CC BY
106
УДК 662.758
Доцент Е.И. Акулинин, доцент Е.В. Пешкова, ассистент М.С. Темнов, ст. преподаватель А.А. Андросова
(Тамбовский гос. техн. ун-т) кафедра технологии и оборудования пищевых и химических производств, тел. (4752) 63-94-42 E-mail: temnov.mihail@mail.ru
Associate Professor E.I. Akulinin, Associate E.V. Peshkova, Assistant M. S. Temnov, Senior Teacher A.A. Androsova
(Tambov state technical university) chair of technology and equipment of food and chemical productions, tel. (4752) 63-94-42 E-mail: temnov.mihail@mail.ru
Автономная система обеспечения фермерских хозяйств биодизельным топливом
Autonomous system of providing farms with biodiesel fuel
Реферат. Российское дизельное топливо (ДТ) является экспортным продуктом. Более половины произведенного в нашей стране дизельного топлива реализуется на внешнем рынке, при этом на внутреннем рынке наблюдается его дефицит. Реализуемое на внутреннем рынке ДТ имеет высокую стоимость и прогнозируется ее увеличение на б % в 2015 г. В качестве альтернативы ДТ возможно использование биодизельного топлива на основе биомассы микроводорослей. Микроводоросли по сравнению с другими видами растительного сырья имеют следующие преимущества [3]: высокое усвоение световой энергии от 3 до 8 %, в то время как для наземных растений эта величина составляет 0,5 - 2 %, что обеспечивает высокие урожаи биомассы и высокую скорость размножения, высокая поглотительная способность по углекислому газу, обеспечение стабильных условий роста биомассы клеток микроводоросли, отсутствие фактора сезонности, возможность полной автоматизации процесса культивирования; экологичность производства, т.к. культивирование осуществляется без использования удобрений и пестицидов. Для роста биомассы микроводорослей необходимо обеспечить следующие условия: питательную среду (Тамийя или оптимизированная среда Тамийя); постоянное обогащение суспензии газовоздушной смесью (с содержанием углекислого газа до 2 %); температуру суспензии в диапазоне 28-30 °С; интенсивное освещение суспензии; рН на уровне 5,5-7,5.
Summary. The Russian diesel fuel (DF) is an export product. More than a half of the diesel fuel made in our country is realized in a foreign market, thus in domestic market its deficiency is observed. DT realized in domestic market has high cost and its increase by 6 % in 2015 is predicted. As an alternative DT is possible use of biodiesel fuel on the basis of biomass of microseaweed. Microseaweed in comparison with other types of vegetable raw materials have the following advantages: high assimilation of light energy from 3 to 8 % while for land plants this size makes 0,5 - 2 % that provides big crops of biomass and high speed of reproduction, high
© Акулинин Е.И., Пешкова E.B., Темнов M.C., Андросова A.A., 2015
absorbing ability on carbon dioxide, providing stable conditions of growth of biomass of cages of a mik-rovodorosla, lack of a factor of seasonality, possibility of full automation of process of cultivation; environmental friendliness of production since cultivation is carried out without use of fertilizers and pesticides. For growth of biomass of microseaweed it is necessary to provide the following conditions: a nutrient medium (Tamiyya or the optimized environment of Tamiyya); continuous enrichment of suspension airgas mix (with the content of carbon dioxide to 2 %); suspension temperature in the range of 28-30 °C; intensive illumination of suspension; pH at the level of 5,5-7,5.
Ключевые слова: микроводоросль Chlorella vulgaris, липиды, компоненты смесевого биодизельного топлива, технология получения биотоплива, автономная система энергообеспечения.
Keywords: Chlorella vulgaris microalga, lipids, components of smesevy biodiesel fuel, technology of receiving bio - fuels, autonomous system of power supply.
Российское дизельное топливо (ДТ) является экспортным продуктом [1]. Более половины произведенного в нашей стране дизельного топлива идет на внешний рынок, при этом на внутреннем рынке наблюдается его дефицит. Реализуемое на внутреннем рынке ДТ имеет высокую стоимость и прогнозируется ее увеличение на 6 % в 2015 г. По данным Международного центра качества топлива в 2014 г. Россия занимала 58-е место по качеству ДТ [2].
В качестве альтернативы ДТ возможно использование биодизельного топлива на основе биомассы микроводорослей. Микроводоросли по сравнению с другими видами растительного сырья имеют следующие преимущества [3]: высокое усвоение световой энергии - от 3 до 8 %, в то время как для наземных растений эта величина составляет 0,5 - 2 %, что обеспечивает высокие урожаи биомассы и скорость размножения; высокая поглотительная способность по углекислому газу; обеспечение стабильных условий роста биомассы клеток микроводоросли; отсутствие фактора сезонности; возможность полной автоматизации процесса культивирования; экологичность производства, т.к. культивирование осуществляется без использования удобрений и пестицидов.
Биомасса микроводорослей удваивает свою численность в среднем каждые 10-12 ч (рис. 1) и при благоприятном составе питательной среды (обедненной азотсодержащими соединениями) способна накапливать большое количество липидов, которые затем могут быть экстрагированы из биомассы клеток.
50
40
с; 2
н а>
S 20^
о ш т
10
- Г'\ г -i
о ..) Li L О
с ) с
М ' л
О -- L J С) с
> О С с ) О
о
2
14
16
4 6 8 10 12 Время культивирования, сутки Рис. 1. Кинетика накопления биожассы Chlorella vulgaris ИФР Nq С-111 на стандартной питательной среде Тамийя
Для роста биомассы микроводорослей необходимо обеспечить следующие условия:
- питательную среду (Тамийя или оптимизированная среда Тамийя),
- постоянное обогащение суспензии газовоздушной смесью (с содержанием углекислого газа до 2 %),
- температуру суспензии в диапазоне 28-30 °С,
- интенсивное освещение суспензии,
- рН на уровне 5,5-7,5.
Как видно из рис. 1, максимальное количество биомассы в суспензии наблюдается на 7-9 день культивирования (начало стационарной фазы роста). Поэтому стрессовые условия (дефицит азотсодержащих веществ) следует создавать именно в начале стационарной стадии роста. В стрессовых условиях наблюдается гибель некоторого числа клеток (рис. 2, а), при этом клетки почти прекращают поглощать азот при его концентрации ниже 20 мг/л (рис. 2,6), синтез белков почти прекращается, клетки увеличиваются в размерах в 1,5-2 раза и начинают накапливать запасные питательные вещества - триглицериды.
После культивирования в условиях стресса в течение 4-6 дней содержание внутриклеточных липидов (триглицеридов) составит примерно 34-37 % от общего содержания сухих веществ биомассы.
52г
5
I 50-
° 46-
г
с:
19
О
i 18В ä
§17
ь
? 16h
15„L
ТГ
2 3 4
Время культивирования, сутки
а
2 3 4 5
Время культивирования, сутки
б
Рис. 2. Динамика изменения количества клеток при культивировании в стрессовых, условиях (а), изменения концентрации нитрат-анионов в суспензии Chlorella vulgaris ИФР N° C-l 11 (б)
Эскизная схема получения биодизельного топлива из биомассы микроводорослей Chlorella vulgaris представлена на рис. 3. На 1-й стадии происходит рост биомассы микроводорослей. По истечении 8 сут концентрация биомассы в растворе достигает максимума (50-55 млн.кл/мл). На 2-й стадии часть раствора отбирается (примерно 50 %) и подвергается центрифугированию. Фильтрат возвращается на первую стадию; осадок, образованный влажной биомассой (50 % воды), переходит на следующую стадию.
5
J
5
5
Свет
Орг. растворитель
Метанол Едкий калий
Лимонная кислота
Штамм
Вода, питательная среда.
Рост биомассы
Центрифугирование
£
Дезинтеграция кле-
-► точных оболочек и
экстракция
Центрифугирование
Дистилляция мнсце-ллы
Переэтерификация
Сепарирование
Н ейтрали зацпя
Сепарирование
-+■ Кислород, углекислый газ. Фильтрат
Шрот
Отработанный растворитель
Глицерин
Цитрат калия
Биодизельное топливо
Рис. 3. Схема производства биодизелъного топлива
На 3-й стадии концентрат водорослей подвергают обработке в аппарате вихревого слоя [5]. В результате воздействия движущихся ферромагнитных частиц, создающих эффект кавитации, происходит дезинтеграция клеточных оболочек, что обеспечивает доступ экстрагента, в качестве которого используется смесь этанола и нефраса С2 80/120 внутрь клетки, а также процесс экстракции, который интенсифицируется за счет перемешивания.
Полученную смесь экстракта и биомассы, состоящей из клеток, у которых повреждены толстые клеточные стенки, подвергают центрифугированию II (стадия 4). Отделенный фугат отправляется на очистку от органического растворителя, а полученная мисцелла поступает на дистилляцию (стадия 5). В процессе стадии дистилляции мисцеллы происходит разделение органического растворителя и выделенных из микроводоросли технических жиров. Полученное масло на 6-й стадии при взаимодействии с метиловым спиртом претерпевает переэтерификацию. Процесс интенсифицируется за счет поддержания температуры на уровне 60 °С и
внесения катализатора - едкого калия. В результате данной реакции образуется глицерин и метиловый эфир.
Для выделения побочного продукта - глицерина - смесь подвергают сепарированию I (стадия 7). В качестве катализатора используется гидроксид калия, который нейтрализуют на стадии 8 раствором лимонной кислоты. При этом образуется хорошо растворимая в воде соль - цитрат калия.
На стадии 9 при помощи сепарирования II выделяют готовый продукт - метиловый эфир. Побочным продуктом является раствор цитрата калия.
Предлагаемая схема процесса получения биотоплива может быть реализована в виде автономной системы, позволяющей осуществлять непрерывный процесс воспроизводства биотоплива (рис. 4).
Рис. 4. Схема автономной системы энергообеспечения фермерского хозяйства
Выращивание биомассы микроводорослей осуществляется в емкости, куда периодически подается питательная среда. Готовая биомасса (с концентрацией 5060 млн.кл/мл) перерабатывается в биодизельное топливо. Полученное биотопливо может использоваться для заправки сельскохозяйственной техники, а также дизельного генератора, обеспечивающего нормальное функционирование автономной системы энергообеспечения, в частности освещение и поддержание температуры в емкостях, используемых для культивирования биомассы микроводорослей. Отделяемая от биомассы в процессе центрифугирования вода может использоваться вторично для культивирования штамма Clorella vulgaris. Шрот, остающийся после извлечения нейтральных липидов из биомассы, после очистки от экстрагентов может быть использован как добавка к корму сельскохозяйственных животных. Кроме того, побочные продукты, образующиеся при получении биотоплива, - цитрат калия и технический глицерин - могут быть в дальнейшем реализованы.
Эффективность данной технологии может быть продемонстрирована на следующем примере. При использовании группы емкостей, заполненных водой до высоты 0,5 м с общей площадью поверхности 1000 м2 (что соответствует ангару средних размеров), объем суспензии составит 475 м3, а объем получаемого топлива -приблизительно 190 кг/сут. Предлагается в существующих ангарах с сельскохозяйственными животными организовать второй ярус с размещением на нем емкостей с суспензией микроводорослей. Это позволит обеспечить, во-первых, экономию пространства, т.к. не потребуется дополнительных площадей для установки
оборудования, во-вторых, за счет создания дополнительных оконных проемов в крыше уменьшить требуемое количество освещения, так как будет использоваться дневной свет.
Углекислый газ, получаемый при сжигании биодизеля дизельным генератором, будет использоваться для выращивания биомассы микроводорослей, а очищенный жмых, образующийся в процессе получения биодизеля, - в качестве кормовой добавки для крупнорогатого скота. Также в процессе накопления биомассы микроводоросли будут усваивать углекислый газ, выделяющийся в процессе жизнедеятельности домашних животных, и производить кислород, который выделяется в процессе фотосинтеза. Таким образом, получается фактически замкнутый цикл производства. Для обеспечения оптимального роста биомассы микроводорослей с высоким содержанием липидов извне необходимо добавлять только определенное количество питательной среды.
Для справки приведем примерное потребление дизельного топлива среднестатистическим фермерским хозяйством Тамбовской области, с земельным наделом 179 га (таблица) [4].
Таблица
Требуемая техника и расход топлива
Наименование Количество, шт. Потребление, кг топлива/час
Гусеничный трактор ДТ-75М 1 16,6
Колесный трактор Т-150К 1 28,4
Колесный трактор МТЗ-80 1 13,2
Комбайн «Нива» 2 50,2
Грузовая машина «Газель» 1 10
Дизельный генератор Cummins С66 D5 1 10
Итого (с запасом 15 %): к 150
Из 1 л суспензии микроводорослей можно выделить приблизительно 1 г сухой биомассы микроводорослей, содержание липидов в этой биомассе будет приблизительно 0,2-0,4 г (в расчетах использовалось значение 0,2 г липидов).
По разработанной технологии получения биодизеля при смешении масла и метанола 1:6 (мол.) и использовании щелочного катализатора выход продукта составит 95% от общей суммы взятых исходных веществ [5]. Практически следует взять 1500 : 0,95 = 1578 кг исходных веществ. Из них 947 кг составит масло. При общем объеме емкостей в 475 м3 согласно вышеприведенным расчетам будет получено 95 кг масла. Для получения 947 кг масла потребуется суспензии объемом 4735 м3. Такой объем соответствует площади примерно 10 ангаров.
Проведенные расчеты показывают принципиальную возможность разработки и реализации автономной системы обеспечения фермерских хозяйств биодизельным топливом в условиях средней полосы РФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Махлин, П.В. Ценообразование на российском рынке нефтепродуктов. Проблемы и решения [Электронный ресурс] (http://www.budgetrf.ru/Publications/Magazines/VestnikSF/2011 /VSF NEW2011101 41341/VSF NEW201110141341 р 005.htm)
2. INTERNATIONAL GASOLINE RANKINGS [Электронный ресурс] International Fuel Quality Center. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.ifqc.org/NM Top5.aspx свободный. -Загл. с экрана.
3. Gouveia, Luisa / Microalgae as a Feedstock for Biofuels.y4e6./ Luisa Gouveia.
- Springer, 2011.
4. Тамбовское областное государственное бюджетное учреждение «Региональный информационно-консультационный центр агропромышленного комплекса» [Электронный ресурс] Характеристика сельского хозяйства в Тамбовской области.
- Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.tambov-apk.ru/har sh/ свободный. -Загл. с экрана.
5. Акулинин, Е.И. Аппарат вихревого слоя для производства биодизельного топлива [Текст] / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.А. Нагорнов. Патент на полезную модель №116789. 10 июня. 2012.
REFERENCE
1. Makhlin, P.V. Pricing of petroleum products in the Russian market. Problems and Solutions [Electronic resource] http: / /www.budgetrf.ru/Publications/Magazines/VestnikSF/2011 /VSF NEW20111014 1341/VSF NEW201110141341 p 005.htm).
2. INTERNATIONAL GASOLINE RANKINGS [electronic resource] International Fuel Quality Center. - electronic data. - Mode of access: http://www.ifqc.org/NM_Top5.aspx free. -Title from the screen.
3. Gouveia, Luisa / Microalgae as a Feedstock for Biofuels.учеб./ Luisa Gouveia.
- Springer, 2011.
4. Tambov regional State Institution «Regional Information and Advice Centre agribusiness» [Electronic resource] Characteristics of agriculture in the Tambov region.
- electronic data. - Mode of access: http://www.tambov-apk.ru/har_sh/ free. - Title from the screen.
5. Akulinin, E.I. Fluidized-bed apparatus for the production of biodiesel [Text] / E.I. Akulinin, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky, A.A. Ermakov, S.A. Nagornov. Utility model patent №116789. 10 June. 2012.
