Получение биодизельного топлива из непищевого растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ / CHEMICAL TECHNOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 662.636

D0l:10.21285/2227-2925-2017-7-3-110-116

ПОЛУЧЕНИЕ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ИЗ НЕПИЩЕВОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

© С.А. Нагорнов, Ю.В. Мещерякова, А.Г. Мещеряков

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

Российская Федерация, 392022, г. Тамбов, пер. Ново-Рубежный, 28.

Целью исследований является улучшение экологических и эксплуатационных свойств дизельного топлива за счет использования биотоплива в качестве добавки, что особенно важно при эксплуатации сельскохозяйственной техники. Биотопливо получали по реакции переэтерификации в присутствии щелочного гомогенного катализатора. Синтез биотоплива проводился по инновационной технологии с использованием аппарата с вращающимся электромагнитным полем, что приводит к интенсификации и ускорению химической реакции. Синтезированное топливо смешивали с нефтяным дизельным топливом и анализировали по физико-химическим показателям (плотность, кинематическая вязкость, смазывающая способность и др.). Использовалось нефтяное дизельное топливо и 5, 10, 20, 40, 100% биодобавка на основе микроводоросли хлорелла. Разработаны усовершенствованная технология культивирования микроводорослей Chlorella vulgaris ИФР № С-111, состоящая из четырех стадий, и метод извлечения липидов для последующего использования в качестве сырья для синтеза биотоплива и биодобавок. Полученное топливо по своим физико-химическим свойствам не уступает дизельному топливу, а по экологическим и эксплуатационным превосходит. Для улучшения эксплуатационных и экологических свойств дизельного топлива необходимо использовать биотопливо в качестве добавки. Наиболее перспективным сырьем для получения биотоплива служит непищевой возобновляемый ресурс из высокопродуктивных масленичных растений - микроводоросли.

Ключевые слова: биодизельное топливо, дизельное топливо, микроводоросли, растительные масла, технология.

Формат цитирования: Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В., Мещеряков А.Г. Получение биодизельного топлива из непищевого растительного сырья // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Т. 7, N 3. С. 110-116. DOI:10.21285/2227-2925-2017-7-3-110-116

BIODIESEL PRODUCTION FROM NON-FOOD RAW MATERIAL

© S-А. Nagornov, Y.V. Meshcheryakova, А-G. Meshcheryakov

All-russian research institute for use of machinery and petroleum products in agriculture 28, Novo-Rubezhnyi per., Tambov, 392022, Russian Federation

The aim of the research is to improve the properties of diesel fuel due to the use of biofuels as addi-tivestha. It is especially important while operating the farm equipment. Biodiesel was obtained by the reaction of transesterification in the presence of a homogeneous alka-line catalyst. Synthesis of biofuels was conducted by the innovative technology with the use of the apparatus with a rotating electromagnetic field students leading to the intensification and acceleration of the chemical reaction. Synthesized fuel was blended with petroleum diesel fuel and analysed according to physicochemi-cal parameters (density, kinematic viscosity, lubricity, etc.). Oil diesel fuel 5, 10, 20, 40, 100% and supple-ment based on microalga chlorella were used. The improved technology of cultivation of Chlorella vulgaris microalgae IGF No. C-111 consisting of four stages and a method for extracting lipids for subsequent use as raw material for the synthesis of biofu-els and bioadditives were developed. The physico-chemical prosperities of the obtained biodiesel are not inferior to diesel fuel and even surpass it in environmental and operational prosperities. Biofuels as a supplement

must be used in order to improve the operational and environmental prop-erties of diesel fuels. The most promising raw material for biodiesel is a non-food renewable resource of highly productive oil plants - micro-algae.

Keywords: biodiesel fuel, diesel fuel, microalgae, vegetable oil, technology

For citation: Nagornov S.A., Meshcheryakova Y.V., Meshcheryakov A.G. Biodiesel production from nonfood raw material. Izvestia Vuzov. Prikladnaya Khimia i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2017, vol. 7, no. 3, pp. 110-116 (in Russian). DOI: 10/21285/22272925-2017-7-3-110-116

ВВЕДЕНИЕ

Дизельные двигатели выбрасывают отработанные газы, что неблагоприятно сказывается на состоянии окружающей среды. Отработанные газы оказывают негативное влияние на здоровье человека. Согласно статистике, 8% смертности обусловлено неблагоприятными условиями окружающей среды, возникшими по причине загрязнения атмосферного воздуха1.

Введение экологических стандартов, где содержание серы в дизельных топливах должно сводится к минимуму, породило проблему ухудшения их смазывающих свойств. В то же время истощаются запасы низковязкой малосернистой нефти и как следствие увеличиваются затраты на нефтедобычу, переработку, переоборудование производства и происходит рост цен на топливо.

Использование биодизельного топлива из растительного сырья позволит сократить токсичные выбросы отработанных газов и улучшить эксплуатационные свойства топлива. Биодизельное топливо получают из различных растительных масел по реакции переэтерифи-кации. Растительным сырьем для производства может служить: подсолнечник, рыжик, рапс, кукуруза, ятрофа, микроводоросли. Однако, производство и потребление биодизельного топлива из таких растительных масел как подсолнечник, рапс, кукуруза конкурирует с производством пищевых продуктов [1]. В настоящее время наиболее перспективным направлением является использование микроводорослей, которые относятся к непищевым ресурсам и по своим энергетическим характеристикам превосходят другие сырьевые биоресурсы [2, 3].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Биодизельное топливо получали путем проведения реакции метанолиза растительных

проект реализации технологической платформы «Технологии экологического развития». М., 2011. 92 с.

The project of the technological platform «Technologies of ecological development». Moscow, 2011,92 p.

масел в присутствии гомогенного катализатора в аппарате с вращающимся электромагнитным полем. Полученное биодизельное топливо смешивали (от 5 до 40%) с нефтяным дизельным топливом.

Определение плотности дизельного и биодизельного топлив производили с помощью ареометров.

Определение кинематической вязкости заключалось в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под действием силы тяжести при постоянной температуре.

Определение смазывающих свойств топлив проводилось с использованием четы-рехшариковой машины трения КТ-2. В качестве рабочих элементов использовались 4 стальных шарика, расположенных пирамидой. Верхний шарик вращается и прижимается под действием нагрузки к трем неподвижным нижним. Испытание проводится в течение 3-х ч при нагрузке 200Н. В процессе трения на нижних шариках образуются пятна, которые квалифицируются как пятна износа. Диаметр пятна износа измеряется с помощью окулярного микрометра МОВ-1-15Х.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Разработана технологическая схема получения биодизельного топлива на основе микроводоросли хлорелла (рис. 1). Технологическая схема включает три основные стадии: стадию культивирования микроводорослей в закрытом циркулирующем трубчатом фото-биореакторе, трехступенчатую стадию экстракции липидов из биомассы, стадию синтеза биодобавки в аппарате с вращающимся электромагнитным полем и стадию смешения с нефтяным топливом (рис.1) [4-7].

Описание процесса

1. Стадия культивирования микроводорослей. Стадия включает: культивирование микроводорослей в закрытом трубчатом фото-биореакторе и концентрирование биомассы методом осаждения под действием центробежных сил.

Рис. 1. Общая схема получения биодобавки из микроводоросли хлорелла к дизельному топливу

Fig. 1. The general scheme of bio additive obtaining from microalgae Chlorella

Для освещения используются светодиодные ленты, а обогрева вихревая труба. Часть итоговой суспензии микроводорослей используется как посевной материал для последующего культивирования. Для циркуляции и перемешивания служит насос. Перемешивание суспензии осуществляется за счет барботиро-вания газовоздушной смесью и создания закрученного потока суспензией. Затем происходит отделение суспензии от культуральной жидкости.

2. Трехступенчатая стадия экстракции ли-пидов из биомассы. Стадия включает сушку биомассы, дезинтеграциию клеточной оболочки микроводорослей, экстракцию липидов и удаление экстрагента. Сухая биомасса подвергается дезинтеграции в аппарате с электромагнитным полем, с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье, в результате чего происходит разрушение клеточных оболочек. Далее проводят экстракцию биомассы в трехступенчатом экстракторе с закрученным потоком инертных тел экстрагентом, которая позволит интенсифицировать процесс экстракции.

3. Стадия синтеза биодоавки. Смесь ли-пидной фракции и спиртового раствора алко-голята направляются в аппарат для синтеза биодизельного топлива. В аппарате под дей-

ствием электромагнитного поля ферромагнитные частицы интенсивно перемешивают продукты реакции. Далее реакционную массу отделяют от глицерина в сепараторе и очищают ортофосфорной кислотой [8, 9].

4. Стадия смешения с нефтяным топливом. Полученный метиловый эфир липидной фракции направляют на смешение с дизельным топливом.

В табл. 1 представлены основные физико-химические показатели используемых дизельного топлива и полученного биодизельного топлива.

Анализ полученных данных свидетельствует о различии некоторых физико-химических показателей дизельного и биодизельного топлив, обуславливаемых различием их состава. В состав биотоплива входят сложные эфи-ры, а в дизельное топливо преимущественно входят предельные и непредельные углеводороды. Показатели плотности, вязкости и цета-нового числа полученного биотоплива выше, чем у нефтяного дизельного топлива, а содержание серы намного ниже у биотоплива.

В табл. 2 представлена смазывающая способность дизельного, биодизельного и сме-севого топлив. Смазывающие свойства биотоплива лучше, чем у дизельного топлива. По мере внесения биотоплива в дизельное топли-

во его смазывающие свойства улучшаются.

На рис. 2 и 3 приведены экспериментально полученные закономерности изменения плотности и кинематической вязкости исследуемых топлив и дизельного топлива.

Зависимость (см. рис. 2) плотности от температуры дизельного топлива аналогичен зависимости плотности от температуры биодизельного топлива и смесевого топлив и носит линейный характер, с увеличением температу-

ры значения плотности уменьшается. Плотность смесевого топлива с введением биотоплива увеличивается.

Зависимость (см. рис. 3) кинематической вязкости от температуры дизельного топлива аналогична зависимости кинематической вязкости от температуры биодизельного топлива и смесевого топлив и носит экспоненциальный характер.

Таблица 1

Физико-химические показатели топлив

Table 1

Physicochemical characteristics of fuels

Показатель Дизельное топливо Биодизельное топливо

3 Плотность при 20Х, кг/м 860 875

Кинематическая вязкость при 40 X, мм2/с 2,5 4,3

Коксуемость 10 %-го остатка, % 0,3 0,3

Цетановое число 48 58

Сульфатная зольность, % (масс.) 0,01 0,01

Содержание воды, мг/кг 200 400

Содержание серы, мг/кг 400 менее 10

Температура вспышки, °С 50 130

Таблица 2

Смазывающая способность топлив

Table 2

The lubricity of fuels

Вид топлива Диаметр пятна износа, мм

при 20 °С при 60 °С

Дизельное 0,65 0,70

Смесовое: - 95% дизельное и 5% биодизельное 0,51 0,55

- 90% дизельное и 10% биодизельное 0,44 0,45

- 80% дизельное и 20% биодизельное 0,41 0,43

- 60% дизельное и 40% биодизельное 0,38 0,39

Биодизельное 0,33 0,35

890

810 -I------

20 30 40 50 60 70 80

Температура, °С

Рис. 2. Зависимость плотности от температуры нагрева топлив: 1 - дизельное топливо; 2 - дизельное топливо и 5% биодобавка; 3 - дизельное топливо и 10% биодобавка; 4 - дизельное топливо и 20% биодобавка; 5 - дизельное топливо и 40% биодобавка; 6 - биодизельное топливо

Fig. 2. Heating temperature dependence of fuel density: 1 - diesel; 2 - diesel fuel and 5% of bio additive; 3 - diesel fuel and 10% of bio additive; 4 - diesel fuel and 20% of bio additive; 5 - diesel fuel and

40% of bio additive; 6 - biodiesei

л e-

о о ы

со W CQ

К

га

О (О

¡J*

S

н й

5 и К К

7 6 5

Ъ'

2 1

fi

1 j я

1 7

3

1 -y= 10,807e-°.°2x-

2 -y 8,2312e-°>019x

3 -y= 7,5901e-°:°19x

4 _y = 7,0253e-°:°19x

5 -y= 6,4666e-°.°19x

6 -y 6,4384e-°>02x

20 30 40 50 60 70 80

Температура, °С

Рис. 3. Зависимость кинематической вязкости от температуры нагрева топлив: 1 - дизельное топливо; 2 - дизельное топливо и 5% биодобавка; 3 - дизельное топливо и 10% биодобавка; 4 - дизельное топливо и 20% биодобавка; 5 - дизельное топливо и 40% биодобавка; 6 - биодизельное топливо

Fig. 3. Heating temperature dependence of fuel kinematic viscosity on: 1 - diesel; 2 - diesel fuel and 5% of bio additive; 3 - diesel fuel and 10% of bio additive; 4 - diesel fuel and 20% of bio additive; 5 -

diesel fuel and 40% of bio additive; 6 - biodiesel

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена технология получения биодизельного топлива на основе растительных масел непищевого назначения Свойства, полученного биодизельного топлива на основе растительного сырья аналогичны свойствам нефтяного дизельного топлива. Для плотности

БИБЛИОГРАФ

1. Мещерякова Ю.В., Нагорнов С.А. Культивирование микроводоросли хлорелла с целью получения биотоплива // Вопросы современной науки и практики. 2012. N 12. С. 33-36.

2. Roessler, P.G. Environmental Control of Glycerolipid Metabolism in Microalgae: Commercial Implications and Future Research Directions // J. Phycol. 1990. V. 26. P. 393-399.

3. Rosenberg J.N., Oyler A.G., Wilkinson L., Betenbaugh M.J. A green light for engineered algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution // Curr. Opin. Biotechnol. 2008. V. 19. P. 430-436.

4. German T.J., Kaufman K.R., Pratt G.L., Derry J. Field Endurance Test of Diesel Engines Fueled with Sunflower Oil // Diesel Fuel Blends: SAE Technical Paper Series. 1985. N 850239. P. 1-13.

5. Мещерякова Ю.В., Нагорнов С.А. Получение биодизельного топлива из микроводо-

характерна линейная зависимость, а для вязкости экспоненциальная. Смазывающая способность полученного биодизельного топлива выше, чем у дизельного и по мере внесения биотоплива в дизельное топливо, его смазывающая способность улучшается.

КИЙ СПИСОК

рослей // Тракторы и сельхозмашины. 2015. N 10. С. 3-5.

6. Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В., Еро-хин И.В. Улучшение свойств дизельного топлива за счет применения биодобавок // Инновации и инвестиции. 2015. N 9. С. 186-187.

7. Мещерякова Ю.В., Нагорнов С.А. Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиоре-акторе // Вестник ТГТУ. 2015. Т. 21, N 4. С. 653-659.

8. Мещерякова Ю.В., Нагорнов С.А., Еро-хин И.В., Корнев А.Ю., Мещеряков А.Г. Синтез биодобавки к дизельному топливу // Наука в центральной России. 2016. N 1. С. 15-22.

9. Камбулов С.И., Бырько С.И., Колесник В.В., Демина Е.Б., Божко И.В. Использование углекислотной промывки при производстве биотоплива // Научная жизнь. 2016. N 5. С. 613.

REFERENCES

1. Meshcheryakova Y.V., Nagornov S.A. Chlorella vulgaris microalgae cultivation for the purpose of biofuel production. Voprosy sov-remennoi nauki i praktiki [Problems of contemporary science and practice]. 2012, no. 12, pp. 3336. (in Russian)

2. Roessler P.G. Environmental Control of Glycerolipid Metabolism in Microalgae: Commercial Implications and Future Research Directions. J. Phycol. 1990, vol. 26, pp. 393-399.

3. Rosenberg J.N., Oyler A.G., Wilkinson L., Betenbaugh M.J. A green light for engineered algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution. Curr. Opin. Biotechnol. 2008, vol. 19, pp. 430-436.

4. German T.J., Kaufman K.R., Pratt G.L., Derry J. Field Endurance Test of Diesel Engines Fueled with Sunflower Oil. In: Diesel Fuel Blends: SAE Technical Paper Series. 1985, no. 850239, pp. 1-13.

5. Meshcheryakova Y.V., Nagornov S.A. Biodiesel production from microalgae. Traktory i

sel'khozmashiny [Tractors and agricultural machinery]. 2015, no. 10, pp. 3-5. (in Russian)

6. Nagornov S.A., Meshcheryakova Y.V., Erokhin I.V. Improving properties of diesel fuel due to the use of bioadditive. Innovatsii i investitsii [Innovations and investments]. 2015, no. 9, pp. 186187. (in Russian)

7. Meshcheryakova Y.V., Nagornov S.A. The conditions research of chlorella vulgaris microalgae cultivation in a tubular photobioreactor. Vest-nik TGTU [Transactions of the TSTU]. 2015, vol. 21, no. 4, pp. 653-659. (in Russian)

8. Nagornov S.A., Meshcheryakova Y.V., Erokhin I.V., Kornev A.Y., Meshcheryakov A.G. The diesel fuel bioadditiv synthesis. Nauka v tsen-tral'noi Rossii [Science in the central Russia]. 2016, no. 1, pp.15-22. (in Russian)

9. Kambulov S.I., Byr'ko S.I., Kolesnik V.V., Demina E.B., Bozhko I.V. Use of carbon dioxide flushing in biofuel production. Nauchnaya zhizn' [Scientific life]. 2016, no. 5, pp. 6-13. (in Russian)

Критерии авторства

Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В., Мещеряков А.Г. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В., Мещеряков А.Г. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Станислав А. Нагорнов

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве Д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе эпадогп оу@уа ndex.ru

Юлия В. Мещерякова

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве Ст.н.с.

[email protected]

Contribution

Nagornov S.A., Meshcheryakova Y.V., Mesh-cheryakov A.G. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Nagornov S.A., Meshcheryakova Y.V., Meshcherya-kov A.G. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

AUTHORS'INDEX Affiliations

Stanislav A. Nagornov

All-Russian research institute

for use of machinery and petroleum products

in agriculture

Doctor of Engineering, Professor, Deputy Director for Scientific Work snagorn [email protected]

Yulia V. Meshcheryakova

All-Russian research institute for use of machinery and petroleum products in agriculture Senior Researcher [email protected]

Александр Г. Мещеряков

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве Аспирант [email protected]

Поступила 14.12.2016

Alexander G. Meshcheryakov

All-Russian research institute

for use of machinery and petroleum products

in agriculture

Postgraduate Student

[email protected]

Received 14.12.2016