Способ производства биодизельного топлива из микроводорослей Chlorella Kessleri Российский патент 2024 года по МПК C10L1/08 

Область техники

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к производству биодизельного топлива. Биодизельное топливо получают из биомассы микроводорослей рода Chlorella kessleri и используют метод прямой переэтерификации. Переэтерификацию проводят с помощью этанола и технической серной кислоты.

Уровень техники

Известен способ получения биотоплива (МПК C10L 1/00 (2006.01); C10G 1/00 (2006.01) RU 2701372 C1, опубл. 26.09.2019), заключающийся в том, что предварительно биомассу микроводорослей смешивают с водой в количестве 90,0-97,0 мас. % с поддержанием в процессе перемешивания жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов, входящих в состав биомассы, посредством облучения светом с интенсивностью не менее 5 Вт/м² в течение 3-10 мин, после чего полученную микробиологическую суспензию подвергают гидротермальному сжижению в присутствии катализатора для гидротермального сжижения, при этом гидротермальное сжижение осуществляют в блоке, состоящем из двух реакторов, работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора, причем микробиологическую суспензию загружают в первый реактор, предварительно нагретый до температуры 455-600°C, и гидротермальное сжижение суспензии ведут при давлении 10-30 МПа в течение 1-9 мин с образованием продукта сжижения, который выводят из реактора, охлаждают и подвергают сепарации с получением биотоплива, водной фазы, твердой фазы и газообразных продуктов, затем первый реактор переводят на режим регенерации катализатора, который ведут при температуре 455-600°C, а исходную микробиологическую суспензию направляют во второй реактор, работающий в режиме поддержания температуры, аналогичном режиму в первом реакторе, описанный цикл смены режимов работы реакторов повторяют, при этом охлаждение полученного продукта сжижения осуществляют путем теплообмена между продуктом сжижения и исходной микробиологической суспензией, полученные газообразные продукты направляют на нагрев реакторов, а в качестве катализатора используют катализатор для гидротермального сжижения биомассы растительного происхождения, содержащий оксид стронция, или оксид титана, или оксид олова, или их смесь, мелкодисперсный алюмосодержащий оксидный носитель, включающий фосфаты или арсенаты алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид стронция, или оксид титана, или оксид олова, или их смесь - 1-50, мелкодисперсный алюмосодержащий оксидный носитель, включающий фосфаты или арсенаты алюминия, - остальное, до 100, во фторированной и/или сульфатированной форме. Выход полученного в таких условиях биотоплива составляет 44 масс. %, теплотворная способность биотоплива составляет 37 МДж/кг, содержание бензиновой фракции 42 масс. %, октановое число бензиновой фракции 82. Метан в газообразных продуктах не обнаружен.

Недостатком способа является затратный процесс получения, так как необходимо осуществлять множество сложных технологических операций с высокой температурой до 600°C и использовать дорогостоящий катализатор. Технология опасна и сложна в организации техники безопасности.

Известен способ (МПК F23G 5/027 (2006.01), F23G 7/00 (2006.01) RU 2600950 C1, опубл. 27.10.2016) приготовления композитного минерально-органического биотоплива третьего поколения путем гомогенизации двухкомпонентной минерально-органической смеси за счет ультразвуковой кавитационной обработки биомассы микроводоросли, отличающийся тем, что в качестве органического компонента биотоплива используют конденсируемую часть газопаровой фракции продуктов быстрого пиролиза, молекулы которых содержат в сумме более 5 атомов углерода и кислорода, биомассы микроводорослей, причем конденсацию органического компонента осуществляют непрерывно в процессе гомогенизации двухкомпонентной смеси путем охлаждения при контакте с минеральным компонентом и ультразвуковой кавитационной обработки в потоке, заключенном в узкий канал, примыкающий к ультразвуковому излучателю, при этом размер поперечного сечения канала в направлении, перпендикулярном активным плоскостям излучателя, составляет от 2/4 до 3/4 от его размера в направлении, параллельном его активным плоскостям, тепловую энергию, выделяющуюся в результате охлаждения и конденсации газопаровой фракции, отбирают через теплопроводящие стенки резервуара с помощью внешнего потока теплоносителя.

Недостатком указанного способа является дорогостоящий процесс ультразвуковой обработки. При быстром пиролизе скорость нагрева сырья очень высокая, что требует соблюдения мер предосторожности. Не приведён также состав образующейся газовой смеси.

Известен способ (МПК C12P 7/64 (2006.01), C10L 1/02 (2006.01), RU 2 603 748 C2, опубл. 27.11.2016) производства пригодного для использования в двигателе сложного метилового эфира жирных кислот (СМЭЖК). Собирают тину морских микроводорослей, выбранных из группы, состоящей из Microspora sp., Cladophora sp. и культивированной Chlorella variabilis для получения биомассы водорослей. Сушат биомассу на солнце до остаточной влажности 5-10%. Обрабатывают биомассу струей пара или осмотическим шоком для разрушения клеточных стенок. Экстрагируют липиды из биомассы гексаном с получением сырого масла. Удаляют гексан и сырое масло фуллеровой землей. Либо по выбору, обрабатывают экстракт после разрушения клеточных стенок непосредственно фуллеровой землей для удаления фосфолипидов, пигментов и других примесей. Фильтруют, чтобы удалить суспендированные твердые вещества. Обрабатывают масло экстракта щелочным раствором для уменьшения содержание свободных жирных кислот. Проводят катализируемую щелочью переэтерификацию очищенного масла. Отделяют СМЭЖК и дополнительно очищают. Полученный СМЭЖК пригоден для использования в двигателе в качестве биодизеля.

Недостатком является неоднородный состав сырья, так как при сборе природных водорослей состав всегда будет меняться. Так же способ является дорогостоящим из-за множества технологических операций. Выход СМЭЖК по отношению к неочищенному маслу 71,25%, по отношению к сухой биомассе 7,92%.

Наиболее близким является способ (RU 2404229 C1 МПК C10L 1/08(2006.01), опубл. 2010.11.20). Способ получения биодизельного топлива, включающий предварительную обработку растительного материала с получением липидов, трансэстерификацию полученных липидов и отделение получившегося биодизельного топлива, отличающийся тем, что в качестве растительного материала используют морские водоросли, предварительная обработка которых включает сбор водорослей, высушивание их на воздухе, измельчение и приготовление биомассы, которую подвергают химическому и ферментативному гидролизу для инициирования распада биомассы, затем фильтруют с отделением твердой фазы, сушат и получают из нее липиды, причем трансэстерификацию полученных липидов проводят обезвоженным раствором метилата калия или натрия в метаноле и получается биодизель, пригодный для использования в зимних условиях. Биодизель получается с выходом 65-70%, а глицерин 30-35%. Биодизель, полученный из липидов водорослей, содержащих 25% ненасыщенных жирных кислот, пригоден для эксплуатации автотранспорта в зимних условиях.

Недостатком способа является то, что не указан способ сбора водорослей. Указанный способ сушки на открытом воздухе, требует благоприятных климатических условий и отличается большими трудозатратами. Для получения биодизеля используют токсичный органический растворитель метанол.

Техническая проблема

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение биодизельного топлива с высоким процентом выхода из культивированной биомассы микроводорослей.

Технический результат достигается за счёт смешивания исходного сырья, биомассы, выращенной на сточных водах, после обезвоживания и центрифугирования с этанолом в присутствии технической серной кислоты, таким образом, отпадает необходимость сначала выделять и очищать липиды перед превращением их в биодизельное топливо, что обеспечивает повышенный выход биодизельного топлива из культивированной биомассы микроводорослей.

Краткое описание иллюстраций

На прилагаемых к описанию фигурах дано:

Фиг. 1 - Схема получения биодизеля, где 1 - фотобиореактор, 2 - осаждение биомассы центрифугированием, 3 - серная кислота, 4 - этиловый спирт, 5 - биомасса, 6 - отгонка азеотропной смеси этанола с водой, 7 - биодизельное топливо.

Раскрытие сущности изобретения

В качестве растительного материала использовали штамм одноклеточной зеленой водоросли Chlorella kessleri ВКПМ AI-11 ARW. Микроводоросли выращивали в фотобиореакторах объёмом 50 л. Для снижения затрат на процесс выращивания биомассы, предложено проводить культивирование с добавлением жидких отходов пивоваренного производства (сточные воды после флотационной обработки). Культивирование микроводорослей осуществляли при постоянной температуре воды (28±2°С), барботацией атмосферным воздухом (1,5 л/мин) и непрерывном освещении лампами дневного света (ЛДС) при интенсивности 135 мкмоль фотонов м^-2⋅с^-1. Суспензия микроводорослей в процентном соотношении содержала 70% модифицированной питательной среды Хогланда, 30% добавки сточных вод. Биомассу осаждали с помощью напольной центрифуги Thermo scientific Sorvall RC 12BP+ (4600 об/мин, время осаждения 20 мин). Затем биомассу с остаточным содержанием влаги 10±15% использовали для получения биодизельного топлива.

Для получения биодизельного топлива используют метод прямой переэтерификации. Переэтерификацию проводят с помощью этанола и технической серной кислоты. Для данного метода кипятят смесь технического этанола, обезвоженной биомассы микроводорослей и технической серной кислоты в течение 2 часов.

Далее из смеси при температуре 78±1°С отгоняют азеотроп этанола с водой, а остаток подают на верхнюю горловину флорентийской склянки. Для промывки смеси на дно склянки подают водопроводную воду.

Затем верхний слой в склянке отбирают в отдельный флакон, после чего извлекают этилацетат при встряхивании. После разделения фаз верхний слой отделяют и из отделенного верхнего слоя удаляют этанол отгонкой под вакуумом. Получают образец биодизельного топлива.

Примеры

Пример 1. Лабораторный способ получения биодизельного топлива из микроводоросли Chlorella kessleri

Для данного метода в трехгорлую колбу вместимостью 1 дм³, шлиф Ш29, снабженную механической мешалкой (стекло, тефлон), термометром и обратным холодильником, загружали при перемешивании последовательно 700 мл технического этанола, 100 г биомассы C. kessleri и 40 мл (0,72 моль) технической серной кислоты. Не прекращая перемешивания, смесь доводили до слабого кипения на колбонагревателе и выдерживали при этих условиях в течение 2 часов.

Далее из смеси при температуре 78±1°С отгоняли 0,25-0,3 л азеотропа этанола с водой, а остаток при помощи двухканального перистальтического насоса со скоростью 1,2 мл/мин. подавали на верхнюю горловину флорентийской склянки вместимостью 250 мл. Одновременно для промывки смеси при помощи второго канала перистальтического насоса со скоростью 0,7 л/час на дно склянки подавали водопроводную воду.

Верхний слой в склянке отбирали в отдельный флакон, после чего извлекали 50 мл этилацетата при встряхивании. После разделения фаз верхний слой отделяли и удаляли растворитель отгонкой под вакуумом. Получали образец биодизеля (8-10 мл). Для получения 100 мл биодизеля данный процесс повторяли более 10 раз.

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к способу производства биодизельного топлива из биомассы микроводоросли рода Chlorella kessleri. Способ характеризуется тем, что для получения биодизельного топлива проводят прямую переэтерификацию без предварительной экстракции липидов. При этом в емкость загружают технический этанол, биомассу Chlorella kessleri и техническую серную кислоту, смесь доводят до слабого кипения, непрерывно перемешивая, выдерживают при этих условиях в течение 2 часов, после завершения переэтерификации полученную смесь очищают путём водной промывки и отгонки азеотропа этанола с водой при температуре 78±1°С, очищенную смесь отделяют и встряхивают, после разделения фаз отделяют находящийся в верхнем слое этилацетат, затем отгонкой под вакуумом удаляют этанол. Использование предлагаемого изобретения позволяет получать биодизельное топливо с высоким процентом выхода. 1 ил., 1 пр.

Способ производства биодизельного топлива из биомассы микроводоросли рода Chlorella kessleri, отличающийся тем, что для получения биодизельного топлива проводят прямую переэтерификацию без предварительной экстракции липидов, при этом в емкость загружают технический этанол, биомассу Chlorella kessleri и техническую серную кислоту, смесь доводят до слабого кипения, непрерывно перемешивая, выдерживают при этих условиях в течение 2 часов, после завершения переэтерификации полученную смесь очищают путём водной промывки и отгонки азеотропа этанола с водой при температуре 78±1°С, очищенную смесь отделяют и встряхивают, после разделения фаз отделяют находящийся в верхнем слое этилацетат, затем отгонкой под вакуумом удаляют этанол.