CC BY
179
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
БИОДИЗЕЛЬ - АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Бердиев Нодир Шарифович
младший научный сотрудник Институт биоорганической химии им. А.С. Садыкова АНРУз,
Узбекистан, г.Ташкент Е-mail: nodir2884@mail. ru
Зиявитдинов Жамолитдин Фазлитдинович
канд. хим. наук, старший научный сотрудник Институт биоорганической химии им. А.С.Садыкова АН РУз,
Узбекистан, г.Ташкент Е-mail:[email protected]
Фазлиддинов Шамсиддин Жамолитдинович
студент Ташкентский технический университет им. И.А. Каримова, АН РУз,
Узбекистан, г.Ташкент
Саъдуллаев Шохрух Тулкин угли
студент Ташкентский химико-технологический институт, АН РУз
Узбекистан, г.Ташкент Е-mail: [email protected]
Шеримбетов Санжар Гулмизоевич
док. биол. наук, ведущий научный сотрудник, Институт биоорганической химии им. А.С.Садыкова АН РУз,
Узбекистан, г.Ташкент Е-mail:[email protected]
BIODIESEL AS AN ALTERNATIVE ENERGY SOURCE
Nodir Berdiyev
Junior Research Scientist, A.S. Sadykov Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences ofRepublic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Jamolitdin Ziyavitdinov
Candidate of Chemical Sciences, Senior Research Scientist, A.S. Sadykov Institute of Bioorganic Chemistry
of the Academy of Sciences ofRepublic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Shamsiddin Fazliddinov
Student of Tashkent State Technical University named after I.А.Karimov,
Uzbekistan, Tashkent
Shokhrukh Sadullayev
Student of Tashkent State Technical University, Uzbekistan, Tashkent
Sanjar Sherimbetov
Doctor of Biological Sciences, Leading Research Scientist, A.S. Sadykov Institute of Bioorganic Chemistry
of the Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: Биодизель - альтернативный источник энергии // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Бердиев Н.Ш. [и др.]. 2019. № 6(60). URL: http://7universum.com/ru/nature/ archive/item/732 7
АННОТАЦИЯ
С целью получения биодизеля из растительных масел ферментативным способом, выделена высокоактивная липаза из бактерии Pseudomonas aeruginosa. Выделенный фермент ориентированно иммобилизирован на твердую матрицу. С использованием синтезированного сорбента разработан колоночный реактор и апробирован в процессе получения биодизеля из растительных масел. Определены оптимальные условия получения биодизеля ферментативным способом в колоночном реакторе.
ABSTRACT
With the aim of obtaining biodiesel from plant oils by enzymatic way, a highly effective lipase from Pseudomonas aeruginosa has been isolated. Isolated enzyme orientally immobilized into solid matrix. On the basis of synthesized sorbent a column reactor was developed and experienced in the process of obtaining biodiesel. Optimal parameters of obtaining biodiesel in column reactor, by enzymatic way, are determined.
Ключевые слова: биодизель, липаза, фермент, активность, хроматография.
Keywords: biodiesel; lipase; ferment; activity; chromatography.
В настоящее время можно выделить множество причин к переходу на альтернативные источники энергии (АИЭ); это увеличение загрязнения окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы, которое приводит к глобальному изменению климата, это и дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность поиска новых источников энергии. Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода на АИЭ это:
1. Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий, их использование неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
2. Экономический: переход на АИЭ позволит сохранить тепловые ресурсы для переработки в химической и других отраслях промышленности.
3. Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы для строительства АЭС, ГРЭС и ТЭЦ, хорошо известен и вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС,- всё это увеличивает социальную напряжённость [1].
Альтернативное топливо (от лат. акег-другой, один из двух), получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти с использованием (после реконструкции) энергопотребляющих устройств, работающих на нефтяном топливе.
Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом: 1. По составу: углеводо-родно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками; 2. По агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые; 3. По объемам использования: целиком, в качестве добавок; 4. По источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и другие [2].
Альтернативой дизельным топливам на основе сырой нефти, служит биодизельное топливо. Биодизелем, называют топливо, полученное химической реакцией между растительными маслами, либо животными жирами и спиртами (метиловым, этиловым или изопропиловым спиртами) в присутствии ката-
лизатора (щёлочь, кислота или фермент). С химической точки зрения биодизель - это моноалкиловый эфир. Биодизельное топливо— альтернативное, экологически чистое топливо для дизельных двигателей, вырабатываемое из возобновляемых источников сырья биологического происхождения. БТ имеет преимущества по сравнению с нефтяным дизельным топливом по таким показателям, как содержание серы и ароматических углеводородов, температура вспышки и способность к биологическому разложению. Оно совместимо с существующими моделями двигателей, может смешиваться с традиционным дизельным топливом и применяться в составе смесе-вого топлива [3-6].
С помощью процесса этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с спиртом и в результате чего, образуются алкильные эфиры жирных кислот, а также побочные продукт - глицерин [7].
Переэтерификация растительного масла была осуществлена E. Duffy и J. Patick в 1853 году, задолго до создания первого дизеля Рудольфом Дизелем в 1893 г. Сам создатель дизеля не раз говорил о ценности растительного масла в качестве горючего для своего двигателя. Однако, предпочтение было отдано углеводородам [8].
Начиная с 90-х годов XX века, экологические и сырьевые проблемы заставили искать альтернативные источники моторного топлива, и за относительно короткий срок накоплен большой опыт во всем мире по вопросам производства и применения биодизеля. Особенно следует отметить такие государства, как Франция, Германия, Швеция, Австрия, где, начиная с 1992 г. появились заводы по производству биодизеля.
В странах ЕС суммарные мощности по производству биодизеля составляли: в 2003 г. - 1,45, в 2004 г. -1,93, в 2005 г. - 3,18, в 2006 г. - 6,07 млн. тонн. Расчеты на 2010 год дают около 11,0 млн. тонн [7,8].
В России наиболее интенсивно идут разработки в области производства биодизельного топлива из растительного масличного сырья [9-11]. Товарное биодизельное топливо может производиться более чем из 50 видов масличных культур. Для получения биодизельного топлива, как свидетельствует мировой и отечественный опыт, можно применять подсол-
нечное, рапсовое, соевое, хлопковое, льняное, пальмовое, арахисовое и многие другие растительные масла [12,13], которые при взаимодействии со спиртами образуют смеси сложных эфиров высших алифатических кислот - биодизельное топливо.
Биодизель обладает рядом существенных преимуществ: 1. Не токсичен (его токсичность составляет лишь 10% от токсичности поваренной соли); 2. Разлагается в естественных условиях (приблизительно за то же время, что и сахар); 3. При попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным; 4. Практически не содержит серы и канцерогенного бензола; 5. Его источником являются возобновляемые ресурсы, не способствующие накоплению газов, вызывающих парниковый эффект.
Прямые преимущества, получаемые при использовании биодизеля в виде 20% смеси с обычным дизельным топливом, включают в себя: 1. Увеличение сетано-вого числа и смазывающей способности, что продлевает жизнь двигателя; 2. Значительное снижение вредных выбросов (включая СО, СО2, 802, мелкие частицы и летучие органические соединения); 3. Способствование очистке инжекторов, топливных насосов и каналов подачи горючего.
Эти преимущества легко доступны и не требуют затрат на модификацию двигателей или изменения в инфраструктурах. К тому же, добавление катализатора может снизить выбросы оксидов азота, что придает В20 гибкость в отношении соблюдения требований к чистоте атмосферного воздуха [14].
Таким образом, на сегодняшний день против минерального топливо самые конкурентоспособные результаты среди различных альтернативных видов топлива показал биодизель.
В Узбекистане биодизель не производится, но постепенное повышение потребности в топливе требует развития соответствующей отрасли. Следует отметить, что растительные масла и их отходы являются доступным местным сырьем в Узбекистане. В неорошаемых землях путем культивирования засухо- и солеустойчи-вых масличных растений или производством масличных клеток микроводорослей в водоочистительных сооружениях Республики, постепенно возможно создать
сырьевую базу для биомассы, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства биодизеля. Кроме того, на основе непищевого экстракционного хлопкового масла (30% от общего количества масла) и их отходов на сегодняшний день, возможно, разработать ферментативную или химическую технологию получения биодизеля.
В связи с этим, разработка технологии получения биодизеля из растительных масел путем химического (щёлочного или кислотного) или ферментативного катализа является актуальной задачей.
В настоящей работе приведены результаты проведенных исследований по созданию ферментативного способа получения биодизеля.
С целью выделения высокоактивной липазы двухдневный 10% инокулиум бактерии P. aeruginosa выращивали при температуре 24-26оС, аэрации 0,5 л/мин, скорости вращения пропеллера 150-200 враш/мин. 3 литра КЖ, с общим содержанием 1589 мг белка, осаждали ацетоном в интервале от 30% до 70% и получили 1053мг белка с 6,7 ед/мг липазной активностью (80% от исходного значения). Дальнейшую очистку фермента проводили методами гель-фильтрации на колонке с TSK HW-55f и получили 6 фракции. По результатом тестирование методом рН-стат, фракции 3 обладала 169 Ед/мг специфической активностью и 100 мг общего белка. Для получения электрофоретически гомогенного фермента, эту фракцию подвергли дальнейшему разделению на колонке с DEAE TSK HW-650S гелем. При этом получена 4 фракции, и специфическая активность второй фракции составила 1012 Ед/мг, а количество белка - 34 мг. Молекулярная масса, определённая методом электрофореза в денатурирующих условиях, составила 31 кДа.
Активность липазы в зависимости от рН среды и ее стабильность проводили в различных буферных системах с рН от 5 до 11. Эксперименты проводили при комнатной температуре. Для определения активности фермента после 1 часа растворения в соответствующих буферных растворах, липазную активность измеряли методом рН-стат. Для определения стабильности через 15 часов измеряли ферментативную активность в этих же растворах фермента. В качестве субстрата использовали трибутирин.
Рисунок 1. рН зависимость активности и стабильности фермента
Как видно из рисунка 1, оптимальным рН значением для выделенного фермента является 7,5, при которой липаза сохраняет 95 % исходной активности в течение 15 часов. Высокая стабильность фермента наблюдается в интервале рН 7-8. Резкое снижение активности и стабильности липазы наблюдается в низких и высоких значениях рН.
Активность липазы в зависимости от температуры и ее стабильность проводили в фосфатном буфере рН 7,5, а растворы фермента инкубировали на водяной бане с температурой от 20 до 60ОС. Активность фермента измеряли через час после инкубации, а стабильность липазы измеряли рН-стат методом, в течение 15 часов отбирая аликвоты с интервалом 1 часа, используя в качестве субстрата трибутирин. Полученные результаты представлены на рис. 5.
Рисунок 2. Температурная зависимость активности и стабильности фермента
Как видно из рисунка 2, при инкубации фермента в течение 1 часа при температуре 350С липаза проявляет свою максимальную активность, который равняется 1000 ед/мг, а стабильность уменьшается на 5% по отношению к исходному. Через 15 часов стабильность фермента уменьшается на 90%, при этом активность липазы составляет 101 ед/мг. При увеличении температуры активность и стабильность фермента резко падает. Например при 500С активность фермента резко снижается до 115,2 ед/мг, через час стабильность фермента снижается на 85% и через 15 часов на 99%. Таким образом оптимальной температурой для выделенного фермента является 350С, при котором липаза сохраняет 95 % исходной активности в течение 1 часа.
Таким образом, выделенная липаза в натуральном состоянии является крайне нестабильным ферментом и использование его в таком состоянии процессе получения биодизеля из растительных масел, проблематично. Для увеличения стабильности и кратности использования выделенной липазы в качестве биокатализатора - реагента для биореактора необходимо его ковалентно пришит на твердый носитель таким образом, чтобы в реакции присоединения не затрагивалась активный центр фермента.
Определенные оптимумы рН и температуры составили 7,5 и 300С, соответственно.
Известно, что все известные гидролитические ферменты содержат в себе два активных центра. Первый из них распознает своего субстрата и образует с ним комплекс, а второй активный центр, выполняя свою функцию, расщепляет соответствующую связь. Поэтому, при иммобилизации ферментов на твердый носитель, необходимо учитывать функциональные группы активного центра так, что они не участвовали при проведении реакции присоединения.
Ранее было показано [15], что для создания биореактора наиболее подходящим носителем является силикагель. Силикагель активировали с помощью у-аминопропилтриэтоксисилана и далее для иммобилизации липазы с -N2^ -SH и -COOH группами, матрицу поделили на 3 части и дополнительно обрабатывали, первую часть карбодиимидом, вторую ио-дацетамидом, а третью глутаровым альдегидом и иммобилизацию липазы проводили неагрессивными растворами неорганических солей. Количество им-мобилизированного фермента, остаточная активность и трансэтерифицирующая способность синтезированных сорбентов приведена в таблице 1.
Таблица 1.
Количественные показатели синтезированного сорбента Силохром 80 - Липаза из бактерии P. aeruginosa (0,45 г сорбента)
Модифицирующие реагенты. Группа аффин. лиганда Количество Активность после иммобил. Активность после 24 часа работы
добав. липазы присое. липазы
мг/мл мг/г ед/мг %
Глутаровый альдегид -NH2 10 7,8 80 62,8
Дициклогексил карбодиимид -COOH 10 4,6 88 48,5
Иодацетоамид. -SH 10 2,6 50 28,8
Как видно из таб.1, при иммобилизации фермента -Ы^ группами, трансэтерифицирующая способность синтезированного сорбента была выше, чем в двух остальных случаях и составляла 62,8%.
Для повышения эффективности ферментативного превращения масла в биодизель, необходимо было изучить влияние температуры и количество спирта на полноту протекания реакции. В качестве биокатализатора использовали синтезированные сорбенты. Для этого был разработан циркулирующий реактор объемом 5 мл. Влияние температуры изучали в интервале от 25 до 40°С в течение 24 часов. При этом реакционная смесь состояла из масла и этанола, в соотношении 1/4 (моль/моль). Из полученных результатов стало известно, что во всех сорбентах повышение температуры реакционной среды до 35°С приводит к увеличению образования биодизеля, а далее процесс конверсии уменьшается. Максимальная конверсия наблюдалась при температуре 35°С. При этом 90% конверсия происходило на сорбенте с им-мобилизированной липазой -Ы^ группой, тогда как на аффинных сорбентах, иммобилизированых -СООН и SH группами, эта величина составляла 87 и
53% соответственно. При температуре 40°С, активность сорбентов уменьшалась на 25% и 30%. Таким образом, экспериментально определенная оптимальная температура ферментативного катализа, в проточном реакторе, является 35°С.
Также было изучено влияние концентрации этилового и метилового спирта в интервале 1 -4 моль, при 35°С в течение 24 часов. Эффективность реакции трансэтерификации контролировали методами ТХ и ГХ определением количества моно-, ди- и триглице-ридов, а также алкилэфиров жирных кислот. Из полученных результатов стало известно, что увеличение концентрации метанола резко уменьшает процесс переэтерификации, который объясняется инактивацией ферментов. В случай этилового спирта, наоборот, увеличение концентрации приводила увеличению образование алкилэфиров жирных кислот.
Таким образом, оптимальным условием получения биодизеля из растительных масел ферментативным методом, в не циркулирующих реакторах является: соотношение масла к этиловому спирту 1/4 (моль/моль) при температуре 35°С.
Список литературы:
1. Анискин В. Н., Голубкович А.В. Перспективы использования растительных отходов в качестве биотоплив // Теплоэнергетика. 2004., №5. С 60-65.
2. Аблаев А.Р. Производства и применение биодизеля: Справочное пособие. М.: АПК и ППРО, 2006.
3. Fukuda H, Kondo A., Noda H. J. Biosci. Bioeng. 2001. Vol. 92. No. 5. P. 405.
4. Ma F., Hanna M.A. Bioresource Technol. 1999. Vol. 70. P. 1.
5. Srivastava A.E., Prasad R. Renewable Sustainable Energy Rev. 2000. Vol. 4. P. 111.
6. Altin R., Cuetinkaya S., Yucesu H.S. Energy Convers. Manage. 2001. Vol. 42. P. 529.
7. Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 1: биодизель / Вестник биотехнологии, 2007, 3, № 1. С 47-54.
8. Праманик Т., Трипати С. Биодизельное топливо-чистое топливо будущего // Нефтегазовые технологии 2005, №6. С. 65-70.
9. Девянин С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С.Н. Девянин, В.А. Марков, В.Г. Семенов. - М. : Изд. центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. - 340 с.
10. Федоренко В.Ф. [и др.] Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе / - М. : Росинформагротех, 2008. - 133 с.
11. Федоренко В.Ф. [и др.] Инновационные технологии производства биотоплива второго поколения / - М. : Ро-синформагротех, 2009. - 68 с.
12. Demirbas, A. Biodiesel: a Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines / A. Demirbas. - London : Springer-Verlag London Limited, 2008. - 209 p.
13. Нагорнов С.А. [и др.] Получение биодизельного топлива: современные тенденции, проблемы и пути их решения / Вопр. соврем. науки и практики. Ун-т им. В.И. Вернадского. - 2009. - № 10 (24). - С. 55-60.
14. Koskinen М., Souzander М., Nurminen М. Об интегрировании производства биотоплив в структуру НПЗ // Переработка нефти и нефтехимия за рубежом, 2006, №10. С. 7-10.
15. Иногамов У.К., Зиявитдинов Ж.Ф. Аффинные сорбенты как основа биореактора для получения биодизеля. Международная конференция «Актуальные проблемы развития биоорганической химии» 20-21 сентября 2010 г. Ташкент, Узбекистан. Стр.60.
