Ивашечкин А.А.¹, Сергеева Я.Э.¹, Богдан В.И.², Мысякина И.С.¹, Лунин В.В.³, Феофилова Е.П.¹,

1 ФГБУН Институт микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН, г. Москва, просп. 60-летия Октября, д.7, корп.2

2 Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, г.Москва

3 Химический факультет, Московский государственный университет им М.В.Ломоносова

Получение нового биодизельного топлива на основе липидов мицелиальных грибов

В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что объемы ископаемых топлив – нефти и газа – существенно ограничены, и их добыча с каждым годом становится все дороже. Предполагают, что потребности в углеводородном сырье стабилизируются и пойдут на убыль уже в ближайшие годы за счет возобновляемых биотоплив. Среди последних наибольший интерес по прогнозам представляют биодизельное топливо и биоспирты (биоэтанол и биобутанол). Следует особо отметить, что развитие работ в области новых биотоплив обеспечивает, кроме независимости от ископаемых видов топлива, также экологическую чистоту и отсутствие необходимости в использовании систем с экстремально высокими плотностями энергии. В январе 2007 года ЕС были объявлены стратегические цели по обеспечению энергетической безопасности и приоритеты экологической политики, ориентированные до 2020 г.:

1. необходимость снижения выброса парниковых газов на 20%,

2. доведение доли альтернативных источников в энергетическом балансе до 20%,

3. 10% биотоплива в транспортной структуре топливного баланса.

Производство биодизеля в ЕС увеличилось с 5,6 млн. литров в 2006 г. до 7,7 млн. литров в 2008 году. Однако чтобы довести долю биотоплива в энергетическом балансе до 5,75%, необходимо увеличить уровень его производства до 24 млн. т., заменив, тем самым, 18,6 млн. т. ископаемого топлива. По состоянию на 2008 г в Европе было более 240 заводов по производству биотоплива общей мощностью 18,2 млн. л. Согласно различным прогнозам объем потребления биодизеля в ЕС к 2020 г достигнет от 20,4 до 26 млн. л.

Основным сырьем для производства биодизеля служит липиды масличных растений: рапс (страны ЕС), подсолнечник (Франция, Италия), соя (США, Бразилия, страны Африки), пальмовое масло (Индонезия, Малайзия). Но увеличение доли площадей, отводимых под возделывание данных культур, приводит к росту цен на продовольствие, усилению конкуренции за пользование земельными и водными ресурсами, а также сведению лесов. Попытки получения биодизеля из водорослей еще менее конкурентоспособны.

В настоящее время, взамен получения биодизеля из масел сельскохозяйственных растений появилась новая тенденция – получение возобновляемого топлива из биомассы микроорганизмов, среди которых наибольший интерес представляют мицелиальные грибы. По сравнению с растительными маслами, липиды грибов имеют ряд существенных преимуществ:

1. высокая скорость роста продуцента,

2. независимость выхода продукта от сезонных и климатических условий,

3. отсутствие потребности в посевных площадях,

4. возможность создания экологически чистых, безотходных технологий.

Нами создана и запатентована биотехнология получения биодизельного топлива на основе липидов мицелиальных грибов. В качестве продуцента используется олеогенный мукоровый гриб Cunnihghamella japonica, образующий до 50% липидов, близких по жирнокислотному составу маслу рапса. Длительность процесса ферментации при 27-28º C составляет 4-5 суток. По основным характеристикам биодизельное топливо на основе липидов грибов удовлетворяет основным требованиям основных стандартов (EN 14214).

В связи с тем, что в ряде стран рапс используется для создания биодизеля, и что липиды данного растения соответствуют требования предъявляемым к биодизелю, мы сравнили основные характеристики нашего биодизеля с таковым, созданным на основе липидов рапса Brassica napus. Полученные результаты показали, что величина цетанового числа (ЦЧ) биодизеля, полученного из липидов гриба составила 55,68, а биодизеля, полученного на основе рапсового масла – 51,74 МДж/кг. В требованиях европейских стандартов установлена минимальная граница данного показателя – 51 единица. ЦЧ – основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно влияет на запуск двигателя, жесткость работы, расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше ЦТ, тем более спокойное и плавное горение дизельного топлива, которое определяет высокие мощностные и экономиеские показатели работы двигателя.

На основании данных о количественном и качественном составе жирных кислот были рассчитаны другие характеристики биодизельного топлива, полученного на основе липидов мукорового гриба C. japonica, такие как степень ненасыщенности липидов и йодное число (ЙЧ). Степень ненасыщенности липидов мукорового гриба составила 1,06, липидов рапса – 1,34, величина йодного числа 90,81 и 114,91 соответственно. Согласно литературным данным величина йодного числа для рапса находится в пределах от 94 до 120. В России нет принятых стандартов для биодизеля, поэтому мы ориентировались на европейские стандарты EN 14214 и EN14213, согласно которым величина показателя ЙЧ не должна превышать 120 и 130 единиц соответственно. Содержание линоленовой кислоты в биодизеле не должно превышать 12%, а также суммарное содержание полиненасыщенных жирных кислот, содержащих 4 и более двойных связей, не должно превышать 1% от суммы жирных кислот.

Теплота сгорания является одной из важнейших характеристик топлива, служащих для оценки его энергетических возможностей и экономической эффективности. Полученные результаты показали, что низшая теплота сгорания биодизеля, полученного из липидов гриба, составила 37,27 МДж/кг, а биодизеля, полученного на основе рапсового масла – 37,31 МДж/кг. Следует отметить, что низшая теплота сгорания биодизеля на основе липидов гриба была определена экспериментально (в РГГУ нефти и газа им. И.М.Губкина), и составила 37,13 МДж\кг, т.е. расхождение рассчитанной и экспериментально полученной величины составило менее 1%. В требованиях европейских стандартов установлена минимальная граница данного показателя – 35 МДж\кг.

Таким образом, основываясь на полученных результатах и литературных данных можно сказать, что биодизель. полученный на основе липидов мкорового гриба C. japonica по ряду важнейших показателей соответствует требованиям европейских стандартов для биодизеля и аналогичен наиболее широко используемому в странах ЕС биодизелю на основе рапсового масла (Табл.1).

Табл. 1. Характеристика биодизельного топлива, полученного из разных источников.

Источник	Йодное число	Цетановое число	Теплота сгорания, МДж/кг
Дизельное топливо	-	47	45,3
Биодизель (EN 14214)	<= 120	=>51	=>35
Рапс Brassica napus	114,9	51,74	37,31
Cunnihghamella japonica F-1204	90,81	55,68	37,27

Показана возможность дальнейшего удешевления производства биодизеля. Это достигается путем внедрения современных биотехнологических приемов:

1. сокращением сроков ферментации. С этой целью проводится преинкубация спорового посевного материала в 1% растворе глюкозы в течение одного часа.

2. использованием в качестве посевного материала конидий, содержащих не менее 5% липидов.

3. удешевлением стоимости ферментационной среды, которое достигается введением дешевого источника азота (NH₄NO₃), а также источника углерода, в качестве которого используются отходы от с/х производств и лесоперерабатывающей промышленности, а также побочный продукт получения биодизеля – глицерин.

4. созданием схемы биотехнологического производства, включающей получение кроме биодизеля других целевых продуктов, например, одновременное получение ряда лекарственных препаратов противоожогового назначения, аминополисахаридов, глицерина и др.

5. замена растворителей для извлечения липидов из биомассы грибов на критический CO₂.

Это, как и указанные выше пункты, позволит получить практически безотходное экологически чистое биотехнологическое производство, причем по предварительным данным полученный нами биодизель будет дешевле, чем получаемый на основе триацилглицеринов рапса.