Biodiesel fuel production from microalgae

Abstract

Diagram and main stages of biodiesel fuel production from chlorella are given. Influence of cultivation conditions on the content of lipids in the extract of microalgae is considered. Chromatographic analysis of fatty acid composition of obtained lipid fraction is performed.

Full Text

Машинно-тракторный парк с.-х. производителей - главный потребитель светлых нефтепродуктов. На его эксплуатацию ежегодно расходуется около 5 млн т дизельного топлива [1]. Одна из наиболее актуальных задач на сегодняшний день - создание топлива для двигателей внутреннего сгорания из возобновляемых источников сырья. Такое топливо по свойствам должно соответствовать нефтяному, но иметь лучшие экологические показатели. Использование растительной биомассы в качестве первичного источника энергии для производства топлива представляет все больший интерес. В зависимости от используемого источника различают несколько поколений биодизельного топлива. Наиболее перспективным представляется использование микроводорослей как источника жиров (липидов) для его производства [2]. Процесс получения биодизельного топлива из микроводорослей состоит из следующих этапов. 1. Культивирование микроводоросли В качестве объекта культивирования выбрана одноклеточная зеленая микроводоросль Chlorella vulgaris. В задачу культивирования входят: выбор конструкции фотобиореактора, подбор оптимальных условий культивирования, создание стрессовых условий [3] с целью получения максимальной продуктивности биомассы, насыщенной жирными компонентами. В ходе исследований использовали циркулирующий трубчатый фотобиореактор, состоящий из нескольких секций (рис. 1). Часть секций служит для наращивания биомассы, остальные - для накопления жиров. 2. Извлечение липидов из биомассы Осуществляют разрушение клеточной оболочки хлореллы, затем экстракцию липидов органическим растворителем и их отделение. Предварительно экстракцию провели по методу Фолча. Пасту микроводорослей массой 1 г обработали метанол-хлороформенной смесью в соотношении 1:2 объемом 10 мл в делительной воронке. Для промывки экстракта от нелипидных компонентов использовали хлорид калия. К полученному экстракту добавили 0,9%-й раствор KCl из расчета 0,25 части от полученного объема экстракта и перемешали. После расслоения фаз отделили органическую фазу, в которой содержатся липиды. Растворитель выпарили при температуре 37-40 °С и взвесили осадок. Содержание масла, выраженное в виде массовой доли продукта (в процентах), вычисляли как отношение массы экстракта после сушки к массе пробы для анализа. Экстракцию биомассы микроводоросли хлорелла осуществляли в аппарате вихревого слоя, который создает вращающееся электромагнитное поле с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье. В результате происходит разрушение клеточных оболочек, затем биомасса подвергается многократной экстракции органическим растворителем (нефрас С2-70/85, хлороформ, метанол, четыреххлористый углерод) в аппаратах с закрученным потоком инертных тел [4]. Анализ липидных экстрактов проводили методом тонкослойной хроматографии [5]. С помощью хроматографического анализа устанавливали качественный и количественный состав компонентов жирных кислот в исследуемых липидах. На рис. 2 представлены данные по содержанию липидов в экстрактах при разных условиях культивирования. 3. Синтез биодизельного топлива В настоящее время практически все биодизельное топливо получают с помощью гомогенного катализа. Использование гомогенных катализаторов позволяет провести реакцию метанолиза липидного сырья со спиртом в мягких условиях. Частично по причине коррозионной безопасности, частично по кинетическим параметрам из гомогенных систем предпочтительны щелочные катализаторы, наиболее распространенные на сегодняшний день. Для синтеза биодизельного топлива использовался аппарат с вращающимся электромагнитным полем, которое налагалось на исходные продукты реакции при проведении метанолиза. Анализ графика, представленного на рис. 2, а, позволяет сделать вывод о том, что с уменьшением концентрации азотных компонентов в питательной среде наблюдается увеличение содержания липидов. Однако прирост биомассы при таком условии несколько ниже [4]. В связи с этим в конструкции фотобиореактора предусмотрено несколько секций, выполняющих разные функции. При интенсивности освещения 5×103…10×103 лк концентрация липидов приблизительно одинаковая (см. рис. 2, б). Значительное увеличение интенсивности освещения вызывает накопление липидов. При увеличении концентрации углекислого газа до 7-10% содержание липидных компонентов увеличивается. Однако повышение содержания углекислого газа в смеси и более длительное культивирование могут привести к гибели микроорганизмов или перерасходу углекислого газа. Поэтому применять большие концентрации углекислого газа экономически невыгодно. Хроматографический анализ экстрактов показал наличие в них следующих кислот: олеиновой - 68,3%, стеариновой - 3,2%, линолевой - 25,1%, линоленовой - 1,3%, арахидоновой - 1,8%, прочих кислот - 0,3%. На рис. 3 представлена схема получения смесевого топлива, состоящего из минерального дизельного топлива и топлива из биомассы микроводорослей. Культивирование хлореллы осуществляли в циркулирующем трубчатом фотобиореакторе ФБР, изготовленном из прозрачного оргстекла. Он работает следующим образом. Из емкости Е1 питательная среда Тамия 1 подается в фотобиореактор для культивирования. Через входной патрубок в него вводят суспензию микроводоросли 2 с помощью центробежного насоса Н. Через выходной патрубок суспензия микроводоросли отправляется в смеситель газов С, где происходит ее насыщение газовоздушной смесью. Газовоздушная смесь (воздух 6 и углекислый газ 5) подается компрессором К и углекислотным баллоном Б. Насыщенная газовоздушной смесью суспензия 3 микроводорослей снова отправляется в фотобиореактор. Для освещения используются светодиодные ленты. Часть итоговой суспензии микроводорослей отправляется в емкость Е2, а другая часть используется как посевной материал 4 для последующего культивирования. Отработавшие газы 7 удаляются в верхней части реактора через штуцер. Для циркуляции и перемешивания служит насос. Перемешивание суспензии осуществляется за счет барботирования газовоздушной смесью. Температура поддерживается терморегулятором. Биомассу микроводоросли 8 подвергают физическому воздействию в аппарате вихревого слоя АВС1, создающем вращающееся электромагнитное поле с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье. В результате происходит разрушение клеточных оболочек, предварительная экстракция экстрагентом 9. Затем проводят экстракцию в трехступенчатом аппарате А1-А3 с закрученным потоком инертных тел. После окончания экстрагирования экстракт 10 отделяют от обезжиренной биомассы 10а в центрифуге Ц1. Полученная липидная фракция 11 представляет собой смесь три- и диацилглицеролов в органическом растворителе. Отгонку органического растворителя 12 осуществляют в испарителе И. Полученная липидная фракция 13 направляется в аппарат для синтеза биодизельного топлива АВС2. В нем находятся ферромагнитные частицы, которые под действием электромагнитного поля начинают вращаться, интенсивно перемешивая продукты реакции. Далее реакционную массу 15 отстаивают в резервуаре очистки Р1, нейтрализуют, промывают, выпаривают воду 17. После чего в центрифуге Ц2 отделяют метиловый эфир 20 от глицерина 19. Метиловый эфир смешивают с дизельным топливом 21 в смесителе СМ. Выводы Для получения дизельного топлива из микроводорослей необходимо соблюдать оптимальные условия культивирования, обеспечивающие максимальный прирост биомассы и максимальное накопление липидов. Создавая так называемые стрессовые условия, можно добиться 80% накопления жиров в клетках микроводоросли. Предложена трехступенчатая схема экстракции липидных компонентов с предварительным разрушением клеточных оболочек, что позволит сократить время экстракции и увеличить выход липидной массы. Использование аппарата с вращающимся электромагнитным полем для синтеза биодизельного топлива способствует ускорению протекания реакции метанолиза.