conduce la anularea diplomei de licență.

Data: Semnătura:

6

REZUMAT

Lucrarea de față, structurată în patru capitole abordează procesele tehnologice de
obținere a combustibilor ecologici, dar și îmbunătățirile aduse acestora precum și efectele
produse asupra mediului înconjurător.
Primul capitol este intitulat „ Combustibili ecologi ci” și cuprinde informații despre ce
sunt aceștia, o clasificare detaliată a lor, dar și despre posibilitățile de obținere din biomasă.
În al doilea capitol, denumit „ Conversia biomasei ” sunt evidențiate tehnologiile
moderne de obținere a principalilor bio combustibili: bioetanol, biodisel, biobutanol și
biometanol.
În capitolul al treilea, intitulat „ Bilanțul de materiale al procesului de obținere al
alcoolului din porumb ”, se prezintă bilanțul de materiale în procesul de fabricare al
alcoolului etilic, ca lcul necesarului de materii prim e pentru fiecare etapă în parte , precum și
pierderile acestora.
În capitolul patru, intitulat „ Predimensionarea coloanei de fracționare ” se prezintă
calcului înălțimii precum și a diametului unei coloane de fracționare din p rocesul de
obținere a alcolului etilic.
În final, lucrarea intitulată Tehnologii de obținere a combustibililor ecologici, prezintă
concluziile generale referitoare la variantele tehnologice moderne aplicate pentru obținerea
biocombustibililor și referințe le bibliografice utilizate în documentarea lucrării.

7
CUPRINS

INTRODUCERE 6

I. DATE DE LITERATURĂ 7
CAP.1. COMBUSTIBILI ECOLOGICI 7
1.1. Biomasa 8
1.2. Biocombustibili 12
1.2.1. Combustibili din prima generație 13
1.2.2. Combustibili de ge nerația a doua 15
1.2.3. Combustibili de generație a treia 19
1.2.4. Combustibili de generația a patra 20
CAP.2. CONVERSIA BIOMASEI 21
2.1. Tehnologii de obținere a bioetanolului 24
2.2. Tehnologii de obținere a biodieselului 31
2.3. Tehnologii de ob ținere a biobutanolului 38
2.4. Tehnologii de obținere a biometanolului 41

II. CALCUL TEHNOLOGIC 45
CAP.3. BILANȚUL DE MATERIALE AL PROCESULUI DE OBȚINERE
AL ALCOOLULUI DIN PORUMB 45
CAP.4. PREDIMENSIONAREA COLOANEI DE FRACȚIONARE 60
4.1. Bilanțul de m ateriale pe coloana de fracționare a amestecului binar 61
4.2. Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda simplificată
McCabe -Thiele 64
4.3. Determinarea dimensiunilor geometrice ale une i coloanei echipată cu
talere și cloploței 64
4.3.1. Determinarea diametrului coloanei cu clopoței 65
4.3.2. Determinarea înălțimii coloanei cu clopoței 67
CAP.5 NORME DE SECURITATE ȘI SĂNĂTATE ÎN MUNCĂ ÎN
INDUSTRIA DE PRELUCRARE A BIOMASEI 69

CONCLUZII 71
BIBLIOGRAFIE 72
ANEXĂ 74

8
INTRODUCERE

Fenomenul de încălzire globală amenință să schimbe din ce în ce mai mult modul
actual de viață și chiar poate pune în pericol supraviețuirea omenirii. Temperatura medie a
suprafeței pământului a crescut constant datorită emisiilor mai mari de gaze cu efect d e
seră produse prin arderea combustibililor fosili . Gazele cu efect de seră sunt compuse din
dioxid de carbon (CO 2), metan (CH 4), ozon (O 3) și oxid de azot (NO 3) [1].
Principale surse de energie ale combustibililor convenționali sunt zăcămintele cu un
conținut mare de carbon , iar arderea lui face ca dioxidul de carbon să intre în atmosferă.
Aceasta este cea mai mare problemă ecologică a utilizării combustibililor fosili. La
început, cărbunele a fost utilizat în cea mai mare măsură cu impactul cel mai pericu los
asupra mediului deoarece, pe lângă dioxidul de carbon, cărbunele eliberează de asemenea
sulf și alte substanțe. Sulful, când se afla în atmosferă, forma o legătură cu aburul de apă,
creând un ac id sulfuric în proces, care că dea pe pământ sub formă de p loaie acidă. Pentru a
diminua posibilitatea ploilor acide, s -a investit în metodele de explorare a purificării
cărbunelui. Tehnologiile descoperite datori tă acestor cercetări au scăzut frecvența apariției
ploilor acide [ 2].
Observându -se efectele negative, dar și resursele tot mai scăzute ale combustibililor
fosili, noile cercetări s -au axat pe descoperirea unor surse alternative ce permit înlocuirea
carburanților tradiționali cu așa numiții combustibili ecologici. De accea ei au fost descriși
drept sursa p erfectă de energie regenerabilă.
Cea mai simplă definiție a biocarburanților ar putea fi aceea că biocombustibilii
sunt combustibili neconvenționali, lichizi sau gazoși, utilizați în scopuri de transport ce
produc mai pu ține emisii poluante ce afectează me diul înconjurător. Aceștia sunt produși
din surse bioregenerabile provenite din natură (biomasă) [2 ].
Termenul de biocombustibil se cunoaște foarte bine încă din secolul XIX atunci
când s -a încercat alimentarea automobilelor cu etanol sau a motoarelor dies el cu ulei de
arahide. Însă nu s -a pus accent pe această posibilitate deoarece era un proces complex
convertirea biomasei în energie, pe când resursele combustibili lor fosili erau foarte mari și
nu atât de costisitoare [3].

9
I. DATE DE LITERATURĂ

CAPITOLUL 1
COMBUSTIBILI ECOLOGICI
Biocombustibilii atrag din nou atenția în întreaga lume ca înlocuitori ai
combustibililor proveniți din petrol pentru a ajuta la abordarea preocupărilor privind costul
energiei, securitatea energetică și încălzirea globală cauzată de emisiile de dioxid de
carbon asociate combustibililor fosili . Bineînțeles că un alt beneficiu care a contribuit la
această revenire este faptul că biocombustibilii vizează ca principale aplicații consumul
acestora pentru motoarele autovehiculelor, prod ucerea de energie electrică și energia
necesară pentru încălzire și apă caldă menajeră [3].
Termenul biocombustibil este utilizat aici pentru a înțelege orice combustibil lichid
obținut din material vegetal care poate fi utilizat ca înlocuitor al combus tibilului derivat din
petrol [4]. Dar, deși combustibilii fosili conțin aceeași constituenți: carbonul și hidrogenul,
precum biomasa proaspată, ei nu sunt considerați regenerabili pentru că formarea lor este
un proces îndelungat ce are loc în anumite condi ții [2].
Benzina și motor ina sunt biocombustibili vechi și sunt cunoscuți sub numele de
combustibili fosili, deoarece sunt obținuți în decursul a milioane de ani. Biocombustibilii
(etanolul și dieselul) sunt asemănători, cu excepția faptului că sunt fabric ați din plante
cultivat e astăzi.
O mare parte din benzina din Statele Unite este amestecată cu biocombustibilul
etanol. Acesta este același ca și în băuturile alcoolice, cu excepția faptului că este fabricat
din porumb care a fost puternic procesat. Există diferite moduri de a face biocombustibilii,
dar în general folosesc reacții chimice, fermentație și căldură pentru a descompune
amidonul, zaharurile și alte molecule din plante. Produsele rămase sunt apoi rafinate pentru
a produce un combustibil pe care m așinile îl pot utiliza [3].
Biocombustibilii conduc un grup de surse alternative de energie datorită faptului
că pot utiliza deșeurile organice ca materii prime și pot fi mai ecologice decât cele
fosile. Una dintre cele mai atractive este utilizarea butano lului ca înlocuitor de benzină,
deoarece ambii compuși au proprietăți fizico -chimice semnificative, cum ar fi conținutul
de energie. Rezultatele cercetărilor actuale arată că este posibil să se utilizeze deșeurile
agroindustriale ca materii prime grație de scoperirii de noi specii și a tehnologiilor de
zaharificare [5].

10
1.1 BIOMASA

Producerea combustibililor și a substanțelor chimice din biomasă nu este un
concept nou. Celuloză, etanol, metanolul, uleiurile vegetale și o serie de alte substanțe
chimice pe b ază de biomasă au fost folosite încă din anii 1800 pentru a face produse cum
ar fi vopsele, adezivi, pânză sintetică și solvenți. Nu s -a dezvoltat acest domeniu până în
anii 1930 și anii '40, când petrochimia a început să domine piața și să înlocuiască
substanțele chimice cu produsele derivate din biomasă [16 ].
Termenul de biomasă este de fapt o abreviere a termenului de masă biologică și
descrie cantitatea de materiale viitoare (plante, animale, împreună cu produsele lor) care se
găsește pe o anumită parte a suprafeței Pământului [2 ]. Într -o definiție generală,Comisia
Tehnică a Organizației Națiunilor Unite, a arătat că biomasa este totalitatea materialului
vegetal sau animal care poate fi transformat în energie sau materie primă [6 ]. Este cea mai
faimoasă din diferitele discuții despre energia din biomasă sau mai exact despre
combustibilii care pot fi produși direct sau indirect din diferite surse biologice.
Deși combustibilii fosili (petrol, cărbune) își au originea în biomasa antică, ele nu
sunt considera te biomasă prin definiția general acceptată deoarece formarea lor are nevoie
de o perioadă îndelungată. Energia din biomasa din lemn, recoltele rămase și
îngrășămintele sunt surse primare de en ergie în regiunile dezvoltate [2 ].
În figura 1.1 este prezenta t procesul de formare a biomasei.

Figura 1.1 Formarea biomasei

11
Încă din momentul în care se formează, biomasa prezintă numeroase beneficii în
special pentru obținerea de combustibil. Conținutul său de energie chimică vine în cele din
urmă din energia so lară prin procesul fotosintetic. Procesul fotosintetic apare în cloroplaste
și constă în două serii de reacții: reacții ușoare (absorbția energiei solare) și reacții
întunecate (reacții de asimilare a CO 2) [7]. Așadar, prin faptul că combină energia solară și
dioxidul de carbon în energie chimică, utilizarea biomasei este un proces neutru din punct
de vedere al carbonului. Dioxidul de carbon capturat în timpul fotosintezei fii nd eliberat în
timpul arderii [8 ].
Cel mai evident beneficiu al energiei din biom asă este că biomasa este o sursă de
energie regenerabilă, ceea ce înseamnă că nu poate fi epuizat, așa cum este cazul
combustibililor fosili [4 ]. Pe lângă faptul că este o sursă de energie regenerabilă, este
considerată și o sursă durabilă, adică atâta tim p cât vor fi plante pe această planetă, vom
putea obține energie.
Pentru a genera căldură și electricitate, biomasa poate fi arsă sau poate fi folosită ca
materie primă pentru producția de biocombustibili (biodiesel, bioetanol) și a unor compuși
chimici. P roducerea de biomasă reprezintă un domeniu în plină expansiune datorită
creșterii interesului pentru sursele al tenative de energie [9 ].
Mai multe puncte trebuie luate în considerare în evaluarea biomasei pentru a
produce biocombustibil. Acestea sunt:
– substanța chimică din compoziția biomasei
– echilibrul energetic
– disponibilitatea culturilor agricole și contribuția la biodiversitate și pierderile de
valoare a culturilor agricole
– concurența cu nevoile alimentare
– practicile de cultivare
– emisiile de gaze poluan te, de absorbție a mineralelor pe resursele de apă și pe sol
– utilizarea pesticidelor
– costul biomasei și transportul și depozitarea ei
– eroziunea solului
– evaluarea economică, luând în considerare atât produsele coproduse și materiile
prime
– crearea sau mențin erea locurilor de muncă
– disponibilitatea resurselor, cum ar fi apa [10 ].

12
O clasificare a resurselor de biomasă se bazează pe utilizarea finală a materiei
prime pentru bioenergie. În funcție de tipul de energie produsă, biomasa poate fi clasificată
după cum urmează:
– Biocombustibili pentru transport: biomasă utilizată în sectorul transporturilor
(transport rutier, feroviar, aerian și maritim), indiferent de starea fizică, și anume:
biolichide pentru motoare cu combustie internă (de exemplu, bioetanol, biobuta nol și bio –
metanol), biolichide pentru motoarele cu aprindere prin comprimare (biodiesel, bio -dimetil
eter și uleiuri vegetale pure și hidrotratate) și motoare cu reacție (biokerosen), dar și
biocarburanți gazoși pentru motoare cu ardere internă (de exempl u, biogaz, gaz biosintetic
și bio -hidrogen);
– Biomasa pentru căldură și energie se referă la biomasa utilizată pentru producerea
căldurii, electricității sau ambelor simultan. Căldura și energia sunt, de obicei, produse din
biomasă solidă. Totuși, în aceste scopuri, purtătorii bioenergiei gazoși menționați mai sus
pot fi, de asemenea, utilizați;
– Biorefinarea ar putea fi definită ca procesarea durabilă a biomasei într -un spectru
de produse și energii comercializabile. Biorefineriile pot fi hrănite cu tot felu l de biomasă,
în special cu zahăr, amidon și biomasă bogată în ulei, dar biomasa lignocelulozică pare să
fie mai promițătoare, deoarece ar evita concurența cu alimentele și furajele, iar
disponibilitatea materiei prime ar fi mai mare [7].
S-a stabilit că biomasa este o resursă regenerabilă, deoarece conținutul său de
energie vine în cele din urmă de la soare. Însă este de asemenea limitat, deoarece pentru
producția sa sunt necesare resurse finite, cum ar fi teren agricol, apa și substanțele
nutritive. În p lus, există în prezent o preocupare crescândă privind utilizarea competitivă a
biomasei și disponibilitatea limitată a acesteia deoarece reprezintă și o sursă importantă de
hrană, materiale de construcție, hârtie, medicamente și produse chimice. De aceea este
nevoie de o analiză precisă a cererii de biomasă în raport cu potențialul existent pentru
dezvoltarea unei bioeconomie durabile [7].
Transformarea resurselor de biomasă din ecosisteme naturale în resurse energetice
poate duce la probleme grave de medi u. Ecosistemele native ar trebui să fie evitate ca
resurse pentru producția de biocombustibili. Resursele potențiale favorabile în acest scop
ar trebui să se concentreze, de preferat , asupra:
• reziduurilor agricole, forestiere, furajere și alimentare care nu pot fi consumate, copaci
uscați, copaci imperfecți din punct de vedere comercial și alți arbuști care nu pot fi
valorificați și trebuie tăiați pentru curățarea pădurii [9];

13
• semi -biomasă (biomasă contaminată și deșeuri din biomasă industrială). Constitu ie
diferite deșeuri, care variază din punct de vedere al fracției organice, incluzând deșeuri
menajere, deșeuri de la tratarea apelor uzate [8];
• deșeurilor animale;
Reziduurile agricole și sub -produsele sunt cele rezultate după prelucrarea lemnului.
Print re cele enumerate mai sus se mai regăsesc și rumegușul, coaja copacilor, leșia obținută
după prelucrarea celulozei. De asemenea, rezidurile obținute după recoltarea și procesarea
plantelor alimentare cum ar fi cerealele, trestia de zahăr, porumbul, orezul, bumbacul,
arborele de cauciuc fac parte din aceeași categorie [8].
Biomasa contaminată și deșeurile din biomasa industrială sunt reziduurile
secundare reprezentate de totalitatea produselor rezultate după ce un produs din biomasă a
fost folosit. Din ace astă gamă fac parte deșeurile solide municipale (deșeuri alimentare,
hârtie, carton, materiale plastice, textile, deșeuri periculoase pentru uz casnic precum
vopsele, deșeuri care conțin mercur, ulei de motor și agenți de curățare), industriale
(ambalaje, lemn, oțel, beton, cărămizi, cenușă, deșeuri periculoase) [4].
În ultim plan ar putea fi exploatarea resurselor de culturi primare ce sunt produse
din plante sau din produse forestiere, ele constituie culturile energetice; cu rotație scurtă și
cu randament ridicat destinate aplicațiilor energetice cum ar fi: copaci cu viteză mare de
creștere sau plante disponibile „în câmp” și colectate ulterior [5].
Culturile de orz, grâu, trestie de zahăr, sfeclă de zahăr, secară, rapiță sunt cele mai
utilizate pentru pr oducerea de energie. Aceste produse pot fi arse sau pot fi supuse unor
transformări termochimice sau biologice. Astfel că din grâu, orz, trstie de zahăr, sfeclă de
zahăr se poate obține etanol, iar din plantele leguminoase și plantele erbacee procesate
împreună cu deșeurile și reziduurile de grajd se poate obține biogazul [8].
O altă sursă importantă pentru producția de energie curată și regenerabilă este
biomasa din alge. Algele marine sunt organisme microscopice fotosintetice găsite în apă de
mare și apă dulce. Au câștigat importanță în producția de surse alternative de combustibili
fosili prin faptul că au în compoziția lor o cantitate mare de carbohidrați, cum ar fi
amidonul și celuloza, conțin, de asemenea, lipide și proteine.
S-au dovedit a fi superioa re oricărei alte biomase datorită durabilității sale
ecologice și economice, securității aprovizionării, eficienței fotosintetice ridicate, ratei de
creștere rapidă și rolului în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Algele au
potențialul de a tran sforma dioxidul de carbon atmosferic în biomasă utilă, crescând chiar

14
și în apele uzate și poate produce biocarburanți fără a dăuna prea mult alimentării cu
alimente, biodiversității și agriculturii.
Celulele algale acvatice sunt flexibile, evitând necesit atea unor biopolimeri
structurali, cum ar fi hemiceluloza și lignina, care sunt esențiale pentru o creștere plantelor
mai mari în mediul terestru. Acest lucru simplifică procesul producției de bioetanol prin
eliminarea etapelor chimice și enzimatice de pre tratare [11].
În tabelul 1.1 sunt reprezentate principalele avantaje și p rovocări pentru producerea
și utilizarea biocombustibililor .
Tabel 1.1 Avantaje și provocări ale biocombustibililor
Beneficii Provocări
Securitate energetică
– sursă de erergie
– sigur anță ridicată Materie primă
– facilități de depozitare
– competiția alimetară
Protecția mediului
– reduce emisiile de gaze
– diminuează numărul de depozite
de deșeuri
– reduce fenomenul de poluare Politica mediului
– fonduri pentru cercetare
– demonstrații pe stații pilot

Stabilitate economică
– dezvoltare rurală durabilă
– reducerea deficitului ofertă –
cerere
– stabilitatea prețurilor Tehnologie
– pretratare
– costul tehnologiei
– îmbunătațirea eficienței

1.2. CLASIFICAREA BIOCOMBUSTIBILILOR
Există mai multe moduri de a crea e nergie curată din vânt, soare și apă, însă
utilizarea biomasei este foarte importantă deoarece, spre deosebire de alte surse de energie,
furnizează combustibili lichizi pentru transport [10] .
O clasificare relativ recent popularizată pentru biocarburanții lichizi distinge
diferite grupuri numite biocombustibili de primă generație, de a doua generație, de a treia
și a patra generație. Nu există definiții tehnice stricte pentru acești termeni. Distincția
principală dintre ele este materia primă utilizată dar și metoda de producție. Un
combustibil de primă generație este, în general, unul fabricat din zaharuri, boabe sau
semințe, adică unul care utilizează doar o porțiune specifică (adesea comestibilă) a
biomasei de suprafață produsă de o plantă și este necesa ră o prelucrare relativ simplă
pentru a produce un combustibil finit [4].
Biocombustibilii de primă generație utilizează biomasă comestibilă, cum ar fi
amidonul și zahărul, ceea ce duce la creșterea costurilor de producție și la utilizarea
ineficientă a re surselor și a energiei consumate în cultivarea culturilor. În mod specific,

15
utilizarea biomasei comestibile concurează cu culturile alimentare, necesită cantități
semnificative de îngrășăminte și apă și suprafețe mari de teren.
Cea de -a doua generație de biocarburanți se bazează pe alternative mai eficiente din
surse regenerabile, prin utilizarea biomasei lignocelulozice necomestibile, cum ar fi iarba,
rumegușul, pădurile la prețuri scăzute, deșeurile uzate și deșeurile municipale. În timp ce
această gene rație depășește dezavantajele primei generații, sunt necesari mai mulți pași
pentru a produce biocombustibilii adecvați la un cost competitiv [10]. Au fost deja
investigate combinații de procese multiple cum ar fi producerea de soluție de zahăr din
biomasă folosind o metodă chimică, urmată de o etapă enzimatică sau biologică însă a
rămas la stadiul de teorie [7].
Soluția acvatică, cea de -a treia generație, reprezentată de biomasa algelor pare o
alternativă perfectă de a produce biocombustibili însă, cu to ate acestea, acest tip de
biomasă are unele dezavantaje, cum ar fi costul ridicat și faptul că biocombustibilii produși
din alge sunt mai puțin stabili decât cei produși din alte surse. Principalul motiv pentru
aceasta este faptul că uleiul generat de alge este foarte nesaturat, ceea ce înseamnă că este
mai volatil, în special la temperaturi ridicate și, prin urmare, este mai probabil să se
degradeze [10].
A patra generație biocombustibili, care se află încă într -un stadiu timpuriu de
dezvoltare, utilizare a microorganismelor bioingineriei, cum ar fi algele sau culturile bio
inginerești care sunt modificate genetic pentru a consuma mai CO 2 din mediu decât emit
atunci când sunt consumate (arse) [10].

1.2.1 COMBUSTIBILI DIN PRIMĂ GENERAȚIE
Biocarburanții de primă generație produși din biomasă comestibilă, cum ar fi
amidonul (din cartof, grâu, orz și porumb) sau zaharuri (din trestie de zahăr și sfeclă de
zahăr), au prezentat inițial o capacitate promițătoare în reducerea arderii combustibililor
fosili și scăd erea nivelului atmosferic de CO 2 care este consumat de culturi în timp ce
cresc. Cu toate acestea, au apărut preocupări legate de utilizarea culturilor comestibile ca
materii prime și de impactul asupra culturilor agricole, a biodiversității și a aprovizio nării
cu alimente [7].
Biocarburanții de primă generație, care sunt comercializați astăzi la circa 50 de miliarde de
litri pe an, includ biodiesel (bio -esteri) și bioetanol, precum și bio -gaz.
Combustibilii sunt evaluați fie prin capacitatea lor de a fi amestecați cu combustibil pe
bază de petrol pentru utilizarea în motoarele cu ardere internă, fie prin utilitatea lor în

16
tehnologia alternativă a vehiculelor, cum ar fi vehiculele pe bază de gaze naturale sau
vehiculele cu carburant flexibil.
În tabelul 1.2 sunt prezentați cei mai comuni biocombustibili din această generație
precum și materia primă din care se obțin împreună cu procesul de fabricare.
Tabel 1.2 Procese de fabricare și materii prime ale biocombustibililor
Biocombustibil Materie primă Proces de fabricare
Bioetanol – trestie
– sfeclă de zahăr
– cereale Hidroliză și
fermentare
Ulei vegetal – plante
oleaginoase
(semințe de
rapiță) Presare la rece/
extracție
Biodiesel – plante
oleaginoase
(semințe de
rapiță) Presare la rece/
extracție și
transesterificar e
Biogaz – biomasă umedă Fermentare anaerobă
Bioetilterțbutileter – etanol Sinteză chimică

Cel mai cunoscut biocombustibil de primă generație este etanolul obținut prin
fermentarea zahărului extras din trestie de zahăr respectiv sfeclă de zahăr sau zahăr e xtras
din amidonul conținut în boabe de porumb sau alte culturi încărcate cu amidon (cartof,
grâu, orz și porumb). Procesarea similară, dar cu diferite organisme de fermentație, poate
da un alt alcool, butanol. Eforturile de comercializare a butanolului su nt în curs de
desfășurare, în timp ce etanolul este de ja o industrie bine stabilită [4 ].
Biodieselul obținut din culturi oleaginoase este celălalt bio -combustibil de primă
generație binecunoscut. Din perspectiva substituirii petrolului sau a potențialului de
reducere a emisiilor de carbon, biomotorina derivată din semințele care conțin ulei este –
cum sunt de astfel și ceilalți combustibilii pe bază de amidon – limitată. Este utilizat pe
scară largă în transport.
Câteva tehnologii au fost bine stabilite pe ntru a produce biodiesel (esteri ai acizilor
grași) din diferite materii prime. Mai multe culturi oleaginoase, atât comestibile, cât și
necomestibile, au fost sugerate ca materii prime promițătoare pentru fabricarea de
biomotorină. Cele mai frecvente surse de culturi alimentare sunt rapița, soia, palmierul,
floarea -soarelui, arahide, șofrănaș, porumb, tărâțe de orez, nucă de cocos, măsline, castor,
semințe de lapte și semințe de in, ulei de semințe de bumbac, semințe de cauciuc, jojoba,
semințe de caise și ulei de pește [7 ].

17
Bioeterii (cunoscuți și sub denumirea de eter de combustibil) sunt utilizați pentru a
spori numărul octanic de combustibili. Ei pot înlocui petro -eterii și pot îmbunătăți
performanțele motorului. Mai mult, bioeterii pot reduce considera bil uzura motorului și
emisiile toxice de evacuare. Sursele obișnuite de bioeteri sunt grâul și sfecla de zahăr. Cu
toate acestea, principalul lor dezavantaj este densitatea scăzută a energiei.
Există șase aditivi eteri care sunt utilizați în mod obișnuit pentru a îmbunătăți
calitatea combustibilului de transport: dimetil eter (DME), metil terț -butil eter (MTBE),
dietil eter (DEE), -ter amil metil eter (TAME), etil terț -butil eter (ETBE) și -ter amil etil
eter (TAEE). Eterii au fost folosiți în Europa înce pând cu anii 1970 pentru a înlocui
compușii foarte toxici, cum ar fi plu mbul, în special MTBE și ETBE [10 ].
Biogazul este rezultatul transformării anaerobe a materialelor organice (deșeuri
biocompozabile, substanțe energetice) cu ajutorul organismelor anae robe și, atunci când
este produs, conține metan și dioxid de carbon. Biogazul poate fi folosit ca sursă de energie
electrică și pentru încălzirea clădirilor și a apei. Ca și combustibil, utilizarea sa primară
este în motorul cu combustie internă [2 ].

1.2.2 COMBUSTIBILI DE GENERAȚIA A DOUA
A doua generație de biocombustibili este produsă din rafinarea deșeurilor agricole
și forestiere. Spre deosebire de prima generație, biocombustibilii din această generație ar
putea reduce în mod semnificativ emisiile de CO 2 și, prin aceasta, nu folosesc alimentele ca
bază pentru procesul de producție, iar unele tipuri permit o funcționare mai bună a
motorului. Biocarburanții din a doua generație utilizați în prezent sunt biohidrogenul, bio –
DME, biometanolul, DMF, biobutan ol, motorina Fischer -Tropsch și a mestecuri diferite de
alcooli [2 ].
Carbonul net (emisiile consumate) de la arderea biocarburanților de a doua
generație este neutru sau chiar negativ. Materia primă este materialul lignocelulozic, care
include biomasa ief tină și abundentă, disponibilă din plante. Eficacitatea costurilor acestei
generații de biocombustibili are încă nevoie de dezvoltare deoarece există mai multe
bariere tehnice care trebuie depășite [10 ].
Biohidrogenul ar putea fi cel mai răspândit în anii următori, deoarece este
regenerabil, nu are ca rezultat emisii de gaze cu efect de seră în timpul arderii, dar
eliberează energia și poate fi ușor transformat în electricitate cu ajutorul celulelor de
combustie. Este necesar un reactor solar simplu în timp ul producției de biohidrogen în

18
formă de cutie închisă și sursă slabă de energie. Producția electrochimică a biohidrogenului
cu ajutorul bateriei solare necesită în să surse puternice de energie [2 ].
Proprietățile combustibililor de etanol sau butanol de a doua generație sunt identice
cu cele ale primei generații, dar deoarece materia primă de pornire este lignoceluloza,
etape fundamentale de prelucrare sunt implicate în producerea acestora.
Există patru pașii de bază pentru producerea acestora incluzând pre-tratarea,
hidroliza, fermentația și distilarea. Pre -tratamentul este conceput pentru a ajuta la separarea
celulozei, hemicelulozei și ligninei astfel încât moleculele complexe de carbohidrați care
constituie celuloza și hemiceluloza să poată fi reduse prin hidroliza enzimatică catalizată
(adiția de apă) în zaharurile simple constituente [10]. Trebuie să îndeplinească următoarele
standarde: să îmbunătățească formarea de zaharuri prin hidroliză, să evite degradarea sau
pierderea carbohidraților, să evite formarea de produse secundare nedorite care reduc
eficiența procesului de hidroliză și fermentație și să fie fezabile din punct de vedere
economic [11 ].
Etapa de hidroliză crește complexitatea fermentării zahărului care este eliberat din
partea celulozică a biomasei și fermentația transformă aceste zaharuri în bioetanol.
Fermentarea este procesul metabolic în care se transformă un substrat organic
datorită activităților enzimelor excretate de microorganisme. În general, există două
metode principale de ferm entare aerobă și anaerobă în funcție de faptul că oxigenul este su
nu implicat în proces [10 ].
Biobutanolul (
) constă în principal în hidrogen și carbon, astfel încât să
poată fi ușor amestecat cu benzină și alte produse de hidrocarburi. Buta nolul are mai multă
energie termică decât etanolul, ceea ce mărește câștigurile energetice recoltate
(aproximativ 25%). Un alt motiv pentru care butanolul este considerat mai sigur decât
etanolul și benzina este producția redusă de compus organic volatil, care se datorează și
ratei scăzute de evaporare . În plus, corozivitatea butanolului este mai mică decât cea a
etanolului, care ajută la transportul și distribuirea acestuia prin conductele și staț iile de
alimentare existente [10 ].
Mai multe tipuri de mate rii prime de a doua generație pot fi utilizate pentru
producerea de biomotorină. Cele mai frecvente culturi energetice pentru acest scop sunt
ulei de somon , pom de cauciuc, semințe de tutun, mango de mare și ulei de jojoba. În plus,
deșeurile provenite di n uleiurile de gătit, culturile de uleiuri comestibile, grăsimile pentru
restaurant, carnea de vită, grăsimile animale și carnea de porc pot fi, de asemenea, utilizate
ca materie primă de biodiesel.

19
Grăsimile animale sunt preferate față de materiile prime de primă generație,
datorită unor proprietăți cum ar fi numere mai mari de octan, necorozivitate, lipsă de
deșeuri și durabilitate. Cu toate acestea, principalul dezavantaj al acestei generații de
materii prime este lipsa tehnologiilor active pentru explo atarea comercială a deșeurilor
generate de producția de biomotorină. În plus, majoritatea grăsimilor animale posedă o
concentrație ridicată de acizi grași saturați, ceea ce crește comp lexitatea transesterificării
[11].
Fischer -Tropsch lichid (FTL) este un amestec de compuși de hidrocarburi cu lanț
dreptunghiular (olefine și parafine) care seamănă cu un țițeiul semi -rafinat. Amestecul
poate fi transportat fie către o rafinărie de petrol convențională pentru a fi prelucrat, fie
rafinat pe amplasament, în "mot or diesel curat", combustibil cu reacție, nafta și alte fracții.
FTL este sintetizat prin reacția catalitică a
și
. Astfel, orice materie primă care poate
fi transformată în
și
poate fi utilizată pentr u a produce FTL. În special, cărbunele,
gazele naturale sau biomasa pot fi utilizate ca materii prime pentru producția FTL [4].
Dimetil eterul (DME) este un gaz incolor la temperaturi și presiuni normale, cu un
miros ușor eteric. Proprietățile sale fizice îl transformă într -un înlocuitor adecvat (sau agent
de amestecare) pentru gazul lichid petrolier (GPL, un amestec de propan și butan). Dacă
nivelul de amestecare DME este limitat la 15 -25%, amestecurile de DME și GPL pot fi
utilizate cu echipamente de arde re proiectate pentru GPL fără modificări ale
echipamentelor.
DME este, de asemenea, un excelent combustibil pentru motorul diesel datorită
numărului ridicat de cetani și absenței producerii de funingine în timpul arderii. Nu este
posibilă amestecarea DME cu combustibilul convențional diesel în motoare existente,
deoarece DME trebuie depozitat sub presiune ușoară pentru a menține o stare lichidă [4].
Dimetilformamidă sau DMF este compus organic cu formula chimică
. Acest lichid incolor poate f i amestecat cu apă și majoritatea altor compuși
organici. De asemenea, este adesea folosit ca dizolvant în reacțiile chimice. Se produce
prin reacția dietil amin și monoxid de carbon atât la presiune joasă, cât și la temperatură.
Nu se folosește numai ca c ombustibil, ci și în farmacie, producția de pesticide, producția
de fibre sintetice și similare. De asemenea, se crede că DMF poate provoca cancer și unele
deficiențe la naștere [2].
În tabelul 1.3 s -a realizat o comparație între combustibilii de prima și a doua
generație și petrol.

20
Tabel 1.3 Comparație între biocombustibilii de generația I și generația II
Combustibil de generația I Combustibil de generația II Petrol
– uleiuri vegetale
– zahăr – reziduri agricole și
forestiere
– biomasa acvatică – petrol crud
Produ se
– biodisel
– etanol Produse
– biodiesel hidrotratat
– ulei vegetal
– etanol
– butanol
– biohidrogen Produse
– gaz natural și gaz
petrolier lichefiat
– diesel
– kerosen
– jet de combustibil
Avantaje
– securitate economică
– protecția mediului Avantaje
– nu este competitiv cu
industria alimentară
– tehnologie avansată
– protecția mediului –
Dezavantaje
– materie primă limitată
– amestec parțial cu
comustibili convenționali – Dezavantaje
– epuizarea
resurselor
– poluarea aerului
– probleme
ecologice și economice
Tehnologie
– economică – –

Gazul sintetic, amestecul de monoxid de carbon și hidrogen, poate fi produs din
biomasă prin seria de procese termice, cum ar fi, de exemplu, evaporarea. Prin reacții
catalitice aceste amestecuri pot fi transformate în combustibili, cum ar fi etanolul și
substanțe chimice de mare valoa re, cum ar fi propanolul.
Catalizatorii actuali pentru sinteza "alcoolilor amestecați" sunt produși pentru gazul
sintetic care a fost obținut din aburul de cărbune sau metan.
Cu toate acestea, acestea nu sunt cele mai bu ne soluții, astfel încât există deja
încercări de a produce catalizatori îmbunătățiți care ar face producția de biocarburanți mult
mai eficientă [4].
Biometanolul este biocarburant de a doua generație și poate fi, de asemenea, produs
din gaz sintetic obțin ut din biomasă. Poate fi folosit ca înlocuitor pentru pornirea motorului
datorită numărului mare de cifră octanică. La fel ca și în cazul utilizării bioetanolului, ar
trebui să ținem cont și de presiunea redusă de evaporare, de energie scăzută a densității și
de incompatibilitatea cu materialele din motor. 10 – 20% din biometanolul amestecat cu
ulei poate fi utilizat în motoare fără a fi nevoie de modificări. Deoarece biometanolul este
foarte otrăvit, sunt necesare măsuri stricte de siguranță [2].

21

1.2.3 C OMBUSTIBILI DE GENERAȚIA A TREIA
A treia generație de biocombustibili este rep rezentată de materii prime modificate
genetic: alge, plante oleaginoase cu o productivitate crescută de ulei, biomasă lemnoasă cu
conținut mai mic de lignină pentru îmbunătăț irea procesului de prelucrare [8 ].
În prezent, se consideră a fi o opțiune plauzibilă ca sursă de energie durabilă pentru
producția de biocarburanți prin depășirea deficiențelor biomasei de primă și de a doua
generație. Microalgele poat oferi câteva tipuri d istincte de biocarburanți durabili, inclusiv
bioetanol și biodiesel. Este important de menționat că biomasa algelor este mai aproape de
produsul combustibil fini t comparativ cu alte biomase [12 ].
În figura 1. 2 se prezintă o diagramă schematică pentru ob ținerea a celei de -a treia
generație de biocombustibili.

Figura 1.2. Prelucrarea biomasei din microalge

1.2.4 COMBUSTIBILI DE GENERAȚIA A PATRA
Se obțin din culturi încrucișate sau modificate genetic care absorb în mod specific
cantități foarte mari de
[4] pentru a produce combustibil direct din dioxid de carbon la
scară industrială. Cuvintele -cheie sunt captarea și stocarea carbonului, atât la nivel de
materii prim e sau tehnologia de procesare [10 ]. Principalele avantaje ale producției de
microalge utilizate în a patra generație sunt fixarea l or fotosintetică eficientă a CO 2, fără a
fi nevoie de medii de cultură speciale și costisitoare, capacitatea lor mare de a se adapta
aproape oriunde, chiar și în apel e uzate sau sărate, și ritmul lor de creștere mult mai rapid.
Evoluțiile semnificative ale biocombustibililor avansați au fost obținute prin introducerea

22
algelor cu proprietăți specifice, inclusiv o productivitate foarte mare cu o procedură
eficientă din punct de vedere energetic. Aceste o rganisme sunt cultivate folosind apă de
mare și apă nepotabilă pe pământuri pustii și sunt capabile să producă ulei în 35 de zile cu
recoltarea zilnică [12].
În tabelul 1.4 este prezentată o scurtă comparație între diferitele gen erații ale
biocombustibilii .
Tabel 1.4 Beneficiile și limitările biocombustibililor
Generații de
biocombustibil Beneficii Limitări
Prima generație Reducerea gazelor cu efect de seră
Facil și economic în
conversie Producție ineficientă
Concurență între alimente și
combustibil
A dou a generație Reducerea gazelor cu efect de seră
Alimentarea deșeurilor alimentare ca
materie primă
Eliminarea concurenței dintre
alimente și combustibil Procese costisitoare pentru
purificarea materiei prime
lignocelulozice
Solicită o tehnologie extrem
de complicată și de ultimă
generație pentru dezvoltare
A treia generație Biocombustibil pe bază de alge cu
cultivare ușoară
Rata semnificativ avansată de creștere
a algelor
Eliminarea concurenței între alimente
și combustibil
O mare varietate de medii de creș tere,
cum ar fi apa uzată, apa de mare Proces deficitar de energie
(amestecare, filtrare,
centrifugare etc.)
Randament redus în
extracția lipidelor
Contaminarea biomasei în
iazurile deschise
A patra generație Introducerea biologiei sintetice pentru
intens ificarea extracției lipidelor din
alge
Îmbunătățiți sechestrarea CO2 prin
algele proiectate
Productivitate superioară Sistem de iaz
Cost ridicat al
fotobioreactorului
Investiția inițială este mare
Cercetarea este la stadiul
principal

23
CAPITOLUL 2
CONVERS IA BIOMASEI

Biomasa poate fi transformată într -o varietate de combustibili solizi, gazoși și
lichizi folosind atât procedee termice cât și biologice. Alegerea procesului și a produsului
depinde de natura materiei prime de biomasă și de piața în care este vândută. Produsele
bio-energetice gazoase pot fi formate prin digestie anaerobă (biogaz), gazeificare termică
sau supercritică (gaz generator sau gazos) sau prin modernizarea produselor primare de
digestie sau gazifica re anaerobă (hidrogen și metan).
Produsele bio -energetice lichide sunt clasificate în mod convenabil în funcție de
substratul intermediar derivat din biomasă fizică, chimică sau termică prelucrată:
carbohidrați, trigliceride, gaz de sinteză și bio -ulei. Producția de combustibili lichizi din
carbohidrați se concentrează pe etanol, d ar se pot produce și butanol, izopren, furan și chiar
alcani. În mod similar, producția din trigliceride s -a concentrat pe esteri metilici
(biodiesel), dar conversia în alcani și propan prin hidrotratare primește o atenție sporită.
Combustibilii lichizi din sinteza de gaz includ lichide Fischer -Tropsch, metanol, etanol,
dimetil eter (DME) și metanol -benzină (MTG).
Combustibilii lichizi proveniți din bio -petrol includ o gamă de hidrocarburi adecvate ca
benzină, motor ină sau combustibil pentru aviație. În cele din urmă, biomasa poate fi
transformată în energie care oferă o abordare alternativă a furnizării energiei pentru
transport [15].
Conversia biomasei se realizează prin procese mecanice, termice sau biologice.
Procesul mecanic nu schimbă natura biomasei , în această etapă are loc sortarea și
compactarea deșeurilor, procesarea reziduurilor de lemn, tocarea paielor și cocenilor [13].
Procesele termice prin care are loc conversia biomasei sunt arderea, gazificarea și piroliza
rezultând fie căldură, fie un gaz sau lichid. Gazul se utilizează în alimentarea unui motor
iar lichidul poate fi transformat ulterior în combustibili lichizi sau gazoși. Procesele
biologice sunt reprezentate de fermentație și digestie.
Acestea se bazează pe activitatea microbiană sau enzimatică de transformare a
biomasei în combustibili gazoși sau solizi, ori a zahărului în etanol [16].
Conversia biologică este de obicei aplicată biomasei cu umiditate ridicată, în timp ce
procesele termice nec esită un conținut de umiditate mai mic de aproximativ 20% în
greutate [13].

24
În figura 2.1 este prezentat p rocesul de conversie a biomasei în biocombustibili .

Figura 2.1 Metode de conversie a biomasei în biocombustibili

Cel mai important e dintre proce sele biochimice este digestia anaerobă, aceasta
presupune descom punerea materialelor organice în combustibil gazos de către bacterii într –
un mediu lipsit de oxigen. Biogazul rezult at este un amestec de metan (CH 4) și dioxid de
carbon (CO 2). Cele mai multe sisteme de digestie produc biogaz care este de 55% -75%
metan în volum. Biogazul poate înlocui gazul natural în multe aplicații odată ce acesta este
tratat pentru a elimina sulful. Exemple de aplicații pentru biogaz sunt seturile de
generatoare de motor, t urbine cu gaz mic și unele tipuri de celule de combustie.
Digestia anaerobă constă în trei etape: hidroliza și f ermentația, tranziție
dehidrogenarea acetogenică și metanogeneza. Hidroliza și fermentația implică bacterii
hidrolitice și fermentative care de scompun proteinele, carbohidrații și grăsimi în acizi
simpli: alcooli, compuși neutri și unele monoxid de carbon (CO) și hidrogen (H 2).
Produsele de fermentație care sunt prea complexe pentru a consuma bacteriile care
formează metan sunt degradate în conti nuare la acetat, hidrogen și dioxid de carbon în
digestia tranzitorie, care se efec tuează prin bacterii acid -formic .
Urmele oxigenului din materia primă s unt consumate în această etapă, care
beneficiază de bacterii ce forme ază metan, sensibile la oxigen.

25
Ultima etapă, metanogeneza, utilizează bacterii care formează metan pentru a
transforma acetatul în metan [15].
Fermentarea este un alt proces biologic anaerob cu zaharuri simple din materie
primă de biomasă convertite în alcool și dioxid de carbon pri n acțiunea unui set diferit de
microorganisme, de obicei drojdii [18].
Baza conversiei termochimice este procesul de piroliză în majoritatea cazurilor.
Produsele de conversie includ apă, cărbune (solid carbonat), biocidă, gudroane și gaze
permanente, incl usiv metan, hidrogen, monoxid de carbon și dioxid de carbon, în funcție
de parametrii de reacție cum ar fi mediul, reactoarele folosite, temperatura finală, și sursa
de căldură [13].
Piroliza este etapa preliminară a tuturor proceselor termochimice, deoar ece
cuprinde reacții chimice pentru a forma produse solide, lichide și gazoase fără oxygen.
Piroliza funcționează în condiții anaerobe în care căldura este de obicei furnizată extern și
componentele biomasei sunt fisurate termic la gaze și vapori care, de obicei, suferă reacții
secundare, oferind astfel un spectru larg de produse .
Aceasta funcționează la temperatur i moderate de aproximativ 500 ° C și timpi de
reacție foarte mici. [18].
În figura 2.2 este prezentată schema procesului de piroliză a
biomasei.

Figura 2.2 Procesul de piroliză

Arderea este secvența reacțiilor chimice exotermice dintre un combustibil și un
oxidant însoțită de producerea căldurii și conversia speciilor chimice. In timpul arderii
biomasei lignocelulozice, căldura este generată dat orită reacției de oxidare, unde carbonul,

26
hidrogenul, oxigenul, sulful combustibil și azotul conținut în biomasă reacționează cu aer
sau oxigen. Cel mai comun mijloc de transformare a biomasei în energia termică utilizabilă
este prin arderea directă și ace asta reprezintă aproximativ 90% din toată energia obținută
din biomasă [13].
Gazificarea este transformarea materiei prime solide în gaz combustibil sau gaz de
materie primă chimică, altfel numită gaz de sinteză, care poate fi modernizat la
combustibili li chizi (diesel și benzină) prin sinteza Fischer -Tropsch. Gazificarea biomasei
este un proces care transformă biomasa carbonică în g aze combustibile (de exemplu, H 2,
CO, CO 2 și CH 4) cu valori specifice de încălzire în prezenț a ofertei parțiale de oxigen (O 2)
(de obicei 35% din cererea de O 2 pentru arderea completă) sau oxidanți adecv ați, cum ar fi
aburul și CO 2.
În general, arderea se concentrează pe producerea de căldură, în timp ce gazificarea
are ca scop crearea de produse valoroase gazoase care pot fi uti lizate direct pentru ardere
sau care pot fi depozitate pentru alte aplicații. În plus, gazificarea este considerată mai
ecologică din cauza emisiilor mai mici de gaze toxice în atmosferă și a utilizării mai
versatil e a produselor secundare solide [13].
Com binarea diferitelor tehnologii ar putea include gazeificarea și convers ia
biotehnică suplimentară a CO 2 și H 2 în combustibili lichizi (cum ar fi etanol sau alți
compuși). Acest lucru ar fi analog cu catalizatorul chimic Fischer -Tropsch, dar ar fi bazat
pe o nouă fabrică de celule biotehnice. Avantajele ar include o stabilitate mai mare față de
impurități, (de ex. compuși de sulf), condiții de reacție mai blânde și un echilibru energetic
mai bun [17].

2.1 TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI
Etanolul (C 2H5OH) este cel mai popular biocombustibil alcoolic disponibil pe piața
mondială actuală. Henry Ford a folosit termenul „combustibil al viitorului” pentru etanol.
El a intenționat să folosescă drept combustibil etanolul obținut din porumb atunci când și -a
proiectat primul său motor însă benzina era mult mai ieftină [6]. Există mai multe motive
pentru a fi utilizat ca combustibil alternativ, cum ar fi faptul că este produs din p rodusele
agricole regenerabile (porumbul, zahărul, melasa) inclusiv alte produse, mai degrabă decât
produsele petro liere care nu sunt regenerabile, este mai puțin toxic decât alți combustibili
alcoolici și produs ele secundare ale oxidării incomplete a etanolului (de exemplu, acidul
acetic și acetaldehida) sunt mai puțin toxice decât pro dusele secundare formate din alți
alcooli combustibili [19].

27
În tabelul 2.1 sunt prezentate principalele caracteristici ale etanolului.
Tabel 2.1 Proprietățile etanolului
Formulă chimică CH 3CH 2OH
Masă moleculară 46,07
Mod de prezentare Lichid incolor cu miros specific plăcut
Densitate
,
0,7891
Temperatura de fierbere 78,3 ℃
Presiunea de vapori la 20 ℃ 44 mmHg
Vîscozitatea la 20 ℃ 1,2 cp
Căldura specifică la 20 ℃ 0,593

Presiunea critică 63,1 bari
Temperatura cris tică 243,1 ℃
Temperatura de autoaprindere 371-427℃
Temperatura de inflamabilitate 12,8 ℃
Puterea calorică 7180

Viteza de ardere 12-15

Etanolul poate fi folosit în amestec cu benzina și poate fi utilizat în motoare cu
ardere internă fără alte modificări. În același timp însă,diferențele intrinseci între
proprietățile fizice și chimice dintre etanol și hidrocarburi prezente în benzină determină
constrângeri asupra cantității de etanol care poate fin combinată cu succes cu benz ina.
Comparativ cu petrolul, care este un amestec complex de hidrocarburi cu diferite
mase moleculare și structuri chimice, etanolul este un compus simplu, unitar. Prezența
atomului de oxigen în etanol face ca molecula acestuia să fie polară, comparativ cu
hidrocarburile care sunt nepolare, fapt ce determină diferențe semnificative în comparație
cu benzina. Aceste diferențe for fi sumarizate astfel:
– Etanolul are o cifră octanică ridicată, iar prezența oxigenului determină caracteristici de
ardere diferite d e ale benzinei: temperatura flăcării mai mică, căldura de ardere mai
scăzută, necesită un volum de aer de ardere mai mic și caracteristici diferite ale
emisiilor de gaze.
– Etanolul este mai putin volatil în comparație cu benzina și formează azeotropi cu
aceasta determinând creșterea presiunii de vapori a benzinei cu implicații în operarea
vehiculului și volatilitatea specifică a amestecului.

28
– Etanolul este foarte puțin toxic putând fi băut.
– Etanolul se obține din materii prime regenerabile, iar bioxidul de c arbon rezultat în
urma arderii este utilizat în procesul de fotosinteză pentru regenerarea biomasei.
– Etanolul prezintă proprietăți chimice diferite de ale benzinei fapt ce conduce la
degradarea unor materiale nemetalice utilizate în sistemul de alimentare cu carburanți.
El poate ataca și părțile feroase cu care vine în contact determinând coroziunea acestora
și formând depuneri de săruri [6].
În tabelul 2.2 s -a realizat o comparație între proprietățile bioetanolului, metanolului
și benzinei.
Tabel 2.2 Prop rietățile bioetanolului, metanolului și benzinei
Proprietăți U.M. Benzina Bioetanolul Metanol
Căldura de combustie
43,5 26,8 19,7
Căldura de vaporizare
0,3 0,93 1,17
Cantitatea stoechiometrică de aer 14,7 8,95 6,45
Energia specifică la stoechiome trie
2,96 2,99 3,06
Rația de aer la puterea maximă 12,0 7,0 4,0
Energia specifică la puterea maximă MJ⁄kg 3,6 3,8 4,97
Punct de fierbere ℃ 35-205 78 65
Conținut de oxigen %masă 2,7 34,8 50
Densitatea
735-775 790 790
Presiunea de vapori kPa 40-60 20 36

Procesul de producție a bioetanolului constă în patru etape principale:
1. pregătirea materiei prime pentru fermentare,
2. fermentarea pentru transformarea zaharurilor în etanol,
3. distilare pentru a recupera etanol (95% etanol) din bulionul de fermen tare
4. deshidratare suplimentară pentru a obține etanol anhidru (100%) .
Etapa de pregătire a materiei prime depinde în mare măsură de natura materiei
prime. De exemplu, sucul de melană diluată și melasa pot fi fermentate direct fără prea
multă pregătire. P e de altă parte, amidonul poate fi necesar să fie extras din boabe precum
porumbul și tratat enzimatic pentru a elibera zaharuri fermentabile. Biomasă
lignocelulozică poate necesita pretratare complexă înainte de fermentare. Etapa de
fermentare depinde și de natura substratului fermentat. Sunt necesare diferite

29
microorganisme în funcție de tipul de zahăr, de exemplu, și de alte aspecte ale procesului.
Etapele de distilare și deshidratare sunt, în general, independente de natura materiei prime
și de fermenta ția [20 ].
În figura 2.3 este prezintă o schemă a procesului de obținere pentru bioetanol.

Figura 2.3 Schema procesului de producție a bioetanolului

Cerealele, tuberculii și rădăcinile sunt principala sursă de amidon pentru
producerea de bioetanol. Pr incipalele boabe utilizate în producție includ porumb, grâu, orz,
secară triticale și sorg. Aceste boabe conțin de obicei 62 –89% amidon fermentabil (pe baza
greutății uscate). Cea mai folosită cereale este porumbul. În Statele Unite, porumbul cu 62 –
65% ami don este utilizat aproape exclusiv pentru producția de bioetanol pentru
combustibil. Grâul cu aproximativ 60% amidon este o materie primă comună în Uniunea
Europeană. Soiurile de grâu bogat în proteine pot să nu fie potrivite, deoarece soluțiile
bogate în proteine tind să se spume în timpul fermentației.
Cerealele sunt măcinate, gătite și hidrolizate înainte de fermentare. Siropul de
glucoză eliberat este fermentat prin acțiune microbiană. Într -o instalație de producție,
cerealele uscate sunt depozitate în silozuri. Cerealele trebuie să fie curate și fără granule și
pietre care ar putea deteriora mașinile de frezat. Cele două procese principale de frezare a
cerealelor disponibile sunt frezarea uscată și freza umedă. Frezarea uscată este cel mai
frecvent folo sită pentru etanolul combustibil, deoarece este mai ieftină decât frezarea
umedă și consumă mai puțină energie. Cerealele sunt transportate din siloz de către un
transportor la moară. Frezarea uscată folosește freze cu ciocan cu ecrane de 1,0 -1,5 mm.
Cerea lele măcinate sunt transferate de transportor într -un rezervor de amestecare unde este

30
amestecat cu apă pentru a produce o suspensie conținând 20 –40% greutate față. Apa
reciclată din etapa de fermentare poate fi utilizată pentru a face suspensia. Tratament ul
enzimatic este apoi utilizat pentru hidrolizarea amidonului, după cum am discutat mai
târziu în această secțiune [20 ]. Doar aproximativ 10% din producătorii americani de etanol
folosesc măcinarea umedă a porumbului. În frezarea umedă, cerealele curățate sunt aburite
în apă caldă acidulată timp de 24 – 40 ore. Cerealele înmuiate sunt apoi măcinate pentru a
îndepărta germenul. Germenul conține uleiul de cereale și este mai puțin dens decât
celelalte solide. Este recuperat din suspensie prin flotare. Germen ul spălat este folosit
pentru a extrage uleiul de porumb. Restul nămolului este măcinat în continuare. Fibrele
sunt ecranate. Glutenul și amidonul proteic sunt apoi recuperate separat prin centrifugare.
Fracția de gluten este îngroșată, uscată și vândută s ub formă de făină de gluten de porumb.
Amidonul purificat este aproape fără proteine. Este hidrolizat și utilizat în fermentație.
Deși măcinarea umedă este consumatoare de capital și de energie, permite extragerea mai
multor valori din cereale sub formă de coproduse diverse.
În figura 2.4 este prezentată producția de zaharuri fermentabile din boabe măcinate
uscate.

Figura 2.4 Producția de zaharuri din cereale

Prelucrarea ulterioară necesită hidroliza fie amidonului purificat al procesului de
măcinare um edă, fie făina de porumb a procesului de măcinare uscată. Etapele de hidroliză
sunt similare atât pentru materiile prime. Hidroliza este necesară pentru un proces tipic de
fermentare a etanolului pe bază de amidon, deoarece majoritatea microorganismelor
utilizate în mod tradițional în fermentație nu pot descompune în mod eficient amidonul la

31
zaharuri. Amidonul este ușor hidrolizat de acizii anorganici și enzimele amilolitice.
Hidroliza enzimatică este utilizată cel mai frecvent [20 ].
Trestia de zahăr este a doua sursă majoră de bioetanol. Melasa, un produs secundar
al prelucrării zahărului, este utilizată pentru a produce bioetanol, dar sucul de trestie de
zahăr pretratat corespunzător poate fi deviat de la prelucrarea zahărului direct la producția
de etanol .
O tulpină de trestie de zahăr conține de obicei 12 –17% zaharuri fermentabile în
greutate. Restul este în mare parte fibre și apă. Principalul zahăr din sucul de trestie este
zaharoza, dar sunt prezente și unele fructoze și glucoz e. În fabrică, tulpina es te spălată,
tăiată în bucăți și mărunțită pentru a maximiza recuperarea sucului prin presare. Se adaugă
apă și se repetă presarea pentru a maximiza recuperarea zahărului. Un obiectiv al presării
este de a reduce la minimum conținutul de umiditate din solid ele reziduale sau bagasă , care
este ars pentru a genera aburi și electricitate la fabrica de zahăr.
În figura 2.5 este prezentată producția de zaharuri fermentabile din trestie de zahăr.

Figura 2.5 Producția de zahăruri fermentabile

Sucul este încălzi t la 30 –70℃ și tratat cu var (CaO) pentru a precipita impuritățile
sau nămolul. Nămolul este îndepărtat prin filtrare. Sucul limpede es te încălzit în continuare
la 105 ℃. Acest suc limpedit și concentrat este potrivit pentru utilizare în fermentație .
Zahă rul se cristalizează din soluție și este recuperat prin centrifugare. L icoarea rămasă este
melasa. Zahă rul brut se spală cu abur. Siropul concentrat rezultat este răcit pentru a
cristaliza zahărul , care este mai rafinat .

32
Deși sucul de trestie poate fi utili zat în fermentație pentru a produce bioetanol, în
mare parte se folosește melasa. Ca substrat de fermentație poate fi utilizat un amestec de
suc limpede și melasă. Acest substrat mixt este deosebit de potrivit, deoarece melasa
furnizează o parte din substa nțele nutritive în care sucul este deficitar și sucul diluează
melasa care poate conține compuși inhibitori ce pot afecta procesul de fermentare [20].
Lignoceluloza este cea mai abundentă și ieftină sursă de zaharuri fermentabile.
Lignoceluloza este disponibilă în reziduurile agricole și în biomasa nealimentară, dar nu
este utilizată pe scară largă pentru bioetanol din cauza rezistenței sale la hidroliză .
Tehnologia de producere a bioetanolului din biomasă lignocel ulozică se dezvolt ă și, în cele
din urmă, poate înlocui producția de zaharuri provenite din culturile alimentare.
În figura 2.6 este prezentată o schemă pentru producerea de bioetanol din biomasă
lignocelulozică.

Figura 2.6 Producția de bioetanol din lignoceluloză

Proces ul în urma căruia se obține etanolul din lignoceluloză este urmatorul:
biomasa uscată este măcinată și altfel redusă ca mărime. Se pretratează apoi pentru
solubilizarea ligninei. Această pretratare are tendința de a solubiliza, de asemenea,
hemiceluloza la zaharurile pentoase. Acestea sunt fermentate separat. Solidele de celuloză
din etapa de pretratare sunt hidrolizate enzimatic la glucoză care este fermentată într -o
fermentare tradițională. Bulionul din ambele procese de fermentare este distilat pentru a
produce 95% etanol. Filmul care iese din partea de jos a coloanei de distilare conține
lignina solubilizată. Etanolul distilat 95% este deshidratat suplimentar pentru a produce
etanol anhidru [20 ].

33
2.2 TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIODIESELULUI
Combustibilu l diesel, care are o gamă de formule chimice între C 10H20 și C 15H28 cu
o greutate moleculară medie 168, este un important combustibil petrolier lichid care este
utilizat pe scară largă în transport. Mai multe tehnologii au fost bine stabilite pentru a
produce biodiesel (esteri de acizi grași) din diferite materii prime.
Combustibilul biodiesel depinde în principal de culturile de petrol și 75% din costul
său de producție se datorează costului de producție al materiei prime . Peste 350 de culturi
cu ulei, at ât comestibile cât și necomestibile, au fost sugerate ca materii prime promițătoare
pentru fabricarea biodieselului.
Proprietățile conținutului de căldură (80% din combustibilul diesel),
disponibilitatea și reînnoirea fac din uleiurile vegetale o alternat ivă potențială pentru
combustibilul diesel. Nu este recomandat utilizarea 100% de ulei pentru combustibil
diesel, din cauza vâscozității sale ridicate. S-a descoperit că această problemă poate fi
redusă prin amestecarea uleiurilor vegetale cu motorina pură . Folosirea unui amestec de
uleiuri vege tale/motorină este cel mai simplu mijloc de a reduce vâscozitatea uleiului
vegetal, fără a fi necesară nicio procedură chimică. Până în prezent, au fost raportate
amestecuri de motorină convenționale cu ulei de floar ea soarelui, ulei de soia, ulei de
semințe de bumbac, ulei de rapiță, ulei de curcas Jatropha și ulei de pinnata Pongamia.
De asemenea, s -a aplicat amestecarea uleiurilor de gătit uzate și a motorinei cu un
raport adecvat. Un amestec de 20% ulei vegetal ș i 80% combustibil diesel a fost confirmat
posibil, iar unele experimente chiar au durat până la 50/50. Cu toate acestea, dezavantajele
evidente, precum vâscozitatea mai mare, volatilitatea mai mică și reactivitatea lanțurilor de
hidrocarburi nesaturate lim itează aplicarea pe scară largă. Astfel, acest amestec a fost
considerat ca nu potrivit pentru utilizarea pe termen lung în tr-un motor cu injecție direct
[22].
Au fost stabilite mai multe tehnologii pentru a produce biodiesel de înaltă calitate,
cum ar fi utilizarea directă și amestecarea, piroliza microemulsiilor de ulei vegetal și
transesterificarea. Utilizarea directă a uleiurilor vegetale amestecate cu motorină este
utilizată pentru a depăși dezavantajele folosirii uleiului vegetal pur vâscos. Aceste
dezavantaje includ cocsarea injectoarelor motorului după utilizarea pe termen lung, precum
și depuneri de carbon, îngroșarea și gelifierea lubrifiantului și lipirea inelului de ulei. O altă
soluție obișnuită este scăderea vâscozității uleiului vegetal prin preîncălzirea acestuia și, de
asemenea, îmbunătățirea procesului de atomizare și amestecare pentru a obține o
combustie mai bună.

34
Microemulsificarea poate fi utilizată pentru a rezolva problema vâscozității ridicate
a uleiurilor vegetale. Microemulsia este definită ca amestecuri lichide izotrope clare din
punct de vedere termodinamic stabile, cu dimensiuni cuprinse între 1 –150 nm, create
spontan din două lichide normal imiscibile și unul sau mai multe amfifile ionice sau
neionice. Microemulsiile constau din trei faze, care sunt tensioactiv, ulei și faza apoasă.
Metanolul și etanolul sunt solvenții obișnuiți folosiți în acest proces. Limitarea standard a
vâscozității pentru motoarele diesel poate fi obținută prin toate microemulsiile cu butanol,
hexanol și oc tanol. Procesul de piroliză este de asemenea utilizat pentru a îmbunătăți
calitatea biodieselului prin mijloace termice și catalitice. În piroliză, o conversie a unei
substanțe în alta poate fi obținută prin utilizarea căldurii sau cu ajutorul unui cataliz ator în
absența oxigenului. În comparație cu alte procese de fisurare, piroliza este foarte simplă,
fără deșeuri, f ără poluare și foarte eficientă [10].
Transesterificarea uleiurilor (trigliceride) cu alcoolul este cea mai dezvoltată și mai
promițătoare m etodă de producție de biodiesel care produce glicerină ca produs secundar.
Figura 2.7 prezintă reacția de transestrificare a trigliceridelor cu alcool .

Figura 2.7 Reacție de tran sesterificare a trigliceridelor

Transesterificarea sau alcoolizarea înlocu iește alcoolul dintr -un ester cu alt alcool
într-un mod similar cu hidroliza, dar folosind alcool în loc de apă. De obicei, catalizatorii
grăbesc finalizarea reacției de transesterificare. Mai multe variabile de funcționare, cum ar
fi temperatura de reacți e, timpul și presiunea, precum și raporturile molare de alcool la
ulei, concentrația și tipul de catalizator, intensitatea amestecării și felul materiei prime pot
afect a procesul de transesterificare [10].
Reacția de transesterificare presupune utilizarea unui ulei și a unui alcool ca
substraturi pentru prepararea esterilor și glicerolului. Procesul de reacție reversibil este
denumit și alcooliză. Pentru a conduce echilibrul în direcția produsului, excesul de alcool
este deseori încărcat. Pentru producerea de biodiesel sunt utilizate frecvent diferite materii
prime petrolifere, inclusiv uleiuri vegetale, uleiuri uzate și uleiuri derivate din

35
microorganisme sau microorganisme, precum și metanol sau etanol. Un catalizator
responsabil pentru îmbunătățirea vitez ei de reacție și a randamentului de biodiesel po t fi
alcaline, acizi sau enzime [22 ].
Figura 2.8 prezintă schema procesului de obținere a biodiesel ului produs prin
reacția de transesterificare folosind catalizator alcalin.

Figura 2 .8 Producției de biod iesel în conformitate c u procesul de transesterificare

Dacă uleiul supus transesterificării conține acizi grași liberi sau dacă apa depășește
limitele impuse, se formează săpunuri conform următoarelor reacții:
RCOOH + CH 3ONa → RCOONa + CH 3OH
(NaOH) (H2O)
acid gras catalizator săpun
CH 3ONa + H 2O → CH 3OH + NaOH
RCOOH + NaOH → RCOONa + H 2O
Pentru separarea acizilor grași din săpunuri acestea se tratează cu un acid, proces în
urma căruia se obțin acizi grași conform reacției:
RCOONa + HCl → RCOOH + NaC l

36
Totodată are loc și neutralizarea catalizatorului. Glicerina se separă de acizii grași
prin sedimentare sau centrifugare, iar excesul de metanol prin distilare.
Alcool, catalizatorul și uleiul se introduc în reactor și se agită timp de aproximat o
oră l a temperatura de 60 ℃. Reacția se poate desfășura în două trept e. În prima treaptă se
adăuga în reactor, sub agitare, aproximativ 80 % din cantitatea de alcool și catalizator
necasare. Masa de reacție este separate pentru îndepărtarea glicerinei, iar biodies elul se
introduce în cel de -al doilea reactor în care se adaugă restul de 20 % alcool și catalizator.
După terminarea reacției, urmează separarea glicerinei de esterii metilici. Datorită
insolubilității scăzute a glicerinei în esteri, în general, această se parare decurge repede într –
un rezervor decantor sau centrifugare.
Excesul de metanol trece în glicerină și urmează a fi recuperat prin distilare și
reciclat în process. Apa se poate adăuga la masa de reacție depă ce transesterificarea este
completă pentru a perfecta separarea glicerinei. Biodieselul se tratează cu acid pentru a
neutraliza catalizatorul și pentru hidroliza săpunului, după care este spălat și uscat în vid
până la umiditate reziduală de maxim 550 ppm [6].
Prin spălare se urmărește reținerea or icărei urme de catalizator, acid gras, săruri și
methanol sau glicerină liberă din biodiesel. Glicerina care se evacuează din generator are o
concentrație de circa 50 %. Ea conține metanolul în exces și cea mai mare parte din
catalizator și săpun. În aceast ă formă glicerina are o mica valoare și comercializarea ei pe
piață reprezintă o problemă.
Din cauza conținutului de metanol, glicerina este considerate un deșeu periculos.
Prima treaptă în rafinarea glicerinei constă în adăugarea de acid pentru hidroliza
săpunurilor la acizi grași liberi și săruri. Acizii grași liberi nu sunt solubili în glicerină și se
separă prin decantare sau centrifugare. Unele săruri din glicerină se pot elimina prin
precipitare.
După acidulare și separarea acizilor, se separă metano lul din glicerină printr -un
process cu detentă sau cu un alt tip de evaporator. Glicerina rezultată poate avea o
concentrație de apoximativ 85 % și se poate rafina pâna la 99,5 -99,7 % prin distilare sub
vacuum sau cu schimbător de ioni [21].
În prezent prod ucerea industrială a biodieselului are loc prin transesterificarea
uleiurilor vegetale sau grăsimilor animale prin prezența bazelor tari (NaOH, KOH,
CH 3ONa) în calitate de catalizatori.

37
În figura 2.9 este prezentat procesul de obținerea a biodieselului di n uleiuri cu
conținut scăzut de acizi grași.

Figura 2.9 Procesul de obținerea a biodieselului

Procesul de transesterificare decurge cu conversii foarte ridicate, dar în ciuda
excelentei productivități prezintă și o serie de dezavantaje care vor fi enu merate în cele ce
urmează:
– necesită utilizarea unor uleiuri rafinate cu un conținut foart eredus de apă și de acizi
grași liberi.
– prezența în materia primă a unui conținut mai mare de acizi grași necesită 2 etape
de sinteză, prima constând în esterificarea acizilor grași în cataliză acidă, iar a doua
transesterificare în mediu bazic, ceea ce scumpește mult costul de fabricație
– dificultăți în recuperarea și purificarea glicerinei, principalul produs secundar
– formarea de săpun, mono – și digrliceride, a căror prezență înrăutățește calitățile
biodieselului

38
– necesitatea îndepărtării catalizatorului din mediul de reacție prin spălarea cu apă,
ceea ce conduce la un volum mare de apă reziduale alcaline
– necesitatea purificării avansate a biodieselului în mai multe sta dii pentru
neutralizarea catalizatorului, deodorizare, îndepărtarea pigmenților formați în decursul
procesului de transesterificare și uscarea produsului după spălarea cu apă
– necesitatea conducerii reacției într -un exces mare de metanol ceea ce impune
separarea, recuperarea, purificarea și recircularea metaolului
– în cazul utilizării bioetanolului, din sinteză rezultă un azeotrop cu 95% alcool care
trebuie supus deshidratării pe site moleculare sau prin distilare azeotropă, ceea ce mărește
prețul de cost al produsului. În ace lași timp recuperarea și repurificarea etanolului
nereacționat este mult mai costisitoare comparativ cu metanolul care nu formează azeotrop
cu apa
– datorită faptului că metanolul anhidru este mult mai ieftin, producția industrială de
biodi esel este limitată la esterii metilici
În producția de biodiesel pe cale enzimatică, în prezența lipazelor drept catalizatori,
o mare parte din dezavantajele enumerate mai sus sunt eliminate.

Avantajele utilizării catalizei enzimatice pot fi sumarizate astfel:
– procesul de obținere a biodieselului pe cale enzimatică este o tehnologie verde cu
foarte puține etape de purificare și ușor de aplicat
– procesul decurge în condiții blânde, iar recuperarea glicerinei se realizează ușor,
fără necesitatea purificării sumplimentare
– absența etapelor de neutralizare -spălare elimină posibilitatea obținerii de ape
reziduale
– acizii liberi din materia primă sunt transformați direct în metilesteri și nu în săpun
ceea ce permite utilizarea unor uleiuri uzate și grăsimi anima le cu conținut ridicat de acizi
grași liberi, lipazele catalizând și procesul de transesterificare și procesul de esterificare
Aceasta permite conducerea procesului de sinteză a biodieselului într -un singur
stadiu, ceea ce simplifică mult procesul tehnolo gic și determină creșterea randamentului în
biodiesel și reducerea costurilor de purificare a biocombustibilului obținut [21].

39
În figura 2.10 este prezentată schema procesului de obținerea a biodieselului în
cataliză enzimatică.

Figura 2.10 Procesul de obținerea a biodieselului în cataliză enzimatică

– prezența apei are un impact pozitiv asupra productivității în biodiesel. Acest lucru
este foarte important deoarece la obținerea esterilor etilici se poate utiliza direct
azeotropul etanol -apă, fără a fi necesară anhidrizarea acestuia.
– procesul necesită un exces mult mai mic de alcool, iar biocatalizatorul poate fi
utilizat de mai multe ori
– cataliza enzimatică este cel mai efficient process de obținere a biodieselului din
uleiuri uzate provenite de la res taurant și fast -fooduri și din uleiuri industrial uzate
– datorită specificității ridicate a enzimelor și condițiilor blamed de operare aplicarea
catalizei enzimatice determină reducerea costurilor.
Cu toate aceste avantaje cataliza enzimatică prezintă și ur mătoarele dezavantaje :
– viteză de reacție scăzută
– costul enzimelor este mai ridicat în comparație cu prețul catalizatorilor bazici
– în exces de metanol stabilitatea enzimelor este redusă
Ținând cont de aceste dezavantaje, pentru a face competitive transeste rificarea
enzimatică la scară industrială este necesară rezolvarea următoarelor probleme:
– imobilizarea enzimelor de suporți adecvați
– selecția corespunzătoare a acil -acceptorilor
– selecția reactorului optim de sinteză
Procesul de transesterificare enzimatic ă este mult mai simplu comparativ cu
transesterificarea în cataliză bazică, fiind necesa r un număr mult mai mic de faze după cum
urmează:

40
1. transesterificarea
2. separarea și recircularea uleiului nereacționat a enzimelor și a alcoolului
3. separarea biodieselului prin decantare sau centrifugare
4. separarea prin rectificare a alcoolului de glicerină și recircularea acestuia
În figura 2.11 este prezentat fluxul tehnologic de obținerea a biodieselului prin
procesul de transesterificare enzimatică [21].

Figura 2.11 Schema procesului de transesterificare enzimatică

2.3 TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOBUTANOLULUI
Butanolul este un lichid incolor, inflamabil, utilizat pe scară largă în industriile
chimice ca solvent. Biobutanolul a atins un interes deosebit datorită potenția lului său de
viitor biocombustibil. Se așteaptă ca producția de biobutanol să poată reduce consumul de
combustibili pe bază de fosili de către industria auto și să reducă, de asemenea, emisiile de
gaze nocive în atmosferă [10].
Avantajele prezentate de uti lizarea biobutanolului în calitate de combustibil sunt
următoarele:
– conține 4 atomi de carbon în moleculă, comparativ cu 2 atomi de carbon în etanol,
fapt ce conduce la o densitate energetică mult mai mare
– butanolul are o volatilitate de 6 ori mai mica de cât etanolul și de 13,5 ori mai mica
decât benzina

41
– cifra octanică este apropiată de cea a benzinei și nu necesită modificări ale
motoarelor cu ardere internă, atât pentru amestecurile cu benzină cât și pentru
utilizarea biobutanolului 100%
– poate fi utiliza t în amestec cu combustibilii diesel
– poate fi amestecat cu benzina sau motorina în orice proporție, chiar în rafinărie
– prezintă o presiune de vapori mult mai mica comparatic cu benzina și etanolul
– este mult mai puțin hidrofil comparative cu etanolul
– poate fi manipulat în infrastructura petrolieră existent, inclusiv transportul prin
conducte
– este mult mai puțin susceptibil de separare din amestecurile cu benzină în prezența
apei comparative cu amestecurile benzină/etanol, ceea ce ușurează realizarea
amestec urilor, stocarea și transportul, blendelor cu benzină
– butanolul este mult mai puțin coroziv decât etanolul
– impactul cu mediul este redus deoarece biobutanolul este biodegradabil
– eliminare redusă de gaze (CO, NOx)
– atât n -butanolul cât și izo -butanolul prezi ntă caracteristici combustibile foarte bune.
Dezavantajele prezentate de utilizarea biobutanolului în calitate de combustibil:
– toxicitate mult mai ridicată comparativ cu etanolul
– separarea butanolului din amestecul rezultat prin fermentație este mai comp lexă,
necesitând echipamente specifice
– în anumite situații poate avea un efect negative asupra polimerilor și a unor metale
cu care vine în contact.
Procedeele de obținere a biobutanolului pot fi clasificate în două mari categorii, în
funcție de material p rimă utilizată:
– metode de sinteză pe bază de materii prime petrochimice
– metode de sinteză pe bază de materii prime agricole (biomasă) [23].
Materii prime amidonoase ce stau la baza sintezei biobutanolului sunt cartofii,
porumbul, grâul, etc. În cazul util izării cerealelor în calitate de sursă de carbon procesul
este mult mai complex, implicând operații suplimentare ca măcinare, prăjire, hidroliză și
zaharificare.
Etapele procesului de obținere a biobutanolului din porumb sunt prezentate în
următoarea figur ă. Deoarece după zaharificare rezultă o soluție diluată de glucoză de 3 -7%
se impune o fază intermediară de concentrare.

42
Schema generală de obținere a biobutanolului din materii prime agricole este
prezentată în figura 2.12.

Figura 2.12 Shema generală d e obținere a biobutanolului din diferite materii prime

Porumul cules din plantă este separate de particule fine și impurități cu ajutorul
unei suflante și a unei site. Porumbul curat și uscat este măcinat într -o moară hammer și
cântărit pentru a asigura un debit constant de alimentare în proces. În etapa de lichefiere
porumbul măcinat este amestecat cu apă, α -amilază termostabilă, ammoniac și oxid de
calciu într -un decantor.
Prin injecția aburului în sistem are loc gelatinizarea amidonului care este apoi
hidrolizat cu α -amilază în oligozaharide. Amestecul obținut este trecut apoi în reactorul de
zaharificare în care are loc transformarea oligozaharidelor de către glucoamilază în
glucoză. Procesul de zaharificare are loc la temperatura de 61℃. Suspensia rez ultată este
transferată într -un evaporator în care este concentrate până la o valoare optimă pentru
fermentația alcool -butanol -etanol [23].

43

Figura 2.13 sunt prezentate etapele procesului de obținere a biobutanolului din
porumb.

Figura 2.12 Fazele proc esului de obținere a biobutanolului din porumb

2.4 TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOMETANOLULUI
Biometanolul este un alcool cu un singur atom de carbon în moleculă,
corespunzător formulei CH 3OH. Pentru prima dată etanolul a fost obținut prin distilarea
uscată a lemnului, motiv pentru care a fost denumit spirit de lemn [23 ].
Biometanolul este produs în principal din digestia anaerobă sau fermentarea
biologică a substanțelor organice, de exemplu, gunoiul de grajd lichid și alte materii prime
de biomasă digera bile.
Biogazul poate fi utilizat ca substitut pentru gazele naturale. Gazul natural este
compus în principal din metan (95%) și etan (5%), în timp ce biogazul conține în principal
metan (45% -65%) și dioxid de carbon (30% -40%). Conținutul ma i mare de dioxid de
carbon (30% -40%) contribuie la energia mult mai mică a biogazului în comparație cu
gazul natural . Totuși, biogazul prezintă unele avantaje față de gazele naturale:

44
– materiile prime prime sunt regenerabile
– sunt economice,
– nu adaugă emisii cu effect de s eră în atmosferă
– este produs local independent de aprovizionarea cu petrol natural sau gaze naturale
– ajută la reducerea poluării produse de deșeurile organice
– ajută la ameliorarea problemelor de gestionare a deșeurilor.
În consecință, biogazul este util izat pe scară largă ca substitut al gazelor naturale în
autovehiculele, gătitul de masă, încălzirea casei și generarea de electricitate. Deoarece
biogazul brut conține de obicei umiditate, CO 2 și alte impurități, purificarea este de obicei
necesară pentru a actualiza bi ogazul înainte de utilizarea sa [24 ].
Avantajele utilizării biometanolului drept combutsibil alternative sunt următoarele:
– datorită numărului mic de atomi de carbon în moleculă, metanolul înglobează mult
mai multă energie comparativ cu benzi nă
– viteza de propagare a flăcării în timpul combustiei este ridicată, ceea ce mărește
eficiența combustiei și determină scăderea emisiei de VOC
– metanolul are o cifră octanică superioară benzinei ceea ce predispune mult mai
puțin la procese de autoaprinder e sub presiune și permite un raport de compresie
mai ridicat pentru o eficiență energetică mai mare
– căldura de vaporizare a metanolului este mai ridicată comparative cu benzina, ceea
ce indică la rândul ei o eficență termică ridicată la un raport aer/combu stibil mai
mic și o emisie mai scăzută de NOx
– emisia de particule este mult mai redusă, iar la M85 emisia de fum este determinată
de benzina prezentă în blende
– este ieftin și disponibil commercial obținându -se din materii prime regenerabile și
mai recent d in glicerina rezultată ca produs secundar la fabricarea dieselului
– este un produs lichid care este stocat și transportat cu ajutorul infrastructurii
existente utilizate pentru benzină.
Procedeele actual e pentru sinteza metanolului sunt grupate în două cate gorii:
– procedee ce au la baza sintezei materii prime fosile (metan, cărbune fosil sau
petrolier, gaze de rafinărie, etc.)
– procedee ce au la baza sintezei materii prime regenerabile (biomasa, glicerina,
pulpa rezultată la fabricarea zahărului din sfecla de zahăr)
Glicerina este un produs secundar care rezultă din instalațiile de obținere a
biodieselului. Prin transesterificarea uleiurilor vegetale rezultă aproximativ 10% glicerină

45
ca produs secundar. Sinteza metanolului din glicerină constă în transformarea acestuia în
gaz de sinteză, urmată de conversia catalitiză a acestuia la metanol.
În figura 2.13 este prezentat fluxul tehnologic pentru obținerea biometanolului din
glicerină.

Figura 2.13 Fluxul tehnologi pentru obținerea metanolului din glicerină

Glicerina purificată este evaporată și supusă reformării, proces care constă în
hidrogazeificarea glicerinei asistată de abur. Se obține astfel gazul de sinteză bogat în
hidrogen, care este supus conversiei catalitice la metanol.
Pulpa rezutată în urma extra cției zahărului din sfecla de zahăr poate deveni o sursă
semnificativă pentru obținerea biometanolului. Conține 55 -62% pectin cu un conținut de 9 –
10% grupări laterale metoxi esterificate cu grupările carboxilice din pectină. Prin hidroliza
enzimatică a gup ărilor esterice se obține metanol. Enzima specifică pentru deesterifcare
este denumită pectin metil esterază (PME).
Instalația de obținere a metanolului din pulpa rezultată după extracția zahărului
trebuie amplasată lângă instalația de fabricare a zahărulu i. În acest mod pulpa rezultă după
extracție, cu temperature de 60 ℃, este supusă direct hidrolizei enzimatice cu pectin metil
esterază ceea ce conduce la economii energetice însemnate nemaifiind necesară aducer ea
pulpei la această temperatură .

46
În figura 2.14 este prezentă schema instalației de obținere a biometanolului.

Figura 2.14 Instalație de obținere a biometanolului

Metanolul cu apa sunt separați în coloana de stripare, după care amestecul rezultat
este supus distilării în coloana de distilare ob ținându -se biometanolul pur.
Pulpa umedă de la baza coloanei de stripare este supusă compresiei, uscată și utilizată ca
furaj pentru animale [24 ].

47

II. CALCUL TEHNOLOGIC
CAPITOLUL 3
BILANȚUL DE MATERIALE AL PROCESULUI DE OBȚINERE AL
ALCOOLULUI DIN P ORUMB
În cea de -a doua parte a acestei lucrări este pezentat calcul tehnologic pentru
întocmirea bilanțul ui de materiale pe fluxul tehnologic al procesului de obținere al
alcoolului din porumb pornind de la următoarele date de proiectare.
Date de proiecta re:
– Cantitate de porumb prelucrată : 1550

– Timp de funcționare a instalației în regim continuu : 8000

– Debit de porumb prelucrat pe oră: 193,75

– Compoziția porumbului în prelucrare: – umiditate (w): 10,5%
– impurită ți (cs): 2,5%
– conținut de amidon (am): 58,3%
– substanță uscată (su): 28,7%
La fluidizare se folosește abur cu caracteristicile :
– 5 kg de abur⁄kg debit de materie primă intrată
– Temperatura: t = 100℃
La faza de precurățire se elimină conținutul de 2,5 % de impurități, iar reacțiile de
zaharificare decurg cu randamentul η = 95%.
În tabelul 3.1 este prezentată compoziția chimică a porumbului.
Tabel 3.1 – Compoziția chimică a porumbului.
Elemente Valori medii (
față de
produsul ca atare ) Delimitări
Apă 77,5 63-86
– Glucide
– Protide
– Lipide
– Cenușă 19,4
2,0
0,1
1,0 13-30
0,7-4,6
0,02-0,96
0,4-1,9

Schema tehnologică de obținere a alcoolului etilic din porumb este prezentată în figura 3.1.
Etapele de proces sunt:
– Recepția materiei prime care se face atât calitativă (ținând cont de umiditate, impurități,
conținut de amidon) cât și cantitativă .

48
– Depozitarea porumbului implică imobilizare de spatii, forță de muncă și mijloace de
transport. Precurățirea porumbului constă în îndepărtarea impu rităților (paie, nisip ș.a.)
– Măcinarea materiei prime este necesară pentru a obține un randament maxim de alcool cu
un consum mic de energie.
– Fluidizarea – etapa în care are loc transformarea materiei prime solide în lichid. Acest
procedeu are loc în prezență de abur.
– Zaharificarea reprezintă etapa în care amidonul se transformă în zahăr cu ajutorul
fermenților.
– Fermentarea are rolul de a transforma total zahărul în alcool si dioxid de carbon.
– Prin procesul de distilare se extrage alcoolul și al te substanțe volatile, iar rezidul rămas se
numește borhot.
– Rafinarea este procesul prin care se separă alcoolul brut rezultat la distilare de o serie de
impurități (aldehide, ammoniac, amide, etc.).
– Alcoolul rezultat urmează a fi stocat, îmbuteliat și livrat.
În tabelul 3.2 sunt prezentate simbolurile folosite în lucrare și procentele pierderilor
pe fluxul tehnologic de obținere a alcoolului din porumb.
Tabel 3.2 Pierderile pe fluxul tehnologic de obținere a alcoolului din porumb
Nr. crt. Etapa te hnologică Simbol Valoarea

1 Recepție P1 0,1
2 Depozitare P2 0,1
3 Transport P3 0,1
4 Precurățire P4 0,2
5 Măcinare P5 0,2
6 Fluidizare P6 0,1
7 Răcire la 55 ℃ P7 0,1
8 Zaharificare P8 0,1
9 Răcire la 30 ℃ P9 0,1
10 Însămânțare P10 0,1
11 Răcire la 20 ℃ P11 0,1
12 Fermentare P12 0,2
13 Distilare P13 0,15
14 Rafinare P14 0,1
15 Stocare P15 0,1
16 Îmbuteliere P16 0,1
17 Depozitare P17 0,1

49

Figura 3.1. Schema tehnologică de fabicare a alcoolului din porumb RECEPȚIE PORUMB
DEPOZITARE
TRANS PORT
CURĂȚIRE
MĂCINARE
FLUIDIZARE
RĂCIRE LA 55 °C
ZAHARIFICARE
RĂCIRE LA 30 °C
ÎNSĂMÂNȚARE
FERMENTARE
DISTILARE
ALCOOL BRUT
ÎMBUTELIERE
DEPOZITARE APĂ
PREPARAREA
CULTURII PURE DE
DROJDIE ÎN
LABORATOR
PREPARAREA
DROJDIILOR DE
ÎNSĂMÂNȚARE
BORHO T
DE
PORUMB SPIRT
TEHNIC ULEI DE
FUZEL RAFINARE
STOCARE RĂCIRE LA 20 °C

50
Determinarea bilanțului de materiale pe fiecare operație în parte reprezintă
determinarea cantităților de substanță ce intră respectiv ies din fiecare operație în parte,
ținând cont de pierderile specificate.

1. Recepție

(1)

(2)
Unde: D 0- debitul de porumb inițial
D1- debitul de porumb după prima etapă
P1 – pierderi la recepția materiei prime
2. Depozitare

(3)

(4)
Unde: D2- debitul de porumb după a doua etapă
P2- pierderi la depozitarea materiei prime
3. Transport

(5)

(6)
Unde: D3- debitul de porumb după a treia etapă
P3- pierder i la transportul materie i prime
4. Precurățire

(7)

(8)

51
În această etapă se elimină conținutul de impurități
:
(9)

(10)
Compoziția de bază înainte de precurăț ire :

Compoziția de bază după etapa de precurățire :

Unde: D4- debitul de porumb după etapa de precurăț ire
Dprecurățire – debit precurățire
P4- pierderi la precurățirea porumbului
5. Măcinare

(10)

(11)
Unde: D5- debitul de porumb după etapa de măcinare
P5- pierderi la măcinarea materiei pr ime
6. Fluidizare
La această etapă se folosește abur la presiunea de 2 atmosfere și temperatura de
110℃.
Debitu l de abur este dat de relația:

52

(12)
(13)

(14)
Compoziția de bază după etapa de precurățire :

…….
………
…………

…………….
………
………

Compoziția amestecului după etapa de fluidizare :

Unde: Ab 6- debitul de abur al etapei 6
D6- debitul de porumb după etapa de fluidizare
P6- pierderi la fluidizarea materiei prime
7. Răcirea la 55 ℃

(15)

(16)

53
Unde: D7- debitul de porumb după etapa de răcire
P7- pierderi la răcirea materiei prime
8. Zaharificare

(17)

(18)
Compoziția înainte de zaharificare :

…….
………
…………

…………….
………
………

Din
……… 95% → zahăr

amidon trecut în zahăr
amidon nereacționat

162 ………….. 18 ……………… 180
……….. x………………… y
apă consunată în rația de zaharificare
zahăr format
Inițial avem :
……
apă …..
amidon…..
substanț ă uscată

Reacție avem :

54

apă consunată……..
amidon reacționat ……..
zahăr
Final avem :
apă
amidon rămas
Total :
…..
……
……
……..

…………… w% …………………………….a m% ………………..s u% ……………..z%
Compoziția după zaharificare :

Unde: D8- debitul de porumb după etapa de zaharificare
P8- pierderi la zaharificarea materiei prime.
9. Răcirea la 30 ℃

(19)

(20)
Unde: D9- debitul de porumb după etapa de răcire la 30 ℃
P9- pierderi la etapa de răcire l a 30 ℃ a materiei prime
10. Însămânțare

(21)

(22)
Unde: D10- debitul de porumb după etapa de însămânțare
P10- pierderi la etapa de însămânțare a materiei prime
11. Răcirea la 20 ℃

(23)

55

(24)
Unde: D11- debitul de porumb după etapa de răcire la 20 ℃
P11- pierderi la etapa de răcire la 20 ℃ a materiei prime .
12. Fermentare

(25)

(26)
Compoziția amestecului înainte de fermentare :

Deci debitul intrat la fermentare va conține înainte de fermentare:
apă
amidon
subst anță uscată
zahăr

Reacția de fermentare decurge cu un randament de 95 %
. Astfel că din
zahăr
trece în alcool.
zahăr fermentat la alcool
zahăr rămas nereacționat
180 kg
…… 96 kg
…………88 kg CO 2
kg zahăr ……….x kg alcool……….y kg CO 2
alcool

56

Din amestecul intrat la fermentare se va elimina CO2, deci după această etapă
cantitatea amestecului va fi:

Compoziția după fermentare:

Unde: Dfermentare – debitul de fermentare
D12- debitul după etapa de fermentare
P12- pierderi la etapa de fermentare a materiei prime .
13. Distilare

(27)

(28)
În această etapă se separă alcoolul împreună cu apa de restul elementelor (amidon,
substanță uscată, zahăr) trecând în borhot. Acesta conține 90 % apă și 10 % celelalte
elemente.
100 kg amestec va conține la intrarea în etapa de distilare:
….
…
………..
….

57

kg amestec va conține :
m kg w………. n kg am ……….. o kg su …….. p kg z ……….. q kg alc.

Totalul componentelor din borhot:

100 kg borhot ………. 10 kg elemente…… 90 kg apă
y kg borhot……………..
kg elemente……… x kg apă

Borhotul va conține :

Compoziția borhotului:

După distilare, în alcool va rămâne:
și

58

Compoziția amestecului după distilare este următoarea:

Unde: Dborhot- debitul de borhot
D14- debitul după etapa de distilare
P14 – pierderi la etapa de distilare a materiei prime .
14. Rafinare

(29)

(30)
100 kg soluție alcool prelucrată……….
kg apă …………..4,410 kg alcool
kg soluție alcool …………….. x kg apă ………………… y kg alcool

100 kg alcool rafi nat……….4 kg apă …………..96 kg alcool
x kg alcool rafinat ……………..y kg apă …………………30,751 kg alcool

Unde: Drezidual – debitul de reziduu
D14- debitul de alcool după etapa de rafinare
P14- pierderi la etapa de rafinare a alcoolului .
15. Stocare

(31)

59

(32)
Unde: D15- debitul de alcool după etapa de stocare
P15- pierderi la etapa de stocare a alco olului .
16. Îmbuteliere

(33)

(34)
Unde: D16- debitul de alcool după etapa de îmbuteliere
P16- pierderi la etapa de îmbuteliere a alcoolului
17. Livrare

(35)

(36)
Unde: D17- debitul de alcool la livrare
P17 – pierderi la etapa de livrare a alcoolului

În tabelul 3.3 este prezentat bilanțul general de materiale pe fiecare etapă de proces.
Tabel 3.3 Bilanț general de materia le
Nr.
Crt. Etapa de
procesare Materiale intrate Materiale ieșite
Denumire Cantitate Denumire Cantitate
1 Recepție Debit porumb
intrat

Debit porumb
receptionat

Pierderi

2 Depozitare Debit
receptionat
Debit
depozitat

Pierderi

3 Transport Debit depozitat
Debit după
transport

Pierderi

4 Precurățire Debit după
transport
Debit după
precurățire

Pierderi

60
Tabel 3.3 (continuare)
5 Măcinare Debit după
precurățire
Debit după
măcinare

Pierd eri

6 Fluidizare Debit după
măcinare
Debit după
fluidizare

Pierderi

Debit de abur

7 Răcire la
55℃ Debit după
fluidizare
Debit după
răcire la 55℃

Pierderi

8 Zaharificare Debit după
răcire la 55℃
Debit după
zaharificare

Pierderi

9 Răcire la
30℃ Debit după
zaharificare
Debit după
răcire la 30 ℃

Pierderi

10 Însămânțare Debit după
răcire la 30 ℃
Debit după
însămânțare

Pierderi

11 Răcire la
20℃ Debit după
însămânțare
Debit după
răcire la 20 ℃

Pierderi

12 Fermentare Debit după
răcire la 20 ℃
Debit după
fermentare

Emisii de

Pierderi

13 Distilare Debit după
fermentare
Debit după
distilare

Debit borhot

Pierderi

14 Rafinare Debit după
distilare
Debit după
rafinare

Pierderi

Debit rezidual

15 Stocare Debit după
rafinare
Debit după
stocare

Pierderi

16 Îmbuteliere Debit după
stocare
Debit după
stocare

Pierderi

17 Livrare Debit după
imbuteliere
Debit livrare

Pierderi

Total 10509,174 10509,174

61

CAPITOL UL 4
PREDIMENSIONAREA COLOANEI DE FRACȚIONARE

Se urmărește pre dimensionarea unei coloane de f racționare finală a alcoolului etilic din
cadrul instalației de obținere a alcoolului prin ferme ntație, pornind de la următoarele date
de proiectare :
– Curba de echilibru y -x (anexă)
– Concentrația component ului mai volatil ( concentrația alimentării
)

– Concentrația produsului mai volatil în vârful coloanei

– Temper atura la vârful coloanei :

– Temperatura în vasul de reflux :

– Temperatura la baza coloanei :

– Coeficientul rației de reflux :

– Debitul de alimentare :

– Condiția termică a alimentării

În tabelul 4.1 sunt prezentate datele de echilibru lichid -vapori pentru amestecul alcool
etilic apă la presiunea atmosferică.
Tabel 4.1 Curba de echilibru a amestecului binar alcool etilic -apă
t ℃ x y
99,6 0 0
90,2 0,12 0,55
86,0 0,22 0,67
82,7 0,39 0,75
80,7 0,58 0,79
80 0,68 0,82
79,2 0,76 0,84
78,6 0,83 0,87
78,3 0,86 0,89
78,2 0,88 0,90
78 0,91 0,92
77,9 0,93 0,94
77,88 0,98 0,98
77,97 1 1

62

Schema instalației și întocmirea bilanțului de materiale
În figura 4.1 este prezentată o c oloană de fracționare cu o zonă de rectificare și o
zonă de stripare. Este o coloană simplă (clasică) și realizează separarea amestecului în
două produse: distilat și produs de blaz.

Figura 4.1 Coloana de fracționare

Ecuațiile de bilanț de masă (bilan ț de materiale) stau la baza tuturor metodelor de
calcul al coloanelor pentru fracționarea amestecurilor binare și multicomponente.
Cu ajutorul bilanțurilor masă se vor calcula principalele fluxuri ale coloanei:
F(debitul de alimentare), D (debitul de dist ilat), B (debitul de produs din blaz), L,V
(debitele de lichid și vapori din zona de rectificare a coloanei), L’,V’ (debitele de lichid și
vapori din zona de stripare).

4.1 BILANȚ DE MATERIALE PE COLOANA DE FRACȚIONARE A
AMESTECULUI BINAR
Coloana de frac ționare a amestecului binar este re dată schematic în figura 4 .2.
În figura sunt prezentate fluxurile interne și externe ale coloanei, compozițiile
acestor fluxuri și câteva contururi mai importante, pe care se fac bilanțurile de masă: –
conturul I: în juru l întregii coloane; liniile de contur intersectează numai fluxurile externe

63
ale coloanei; – conturul II: în jurul vasului de reflux, cu tot cu condensator; – conturul III:
în jurul refierbătorului.

Figura 4.2 Bilanțul de masă pe coloana de fracționare

a) Bilanțul de material e pentru conturul I în jurul întregii coloane .
– bilanțul global:

– bilanțul de material pe componentul mai volatil :

64

(37)
(38)

b) Bilanțul pe conturul II, în jurul vasului de reflux, cu tot cu condensator .
– bilantul global :

– bilanțul pe componentul mai volatil :

Rația reală de reflux se calculează astfel :
(39)
Rația min imă de reflux se calculează astfel :
(40)
Deoarece condiția termică a alimentării este:
în acest caz, compoziția fluxului
de lichid de pe talerul de alimentare este aceeași cu compoziția fluxului extern de alimentare:
.

Unde α m este voloatilitatea medie în coloană .
Relația de definiție a rației de relux este :

(40)

c) Bilanțul pe conturul III, în jurul refierbătorului.
Ecuațiile de bilanț global, respectiv pa rțial sunt:
(41)

(42)
Pentru cazul particular al a limentării la punct de fierbere :

(43)
(44)

65

(45)

4.2 D ETERMINAREA NUMĂRULU I DE TALERE TEORETICE PRIN METODA
SIMPLIFICATĂ MCC ABE -THIELE
Metoda se bazează pe reprezentarea grafi că a echilibrului lichid -vapori în sistem y –
x, dar și pe ecuații de bilanțuri de materiale.
Etapele de calcul :
1. Se reprezintă grafic curba de echilibru y -x ;
2. Se fixează pe diagonală punctele

3. Unim puncul de coordonate
cu punctual
. Obținem
dreapta superioară de pe diagonala de operare.
=

4. Intersecția dreptei superioare de operare cu linia q ( condiția termică a
alimentării
) reprezintă punctual M ;
5. Punctul
de pe diagonală se unește cu punctual M și se obține
dreapta inferioară de operare ;
6. Construcția talerelor va începe din punctul
de pe diagonala cu
orizontală până în curba de echilibru.
În urma reprezentării grafice au rezultat 18 de talere ceea ce înseamnă că
numărul de talere teoretice N tt = 19 (graficul obținut este prezentat în anexa) .

4.3 DETERMINAREA DIMENSIUNILOR GEOMETRICE ALE UNEI COLOAN EI
ECHIPATĂ CU TALERE ȘI CLOPLOȚEI
Dimensionarea tehnologică a unei coloane de fracționare înseamnă, în principal,
determinarea diametrului și a înălțimii coloanei .
Pentru acest calcul trebuie să stabilim fluxurile din coloană L, V, L’ și V’, debite
măsura te în
.
(46)
(47)
(48)

66

(49)

(50)

Unde: p este presiunea de 1 barr ;

;
este fracția molară;

constan tă universală a gazului ideal;

; temperatura în vârf citită din curba de
echilibru exprimată în grade Kelvin ;
– densitatea vaporilor în condiții de temperatură și presiune,
;
este densitatea lichidul ui,
.
este densitatea alcoolului la 78 ℃
este densitatea apei la 78 ℃ [25]
4.3.1 DETERMINAREA DIAMETRULUI COLOANEI CU CLOPOȚEI

Diametrul acestei coloane se calculează în două variante:
a) pentru sarcina maximă de vapo ri;
b) pentru sarcina maximă de lichid.
După ce s -au calculat cele două diametre, unul după sarcina maxima de vapori ,
celălalt după sarcina maxima de lichid, se adoptă cel mai mare diametru calculat.

a) Calculul după sarcina maxima de vapori (la vârful coloanei )

Pentru sarcina maxima de vapori ecuația aplicată la condiții specific e ale coloanei
este:

Unde:
este debitul maxim de vapori ,

este viteza admisibilă a vaporilor în sec țiunea liber ă a coloanei,

67

este aria tra nsversală a coloanei, [
]
este diametrul coloanei,

Stabilim un factor de înecare care pentru sistemul nostru, apă -alcooli are
următoarea valoare:
. Presupunem înălțimea deversorului,
iar
distanța dintre talere este
. În funcție de aceste valori putem determina
coeficientul de viteză din grafic, acesta asigură închiderea hidraulică,
.
În figura 4.3 este reprezen tat graficul pentru determinarea coeficientului de
capacitate.

Figura 4.3 Determinarea coeficientului de capacitate c pentru talere cu clopoței

(51)
Unde:
este viteza maxima admisibilă.

(52)

(53)

b) Calculul după sarcina maximă de lichid (în baza coloanei)

Principiul acestui calcul constă în aplicarea pricipiului continuității la curgerea
lichidului prin deversor.

68

Unde:
este debitul maxim de lichid din coloană,

este aria transversală a deversorului; ea reprezintă 10 – 15% din

este viteza în deversor, se alege cu valori înt re 0,06 și 0,14
, în
funcție de distanța dintre tal ere și de tipul de sistem ; viteza în deversor poate fi
estimată cu ajutorul graficului din figura 4.4 .

Figura 4.4 Estimarea vitezei liniare în deversorul talerelor cu clopoței

(54)
Se adoptă diametrul coloanei
obținut din calculul la sarcina maximă
de vapori la vârful coloanei.

4.3.2 DETERMINAREA ÎNĂLȚIMII COLOANEI CU CLOPOȚEI

Pentru orice tip de taler, numărul de taler e practice
se calculează cu relația:

Unde:
este numărul de talere teoretice,

este eficacitatea medie a talerului

69

este vâscozitatea lichidului la temperatura medie din coloană

(55)

(56)
(57)
După calcularea numărului de talere pract ice, se poate calcula înălțimea coloanei cu
relația :

(58)
Unde: s este 0,7m distanța dintre talere;

este distanța dintre talerul de sus și vârf: 0.5 ÷ 1 m;

este distanța dintre talerul de jos și bază: 1 ÷ 1.5 m.

70
CAPITOLUL 5
NORME DE SECURITATE ȘI S ĂNĂTATE ÎN MUNCĂ ÎN INDUSTRIA DE
PRELUCRARE A BIOMASEI
Pentru o funcționare normal ă a instala țiilor de prelucrare a biomasei trebuie să se ia
urmatoarele mă suri:
Manevrarea î ntregii aparaturi tehnologice trebuie încredințată numai muncitorilor
calificați și carora li s -a făcut instructajul de protecț ie a muncii pe locul respectiv.
Întreg personalul va fi dotat ș i va purta la fiecare loc de munc ă echipamentul de protec ție și
uzură prevăzut de normativele aflate în vigoare .
În sec țiile umede, unde au loc d egajări de aburi, vapori de ap ă (fierbătoare ,
zaharificatoare), gaze nocive (d ioxid ul de carbon din drojdie în etapa de fermentație ) sau
vapori de alcool ( distilare, rafinare, depozitul de alcool brut și rafinat) se vor prevedea și
folosi dispozitivele de ventila ție natural ă sau artificial ă.
În sec țiile care prezint ă pericol de incendiu se interzice fumatul, sudura de orice fel,
precum și utilizarea instala ției electrice ( cabluri, întrerup ătoare, motoare) neprotejate
contra sc ânteilor, care vor trebui s ă corespund ă normelor de securitate în muncă .
Fierbătoarele trebuie periodic supuse verific ărilor metrologice ca urmare a faptului
ca ele sunt recipiente sub presiune. În construc ția lor se va controla permanent tar ea
supapei de siguran ță care va trebui s ă acționeze la presiune ridicat ă.
Se interzice ag ățarea de contragreut ăți suplimentare pe bra țul supapei în afar ă de
cea normal ă. Scările, podelele, c ăile de acces de la înălțime trebuie prev ăzute cu balustrade
de protec ție.
Curățirea fierb ătoarelor se încredin țează numai muncitorilor califica ți și instrui ți
pentru aceast ă munc ă sub directa supraveghere a maistrului, cu respectarea urm ătoarelor
reguli :
– se monteaz ă o flan șă oarbă pe conducta de intrare în fierb ător ;
– se închid ventilele de aburi și ele se imobilizeaz ă cu lac ăt;
– accesul în fierb ător se va face numai dup ă răcirea acestuia.
Pentru curățirea și spălarea zaharificatoarelor se vor lua urm ătoarele m ăsuri de
siguran ță:
-se deconectaez ă electromotorul de siguran ța de ac ționare al agitatorulu i și se scot
siguran țele de la tabloul electric( c ând agitatorul este ac ționat prin curele, acestea se dau
jos de pe roata de curea );

71
-se închid ventilele de aburi și se imobilizeaz ă cu lac ăt;
-se închid și se imobilizeaz ă cu lac ăt ventilele de d escărcare de la fierb ătoare .
Manipularea subsțantelor chimice (formol, acid sulfuric) se va face utiliz ând
echipamentul de protec ție special (cizme, m ânuși) și șorț de cauciuc, ochelari de protec ție.
La manipularea acidului se va avea o deosebit ă grijă la manipularea în special a
damigenelor din sticlă. Muncitorii ce fac aceast ă opera ție vor fi special instrui ți pentru a
turna întotdeauna acid sulfuric în apă treptat, și niciodat ă invers.
Spălarea linurilor de fermentare se va face numai respect ând ur mătoarele reguli :
– se elimin ă dioxidul de carbon prin deschiderea gurilor de vizitare de jos timp de 4
ore, imediat ce nivelul pl ămezii a sc ăzut sub acest nivel. Pe la partea superioar ă a linului se
începe sp ălarea cu jet abundent de ap ă;
– se constat ă lipsa bioxidului de carbon prin proba cu lumanarea aprins ă;
– muncitorul echipat cu echipamentul de uzur ă și protec ție, la care se mai adaug ă
masca de gaze izolat ă cu tub flexibil și priza de aer curat din exterior, și centura de
siguran ță cu frânghie , poate cobo rî sub supravegherea a 2 muncitori, special instrui ți
pentru a interveni în caz de nevoie .
Curățirea și repararea aparatelor de distilare –rafinare se face numai dup ă oprirea și
răcirea lor și va fi încredin țată numai muncitorilor califica ți ce vor avea un instructaj
special [27].
În sec țiile de distilare – rafinare de g ăsesc substan țe a c ăror prezen ță în atmosfer ă
poate fi d ăunătoare. Aceste sec ții mai prezint ă pericol și din punct de vedere a incendi ilor
datorit ă inflamabilit ăților produselor și posib ilităților de formare în aer de amestecuri
gazoase explozive . Datorit ă acestor considerente, sec țiile de distilare -rafinare trebuie s ă fie
instalate în încăperi izolate.
Concentra țiile de produse admise ca limit ă în încăperea sec ției sunt: alcoolul etilic –
1,0 mg/l ; ester etilic -0,3 mg/l ; acetat de etil – 0,2 mg/l ; acetat de amil -0,2mg/l ; alcool
amilic -0,05 mg/l ; benzen – 0,1 mg/l .
Pentru evitarea cre șterii concentra ției acestor substan țe peste limitele admise
trebuie permanent c ontrolat ă atât etan șeitatea aparaturii tehnologice c ât și buna func ționare
a sistemelor de ventila ție.
Pericolul de incendiu apare în aceasta sec ție datorit ă temperaturii de aprindere, care
de fapt este temperatura cea mai joas ă la care vaporii substan țelor inflamabile dau cu aerul
amestecuri explozive și care se aprind imediat la o surs ă de foc .

72
CONCLUZII
Biocombustibilii joacă un rol important în satisfacerea nevoilor de energie datorită
potențialului lor de a reduce emisiile de gaze cu efect de sera și de a înlocui combusti bilii
fosili.
În prima parte a lucrării am stabilit definiția combustibililor ecologici și am
demonstrat faptul că este un combustibil curat, regenerabil și durabil. Aceste beneficii se
datorează în primul rând biomasei și în al doilea rând tehnologiilor moderne de conversie a
acesteia cum ar fi piroliza, gazeificarea, combustia sau conversia biochimică.
În a doua parte a prezentei lucrări am calculat bilanțul de materiale pentru obținerea
de acool etilic din porumb unde am constat că pentru un debit de 32 kg/h de alco ol este
nevoie de 193,75 kg/h materie primă. Iar pentru a obține un alcool de 90% puritate este
nevoie de o coloană de distilare cu un diametru de 0,310m și o înălține de 26,7m.

73
BIBLIOGRAFIE
[1] Dahman Y., Syed K., B egum S., R oy P., & Mohtasebi B. (2019 ) Biofuels: their
characteristics and analysis, pag. 277 –278
[2] https://www.our -energy.com/biofuels.html, accesat în martie 2019
[3] https://www.nationalgeographic.com/environment/global -warming/biofuel, accesat în
mai 2019
[4] Larson, E.D., (2008) Biofuel production technologies: status, prospects and
implications for trade and development,
[5] https://link.springer.com/chapter/10.1007/978 -981-10-0150 -5_10 Velázquez -Sánchez
H.I., Saldivar -García A., Aguilar -López R.,(2016), Bio fuel Production Technology and
Engineering, pag. 275 -299;
[6] Hubca G., Lupu A. (2013) Biocombustibili: biodiesel, bioetanol, sun diesel, bio butanol,
biometanol, bioaditivi , Ed. Matrix Rom, București, pag. 304 -307
[7] Javier Sánchez, María Dolores Curt, Ni colas Robert, Jesús Fernández, (2019), Biomass
Resources
[8] Anna Grevé, Lorenzo Barbanti, Simone Fazio, (2012), Biofuels. A controversial
solution on access to energy
[9] https://restartenergy.ro/energia -de-biomasa/energia -de-biomasa, accesat în mai 201 9
[10] Hayder A. Alalwan, Alaa H. Alminshid , Haydar AS Aljaafari, (2019), Promising
evolution of biofuel generations. Subject review, pag. 127 -139
[11] Lalitesh Chaudhary, Priya Pradhan, Nishant Soni, Pushpendra Singh, Archana Tiwari,
(2014), Algae as a F eedstock for Bioethanol Production: New Entrance in Biofuel World,
pag. 1382
[12] Harun Chowdhury, Bavin Loganathan, Israt Mustary, Firoz Alam,Saleh M.A. Mobin,
(2019), Algae for biofuels: The third generation of feedstock, pag. 324
[13] Thallada Bhaskar, Balagurumurthy Bhavya, Rawel Singh, Desavath Viswanath Naik,
(2011), Ajay Kumar, Hari Bhagwan Goyal, Thermochemical Conversion of Biomass to
Biofuels, pag. 53, 63 -75
[14] Dahman Y., Syed K., Begum S., Roy P., & Mohtasebi B.(2019), Biofuels. Biomass,
Biopo lymer -Based Materials and Bioenergy, pag. 277 –325
[15] Brown, R.C., M. Wright, (2009), Biomass conversion to fuels and electric power,
pag. 53 -64

74
[16] M. Fatih Demirbas, (2006), Current Technologies for Biomass Conversion into
Chemicals and Fuels. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental
Effects, pag. 1181 –1188
[17] B. R. A. Council, (2006), Biofuels in the European Union: A Vision for 2030 and
Beyond, European Communities, pag. 9
[18] P. Adams, T. Bridgwater , A. Lea -Langton , A. R oss , I. Watson, (2018), Biomass
Conversion Technologies, pag. 110 -115
[19] Mustafa Vohra, Jagdish Manwar, Rahul Manmode, Satish Padgilwar, Sanjay Patil,
(2013), Bioethanol production: Feedstock and current technologies, pag. 574 -580
[20] K. Karimi, Y Chis ti, (2017), Bioethanol Production and Technologies, pag. 275
[21] Hubca G., Lupu A. (2013) Biocombustibili: biodiesel, bioetanol, sun diesel,
biobutanol, biometanol, bioaditivi , Ed. Matrix Rom, București, pag. 110 -180
[22] Yan, J., & Yan, Y., (2017), Biod iesel Production and Technologies. Encyclopedia of
Sustainable Technologies, pag. 262 –264
[23] Hubca G., Lupu A. (2013) Biocombustibili: biodiesel, bioetanol, sun diesel,
biobutanol, biometanol, bioaditivi , Ed. Matrix Rom, București, pag. 515 -530
[24] Rua n R., Zhang Y., Chen P., Liu S., Fan L., Zhou N., Ding K., Peng P., Liu Y.,Wang
Y., Lei H., Li B., (2019), Biofuels: Introduction. Biofuels: Alternative Feedstocks and
Conversion Processes for the Production of Liquid and Gaseous Biofuels, pag. 3 –43
[25] K uzman Raznjevic, (1978), Tabele și diagrame termodinamice, editura Tehnică,
București
[26] Claudia Irina Koncsag, (2014), Procese de transfer de masă, Curs comun anul III
inginerie chimică, Constanța
[27] Pollin, R., Garrett -Peltier, H., Heintz, J. și Sch arber, H., (2008) Green recovery – A
program to create good jobs and start building a low -carbon economy .
http://www .peri.umass.edu/green_recovery/, accesat în 15 iunie 2019).