Получение биодизельного топлива из микроводорослей

Аннотация

Приведены схема и основные этапы получения биодизельного топлива из микроводоросли хлорелла. Рассмотрено влияние условий культивирования на содержание липидов в экстракте микроводорослей. Проведен хроматографический анализ жирнокислотного состава полученной липидной фракции.

Полный текст

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.