Производство биодизельного топлива из липидов (масла) микроводорослей (мкв)

Производство биодизельного топлива из липидов (масла) микроводорослей (мкв)

Семенов В.Г. (Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» совместно с ООО «Биодизель – Днепр»)

По мере того, как растет интерес к биодизельному топливу как к альтернативе минеральному дизельному топливу, многие видят решение проблемы дефицита нефти в выращивании больших объемов масличных культур. В редакционной статье журнала «Альтернативное топливо» №3 (7), март 2008 года В. Давий анализирует ситуацию, сложившуюся в мировой биодизельной отрасли. Во-первых, производство большего количества масличных культур заняло бы площади, отводимые под продовольственные культуры, выращиваемые для питания людей. Во-вторых, традиционные масличные культуры – не самый производительный и эффективный источник жиров растительного происхождения. Вследствие развития биодизельной отрасли и увеличения доли непищевого использования растительных масел в мире резко вырос интерес ко всем масличным культурам, в первую очередь рапсу, подсолнечнику и сое, мировые цены на масло из которых достигли, соответственно, 1500 дол/т, 1840 дол/т (Украина 8800 – 9700 грн/т) и 1500 дол/т. При этом цена на нефть достигла 133 дол/брл (800 – 850 дол/т), а выход дизельной фракции составляет 20-25%.

Нарекания в адрес производителей биодизельного топлива заставляют последних искать виды сырья непищевого назначения. К ним можно отнести соапсток (отходы щелочной нейтрализации растительных масел и жиров), фуз (баковый осадок растительных масел), отработанный маслосодержащий фильтровальный порошок, отработанный фритюрный жир, «мультисырье» мясокомбинатов и птицефабрик, масло ятрофы, липиды микроводорослей.

Остановимся подробно на последнем виде жиросодержащего сырья. Продуктивность (количество литров масла с 1 га) является одной из важнейших характеристик. Так, например, соевые бобы дают до 500 л/га, подсолнечник – 1000 л/га, пальма – 6200 л/га, микроводоросли 100 000…150 000 л/га. В 2006 г. сообщение о МКВ, как сырье для производства биодизельного топлива, было сделано на I Международном биодизельном конгрессе (г. Москва) представителем испанской компании BioFuel Systems (BFS). Фотобиореакторы AlgaeLink® (см. рис. 1) для культивирования (выращивания) МКВ производит фирма BioKing, которую на территории России и Украины представляет фирма AEN Engineering GmbH&Co.KG. Данная фирма предлагает технологии, требующие от 1 € до €10 млн. капиталовложений в установки, производящие соответственно 1–100 т/день сухой биомассы (0,4 – 40 т/день масла МКВ при 40% масличности).

В настоящее время в Украине фирмой «БИОДИЗЕЛЬДНЕПР» освоено производство биоустановок по культивированию МКВ и получения из них масла (см. рис. 2). Объем инвестиций в биоустановки составляет: 3 т/сутки сухой биомассы около 2,5 млн. грн. и 38 т/сутки – 4,5 млн. грн.

Рассмотрим более подробно конструктивную схему, применяемое оборудование и технологический процесс получения масла МКВ, а также жирно-кислотный состав (ЖКС). Основными элементами биоустановки являются: трубчатый фотобиореактор с МКВ и питательной средой, люминесцентные лампы, газопромывная колонна, дозаторы, гидроциклоны (центрифуги), генератор СО2 (дизельгенератор), линия фильтрации, рециркуляционные резервуары, блок управления, датчики, насосы, шланги, запорная арматура, комплекс оборудования по высушиванию (обезвоживанию) биомассы, дегазатор (приготовление питательных растворов), комплекс по производству масла МКВ (биомаслопрессы, фильтры, резервуары, транспортер). Получаемый готовый продукт: масло МКВ (в дальнейшем биодизельное топливо), высокобелковый корм для животных.

Остановимся на рассмотрении фракционного и жирно-кислотного составов МКВ (М.М. Басова. Жирно-кислотный состав липидов микроводорослей. – Севастополь, 2003. – 31с.). Максимальное количество липидов (до 85% ацилглицерины, остальное – воски, углеводороды, фосфолипиды и др.) в расчете на сухую массу содержится в диатомовых водорослях 35 – 44%, минимальное –синезеленых водорослей, около 2%. Представители различных видов МКВ различаются по содержанию насыщенных, моно- и полиненасыщенных жирных кислот. Для большинства МКВ в составе их жиров характерно наличие жирных кислот следующего состава:

– насыщенные кислоты – лауриновая С12:0 0,1 – 8,6%; миристиновая С14:0 0,2 – 32,7%; пальмитиновая С16:0 2,9 – 63%; стеариновая С18:0 0,1 – 16,3%;

– мононасщенные кислоты – палмитоолеиновая С16:1 0,5 – 44,8%; олеиновая С18:1 0,1 – 35,5%;

– полиненасыщенные кислоты - линолевая С18:2 0,1 – 24,3%; линоленовая С18:3 0,1 – 14,2%; арахидиновая С20:4 0,1 – 8,8%. Имеются следы жирных кислот с числом двойных связей более 4 (С18:5, С20:5,С22:5, С22:6).

При выборе вида МКВ необходимо учитывать требования европейского стандарта EN 14214:2003 к показателям биодизельного топлива, которые обеспечиваются необходимым ЖКС масла МКВ: окислительная способность, 110 °С – min 6 часов; йодное число, I2/100г – max 120; метиловые эфиры линоленовой кислоты, % (м/м) – max 12,0; полиненасыщенных (≥ 4 двойных связей) метиловых эфиров, % (м/м) – max 1. При культивировании МКВ необходимо обеспечить сочетание достаточно больших факторов, влияющих на процент выхода сухой массы, количества и качества полученного из них масла. К ним можно отнести: выбор вида МКВ, плотность выращиваемой культуры, питание (варьирование освещенности), фаза роста (преобладание стационарной фазы роста), поликультура (комбинирование культивирования различных видов МКВ), а также соленость, аэрация, тип фотобиореактора, и др. По данным, приведенным в научных публикациях и прайс–листах фирм–производителей, для установки по получению МКВ производительностью 1 т сухой биомассы в день требуется: 48 м2 площадей; энергопотребление насосов, участвующих в технологическом процессе – 12 кВт; 36 м прозрачных синтетических труб, диаметром 300 мм; углекислого газа СО2 – 10 кг/день; количество воды 20 – 30 т (температура 22 – 35°С); время пребывания в фотобиореакторе 3,5 ч; состав микроэлементов (среда Чу – 10, г/л, для синезеленых, зеленых и диатомных МКВ): Ca(NO3)2 – 0,04; K2HPO4 – 0,01; MgSO4*7H2O – 0,025; N2CO3 – 0,02; Na2SiO3*9H2O – 0,025; FeCl3* 6H2O – 0,0008.

В заключение необходимо отметить основные преимущества биоустановок (фотобиореакторов) для культивирования МКВ:

l максимальная эффективность в использовании освещения и, как следствие, значительно более высокая производительность;

l экономия пространства, реактор устанавливается вертикально, горизонтально, как в помещении, так и за его пределами;

l возможность создания конфигурации любого размера;

l значительное снижение потребности в рабочей силе, устранение проблем с разгрузкой/погрузкой;

l системы могут действовать в течение долгого времени без гибели культуры МКВ;

l применение закрытых управляемых автоматизированных систем непрерывного действия значительно облегчают поддержание гигиены производства МКВ;

l простота контроля экологических параметров;

l система самоочистки реактора существенно уменьшает его загрязнение;

l низкое потребление энергии оборудованием обеспечивается за счет использования дизельгенератора.

Дата добавления: 2015-10-21