CC BY
21
Научная статья Original article УДК 662,636
ПОЛУЧЕНИЕ БИОДИЗЕЛЯ ИЗ КОФЕЙНОЙ ГУЩИ СОРТОВ
АРАБИКА И РОБУСТА
BIODIESEL FROM ARABICA AND ROBUSTA COFFEE GROUNDS
Зиннурова Ольга Васильевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Химическая технология переработки нефти и газа», Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия, г. Казань
Фаттахов Данил Альбертович, студент 3 курс, факультет «Нефти и нефтехимии», Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия, г. Казань
Zinnurova Olga Vasilievna, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology of Oil and Gas Processing, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan Fattakhov Danil Albertovich, 3rd year student, Faculty of Oil and Petrochemistry, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan
Аннотация
В данной статье рассматривается проблема извлечения биодизельного топлива из кофейной гущи, такой как арабика и робуста. В ходе эксперимента было установлено, что экстракция и преобразование кофейного масла в
биодизель - простой химический процесс, идеально подходящий для использования в лаборатории, но в промышленных условиях различные нюансы будут иметь решающее значение для экономического процесса производства подходящего биотоплива. Также было показано, что выход кофейного масла сильно варьируется в зависимости от источника. Также было установлено, что использование мембранной фильтрации и горячей экстракции приводит к более высокому выходу кофейного масла в качестве сырья для биодизеля.
Summary
This article deals with the problem of obtaining biodiesel from coffee grounds such as Arabica and Robusta. It was found during the experiment that the extraction and conversion of coffee oil into biodiesel is a simple chemical process, ideal for use in the laboratory, but that under industrial conditions, different nuances would be vital to the economic process to produce a suitable biofuel. It has also been found that the yield of coffee oil varies considerably depending on the source. It was also found that the use of a membrane for filtration and hot extraction leads to higher yields of coffee oil as a feedstock for biodiesel.
Ключевые слова: биодизель, Арабика, Робуста, переэтерификация, выход, кофейная гуща, сравнение.
Key words: biodiesel, Arabica, Robusta, transesterification, yield, coffee grounds, comparison.
В связи с истощением запасов нефти, ростом себестоимости добычи и растущим осознанием воздействия сжигания ископаемого топлива на окружающую среду все чаще ищут устойчивые альтернативы. Одним из заменителей является биодизель - алкиловый эфир жирных кислот, получаемый путем переэтерификации глицеридов, который можно смешивать с дизельным топливом и использовать в транспорте без изменения инфраструктуры. В настоящее время биодизель производится в основном из
растительных масел, таких как соевое, рапсовое и пальмовое. Эти источники имеют ограниченное предложение и выращиваются в прямой конкуренции с продовольственными культурами из-за емкости земли, необходимой для возделывания. Реакция получения биодизеля довольно проста: она включает в себя простой органический синтез из растительных масел, переработку отработанных кулинарных масел и даже культивирование и синтез липидов водорослей. Переэтерификация растительных масел обычно катализируется основаниями, такими как NaOMe, но при наличии свободных жирных кислот. При использовании сырья более низкого качества в учебных условиях переэтерификация лучше катализируется кислотой Бронштейна, например, серной кислотой, хотя это значительно снижает скорость реакции. В промышленных масштабах производство биодизеля в настоящее время связано с тем, что 70-95 % общих производственных затрат приходится на стоимость сырья. Для повышения экономической целесообразности в промышленных масштабах необходимо использовать относительно недорогое сырье или отходы. Кофе - один из самых потребляемых напитков в мире; в 2021 году в мире было произведено почти 13 миллионов тонн кофейных зерен. Существует два типа кофейных зерен, выращиваемых для коммерческого использования: на долю Coffea arabica, более известного как арабика, приходится 75-80% мирового производства, а на долю Coffea canephora, более известного как робуста, - 20-25%. Кофейная гуща содержит липиды, преимущественно триглицериды; примерный состав: линолевая кислота (4450%), пальмитиновая кислота (35-40%), олеиновая кислота (7-8%) и стеариновая кислота (7-8%). Кофейное масло может быть извлечено непосредственно из свежей кофейной гущи, хотя после заваривания оно почти полностью остается в кофейной гуще. Количество масла, извлекаемого из кофе, зависит от источника и варьируется от 11 до 20% по весу, исходя из сухого веса. Это масло можно переэтерифицировать для получения биодизельного топлива; если предположить, что выход кофейного масла
составляет 15 весовых процентов, это может добавить около 340 миллионов галлонов биодизельного топлива к мировому предложению топлива ежегодно. Экстракция и преобразование кофейного масла в биодизель — это простой химический процесс, который идеально подходит для использования в лабораторных условиях. Однако в промышленных масштабах выбор условий экстракции, растворителей, времени экстракции, чистоты конечного продукта и используемых методов имеет решающее значение для экономического процесса, который в конечном итоге позволяет получить подходящее биотопливо. Определение эффективности новых процессов лежит в основе химической инженерии. Важной метрикой, особенно в производстве топлива, является измерение сохранения массы и энергии в системе. Это следует из закона сохранения:
Ввод + Генерация = Выход + Потребление + Накопление
Кофейное масло было извлечено из отходов кофейной гущи двумя методами.
отдельные методы, горячая и холодная экстракция. В общей сложности 50 г кофейной гущи были взвешены и помещены в круглодонную колбу (500 мл), к которой было добавлено 200 мл гептана. Для перемешивания использовалась магнитная мешалка. Экстракцию проводили на горячей плите с мешалкой. При экстрагировании при комнатной температуре (22 °С) на колбу надевали пробку для уменьшения потерь при испарении. Горячие экстракции (99 °С) проводились с использованием горячей плиты с мешалкой и конденсатора рефлюкса в течение указанного времени. Если требовалось несколько экстракций, кофе фильтровали с помощью фильтровальной бумаги и возвращали в круглодонную колбу со свежим растворителем. Полученную кофейную гущу высушили в течение ночи и взвесили. Кофейная гуща отделялась от смеси масла и растворителя с помощью фильтровальной бумаги или мембранной ячейки с мертвой головкой. Время, необходимое для фильтрации всей смеси растворителя и кофейного масла через
фильтровальную бумагу, измерялось с помощью секундомера. После завершения фильтрации сосуд для сбора закрывали, чтобы предотвратить испарение растворителя и влажной фильтровальной бумаги, взвешивали и давали высохнуть; после сушки фильтровальную бумагу снова взвешивали, чтобы определить количество растворителя и фильтровальной бумаги, которые не удалось отфильтровать. Объем фильтрата был отмечен, чтобы можно было определить объемный поток через фильтровальную бумагу. Определялся объемный поток через фильтровальную бумагу. Время разделения регистрировалось вместе с объемом отфильтрованной жидкости для получения объемного расхода. После отделения измеряли влажный вес фильтровальной лепешки, сушили и затем снова взвешивали для определения массы растворителя. После разделения твердой и жидкой фаз для удаления растворителя потребовалось разделение жидкой фазы. Для этой цели использовался роторный испаритель. После удаления всего растворителя полученное масло и колбу взвешивали, масло оставляли, а колбу снова взвешивали для получения конечной массы масла. Затем 15 г кофейного масла переэтерифицировали в двухгорлой колбе с конденсатором рефлюкса. Масло перенесли в колбу и добавили 6 мл этанола (молярное соотношение 6:1) с H2SO4 (1,5 г) или 60 мл этанола (молярное соотношение 60:1) с H2SO4 (1,5 г). Реакцию проводили при комнатной температуре (22 °С) и при рефлюксе (80 °С). Кинетика реакции была определена путем измерения показателя преломления. Это было достигнуто путем отбора проб через регулярные промежутки времени - 2, 4 и 6 часов. Перед измерением показателя преломления каждый образец обрабатывался для удаления этанола, катализатора, глицерина и других нежелательных химических веществ. Образец удаляли из реакционного сосуда и добавляли 10 мл гептана. Затем эту смесь фильтровали через 50 мл разделительную воронку с фильтровальной бумагой для удаления образовавшихся твердых частиц. Затем смесь трижды промывали 10 мл физиологического раствора для удаления нежелательных
веществ. После каждого промывания соленой водой смесь осторожно встряхивали и разделяли; затем удаляли нижний слой. После третьей промывки смесь гептан-масло собирали в пробирку и удаляли гептан с помощью роторного испарителя. После полного удаления гептана показатель преломления образца измерялся с помощью ручного рефрактометра. Для этого рефрактометр калибровали дистиллированной водой, затем образец (~0,3 мл) помещали в смотровую камеру, полностью закрывая оптическую линзу. Полученное показание записывалось на цифровом дисплее. Через 24 часа продукты реакции трижды промывали 20 мл физиологического раствора для удаления глицерина, этанола и кислотного катализатора. Затем образцы были измерены на коэффициент преломления для оценки чистоты.
Энергетический баланс был составлен путем расчета энергозатрат на каждом этапе (табл.1).
Таблица 1. Результаты баланса энергии и массы для семи опытов.
Образец кофе и номер опыта с соответствующим
типом кофе
Параметр Подробности 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,
ы эксперимента Робу Робу Робу Робу Араб Араб Араб
ста ста ста ста ика ика ика
Добыча Промывка №1 2,71 3,17 3,25 3,33 3,97 3,58 3,65
масла, г
Промывка №2 - 1,42 1,32 - 1,76 1,23 1,12
Промывка №3 - 0,37 - - 0,65 - 0,45
Всего 2,71 4,96 4,57 3,33 6,38 4,81 5,22
Экстракция 0,06 0,11 0,09 0,06 0,11 0,08 0,11
Фильтрация 0 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0
Выпаривание 0,11 0,12 0,10 0,13 0,09 0,11 0,12
Переэтерифик 0,82 0,78 0,78 0,82 0,78 0,82 0,78
ация
Всего использо вано энергии, МДж 0,99 1,02 0,98 1,02 0,99 1,01 1,01
Общее количест во полученн ой энергии, МДж 56,16 55,52 56,09 56,12 55,43 55,29 55,48
Потеря энергии, МДж 55,17 54,50 55,11 55,10 54,44 54,28 55,47
Выход биодизел ьного топлива: Массовая доля от исходног о количест ва масла, % 81 95 94 97 99 99 99
Энергети ческое содержан 0,09 0,18 0,17 0,16 0,26 0,19 0,21
ие биодизел я, МДж
Показатель преломления чистого биодизеля, полученного из кофе сортов арабика и робуста, отличался незначительно и был рассчитан до начала экспериментов; эти значения использовались для обозначения 100% конверсии триглицеридов. Индекс преломления показал, что во всех реакциях через 6 часов было преобразовано около 60% триглицеридов, а через 24 часа была достигнута конверсия более 97,5%.
Этанол очень огнеопасен, но был выбран в качестве спирта для переэтерификации как альтернатива метанолу, поскольку он менее токсичен. Серная кислота вызывает сильные ожоги, поэтому перед работой ее смешивали с этанолом, чтобы уменьшить воздействие ледяной кислоты. Гептан легко воспламеняется и может вызвать раздражение кожи.
После выполнения работы можно сделать некоторые выводы по данной работе. Во-первых, выход кофейного масла сильно варьируется в зависимости от происхождения: робуста дает более низкий выход (%), чем арабика; это подчеркивает важность различий в сырье для этих процессов. Затем мы изучили относительные доли потребления энергии на каждом этапе. Например, для извлечения всех доступных липидов требовалось несколько промывок свежим растворителем. Одна промывка извлекала около 60% имеющихся липидов; трех промывок было достаточно для извлечения большей части липидов. Однако три промывки удваивали энергию, необходимую для извлечения масла несмотря на то, что в третьей промывке масло практически не извлекалось. Инженеры обычно сталкиваются с такими проблемами при проектировании процесса, поскольку, хотя более высокий выход кофейного масла можно получить с помощью третьей промывки, этот вариант может оказаться слишком дорогим.
Еще одним важным фактором при экстракции является использование тепла. Горячая экстракция приводит к более высокому выходу, поскольку добавление тепла ускоряет массообмен. Сокращение времени экстракции еще более выгодно при использовании метода горячей экстракции, поскольку для нагрева растворителя требуется дополнительная энергия. При использовании мембраны для фильтрации извлекается больше кофейного масла. Когда для фильтрации используется фильтровальная бумага, системе растворителя и жидкого кофейного масла трудно пройти через фильтровальную бумагу, и небольшое количество остается, поэтому при использовании мембраны извлекается больше растворителя. Использование мембраны в сочетании с процессом холодной экстракции дало больше кофейного масла, чем использование фильтровальной бумаги после горячей экстракции. Хотя эта часть опыта отнимает много времени, а лежащие в ее основе расчеты довольно сложны, интересно, что фильтрация оказала относительно небольшое влияние по сравнению с другими использованными методами. Однако, с точки зрения энергопотребления, все начальные стадии оказали незначительное влияние по сравнению с энергопотреблением стадии переэтерификации, на которую приходится 78-82% от общей энергии процесса. Это привело к обсуждению преимуществ сокращения времени и температуры на стадии переэтерификации и некоторых достижений в технологии и конструкции реакций, которые делают это возможным. Это наблюдение подчеркивает необходимость эффективного контроля и оптимизации процесса в крупномасштабном производстве. Другим важным моментом обсуждения является эффективность использования энергии в системе. В зависимости от опыта, потребление энергии колебалось между 55 и 56 МДж за эксперимент, при этом около 98% этой энергии рассеивалось в окружающую среду. Сокращение потерь - ключ к эффективному процессу. На основе этих данных мы смогли обсудить различные методы, такие как рекуперация энергии, интеграция тепла и переработка побочных продуктов, которые используются
в химической промышленности для минимизации потерь энергии. Даже если учитывать только энергию, затраченную на процесс, энергетическое содержание произведенного биодизеля составляет лишь небольшую часть (928%) от общего количества затраченной энергии. Положительный энергетический баланс является одним из ключевых показателей для определения устойчивости возобновляемых источников энергии и важным инструментом для инженеров в этом секторе.
Литература
1. Hoekman S. K.; Broch A., Robbins C., Ceniceros E., Natarajan M. Обзор состава, свойств и технических характеристик биодизельного топлива [Текст] / Hoekman S. K.; Broch A., Robbins C., Ceniceros E., Natarajan M // Renewable Sustainable Energy Rev. - 2012. - № 16. - С. 143-169.
2. Rosa P. D. L., Azurin K. A., Page, M. F. Z. Соевое масло: Энергия для исследования биодизеля в средней школе [Текст] / Rosa P. D. L., Azurin K. A., Page, M. F. Z // J. Chem. Educ. - 2014. - № 91. - С. 1689-1692.
3. Stout R. Биодизель из отработанного масла [Текст] / Stout R. // J. Chem. Educ. - 2007. - № 84. - С. 1765.
4. Bucholtz E. C. Синтез и оценка биодизеля: An Organic Chemistry Experiment [Текст] / Bucholtz E. C. // J. Chem. Educ. - 2007. - № 84. - С. 296.
5. Jenkins R. W., Stageman N. E., Fortune C. M., Chuck C. J. Влияние типа зерен, обработки и географического положения на биодизель, полученный из отходов кофейной гущи [Текст] / Jenkins R. W., Stageman N. E., Fortune C. M., Chuck C. J. // Energy Fuels. - 2014. - № 28. - С. 11661174.
6. Международная кофейная организация, Исторические данные общего производства кофе / [Электронный ресурс] // Международная кофейная организация: [сайт]. - URL: http://www.ico.org/prices/po.htm (дата обращения: 14.08.2022).
7. Кофейное растение арабика и робуста / [Электронный ресурс] // Кофейное растение арабика и робуста: [сайт]. - URL: http://www.coffeeresearch. org/agriculture/coffeeplant.htm (дата обращения: 14.08.2022).
Literature
1. Hoekman S. K.; Broch A., Robbins C., Ceniceros E., Natarajan M. Review of biodiesel composition, properties and specifications [Text] / Hoekman S. K.; Broch A., Robbins C., Ceniceros E., Natarajan M. // Renewable Sustainable Energy Rev. - 2012. - № 16. - С. 143-169.
2. Rosa P. D. L., Azurin K. A., Page, M. F. Z. Soybean oil: Energy for high school biodiesel research [Text] / Rosa P. D. L., Azurin, K. A., Page, M. F. Z. // J. Chem. Educ. - 2014. - № 91. - С. 1689-1692.
3. Stout R. Biodiesel from waste oil [Text] / Stout R. // J. Chem. Educ. - 2007. -№ 84. - С. 1765.
4. Bucholtz E. C. Synthesis and evaluation of biodiesel: An Organic Chemistry Experiment [Text] / Bucholtz E. C. // J. Chem. Educ. - 2007. - № 84. - С. 296.
5. Jenkins R. W., Stageman N. E., Fortune C. M., Chuck C. J. Effect of grain type, processing and geographical location on biodiesel produced from waste coffee grounds [Text] / Jenkins R. W., Stageman N. E., Fortune C. M., Chuck C. J. // Energy Fuels. - 2014. - № 28. - С. 1166-1174.
6. International Coffee Organization, Historical data on total coffee production / [Electronic resource] // International Coffee Organization: [website]. - URL: http://www.ico.org/prices/po.htm (accessed 14.08.2022).
7. Coffee plant arabica and robusta / [Electronic resource] // Coffee plant arabica and robusta: [website]. - URL: http://www.coffeeresearch. org/agriculture/coffeeplant.htm (date of access: 14.08.2022).
© Зиннурова О.В., Фаттахов Д.А., 2022 Международный журнал прикладных
наук и технологий "Integral" №5/2022
Для цитирования: Зиннурова О.В., Фаттахов Д.А. ПОЛУЧЕНИЕ
БИОДИЗЕЛЯ ИЗ КОФЕЙНОЙ ГУЩИ СОРТОВ АРАБИКА И РОБУСТА
//Международный журнал прикладных наук и технологий "Integral" №5/2022
