Химия и химическая технология/6. Органическая химия

Д.т.н. Нагорнов С.А., к.х.н. Романцова С.В., к.т.н. Корнев А.Ю.,

Мещерякова Ю.В., Ерохин И.В.

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, Россия

Извлечение фракции триацилглицеринов микроводорослей как сырья для производства биотоплива

В последнее десятилетие развитие биоэнергетики в России и за рубежом является одним из приоритетных стратегических направлений. Биомасса находит всё более широкое применение в качестве возобновляемого энергетического ресурса, всё более расширяется спектр способов её преобразования. Поэтому актуален поиск новых видов биомассы, одним из которых является альгомасса микроводорослей, для которой разрабатываются новые технологии переработки и комплексного использования. Например, триацилглицерины, извлекаемые из водорослей, могут быть использованы как сырьё для синтеза биодизельного топлива. Но одновременно с липидами из альгомассы можно извлечь хлорофилл, фикоцианин, каротиноиды (например, бета-каротин, астаксантин), которые являются ценным сырьём для фармацевтической, пищевой и химической промышленности.

Биомасса микроводорослей удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к растительному сырью энергетического назначения, и имеет ряд преимуществ перед другими возобновляемыми растительными ресурсами. Так, для роста и развития микроводорослей может быть использовано солнечное или искусственное освещение; их выращивание требует меньшего количества воды, чем традиционные пищевые культуры, водоросли можно выращивать и в солёной воде, и на сточных водах, сохраняя ресурсы чистой воды; для роста альгомассы необходим углекислый газ, поэтому микроводоросли служат эффективным поглотителем антропогенного углекислого газа, превращая его в источник энергии. Микроводоросли способны продуцировать триацилглицерины на порядок больше, чем наземные, в том числе масличные растения. Так, с 1 га рапса может быть получено до 1,2 т триацилглицеринов в год, а Haematococcus pluvialis может дать от 13 до 30 т/год триацилглицеринов; выращивание водорослей не нуждается в использовании пахотных земель, плантации можно размещать на поверхности водоёмов, прудов-отстойников или использовать специальные биореакторы. Кроме того, микроводоросли не являются традиционным пищевым и кормовым сырьём.

Водоросли обладают способностью изменять качественное и количественное соотношение синтезируемых органических компонентов (белки, углеводы, липиды, в том числе триацилглицерины) в зависимости от состава питательной среды и других условий. Меняя условия культивирования, можно регулировать (повышать) не только количество биомассы, но и концентрацию целевых продутов: белка от 8 до 60 % и более, углеводов от 6 до 37 %, липидов от 5 до 80 % [1].

Триацилглицерины липидной фракции запасных веществ микроводорослей являются исходным сырьём для получения биодизельного топлива. Количество синтезируемых липидов может варьироваться в довольно широком интервале [2-4]. Минимальное содержание триацилглицеринов наблюдается у представителей классов Prasinophyceae, Cyanophyceae, Bangiophyceae (до 18 %), а максимальное характерно для представителей классов Chlorophyceae, Bacillariophyceae, Prymnesiophyceae, Chrysophyceae, Haematococcus pluvialis (до 45 %) и Botryococcus braunii (до 80 %).

Высокий показатель выхода липидов является одним из основных критериев отбора перспективных для биоэнергетики классов микроводорослей. Также они должны отличаться минимальными требованиями к условиям внешней среды в рамках промышленного выращивания (освещение, обогрев, состав питательных сред) и содержать максимальное количество триацилглицеринов оптимального, для получения жидкого биотоплива, жирнокислотного состава.

Поскольку многие формы микроводорослей, обладают довольно прочными клеточными оболочками, извлечение липидов предполагает предварительное их разрушение по запатентованному методу [5]. Метод основан на разрушении у микроводорослей клеточных оболочек в аппарате, в котором на сырьё воздействуют ферромагнитные частицы, хаотически движущиеся в вихревом электромагнитном поле. Степень разрушения клеточных оболочек при этом достигает 99,8%. Для создания электромагнитного поля предлагается использовать индуктор с тремя обмотками (число витков одинаково); оси обмоток сдвинуты по отношению друг к другу на угол 120°. Переменное электромагнитное поле в обмотках возбуждают синусоидальные токи, с одинаковыми амплитудами, но при этом сдвинутые на четверть периода (90°). Электромагнитное поле индуктора за один период поворачивается на 360°, в результате чего происходит равномерное и непрерывное изменение направления магнитного поля во времени. Магнитное поле вращается во времени со скоростью 30 с^-1. Значение величины магнитной индукции составляет 0,13 тесла. Ферромагнитные частицы по форме представляют собой стальные цилиндры, их длина 13 мм, а диаметр 1 мм. Реакционная камера, в которой находятся ферромагнитные частицы, ограничена сетками, это препятствует выходу частиц при сливе суспензии альгомассы. Для извлечения триацилглицеринов полученная суспензия экстрагируется органическим растворителем. Для этих целей могут быть использованы хлороформ, четыреххлористый углерод, нефрас-С 2-70/85. Максимальное извлечение триацилглицеринов достигается тем, что биомасса поступает в роторный импульсно-кавитационный аппарат, где подвергается полифакторному воздействию, которое заключается в пульсациях скорости и давления потока суспензии, в том числе пульсации давления происходят в локальных ее объемах; интенсивной кавитации, развитой турбулентности. Суспензия проходит через каналы ротора и статора и рабочую камеру, при этом степень извлечения триацилглицеринов составляет 92 %. В экстракте в незначительных количествах присутствуют органические примеси (углеводы, каротиноиды). Отделение экстракта от обезжиренной биомассы осуществляется путем центрифугирования. После отделения растворителя выход триацилглицеринов (сырьё для синтеза биодизельного топлива) составляет 90%.

Обезжиренная альгомасса содержит легкоусваиваемый клеточный белок, её можно использовать в животноводстве как белковую кормовую добавки.

Литература:

1. Гончаров А.Ю., Зотов А.Б. Зависимость удельной продукции микроводорослей от обеспеченности поверхности клеток биогенными элементами // Экология моря, 2003. Вып. 64. С. 51-55.

2. Басова М.М. Жирнокислотный состав липидов микроводорослей (обзор) / Препринт. – Севастополь: ИнБЮМ НАНУ, 2003. 34 с.

3. Durand-Chastel H. Production of Spirulina biomass rich in gamma-linolenic acid fnd sulfolipids // Bull. de l’Institut oceanographique Monako, 1999. № 19. P. 541-546.

4. Alvarez-Cobelas M. Lipids in microalgae: a review. Part II: Environment. Grassas y Aceites, 1989. Vol. 40. P. 213-223.

5. Патент РФ № 2008137841/13, 22.09.2008. Нагорнов С.А., Клеймёнов О.А., Романцова С.В., Матвеев О.В., Рязанцева И.А. Способ извлечения липидов из биомассы.