ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 1, с. 80-84
УДК 582.26
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОМАССЫ Cladophora, Spirogyra И Oedogonium КАК ИСТОЧНИКА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛОВЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
© 2014 г. И. Хак, А. Мухаммед, Ю. Хамид
Институт промышленной биотехнологии, университет GC, Катчери роуд, Лахор, Пакистан 54000
e-mail: ikmhaq@yahoo.com Поступила в редакцию 25.10.2012 г.
Поиск альтернативных видов топлива для улучшения экологической ситуации, вызванной использованием дизельного топлива, является актуальной научной проблемой. Исследована возможность получения моноалкильных эфиров жирных кислот c использованием липазы из масляных экстрактов водорослей Cladophora sp., Spirogira sp. и Oedogonium sp. Для оптимизации реакции переэтерифи-кации были исследованы различные условия проведения реакции: изменение температуры реакции, времени перемешивания, соотношения масла и спирта, а также различные доноры алкильной группы. Для проведения реакции переэтерификации в качестве доноров алкильной группы были использованы четыре различных спирта: метанол, этанол, н-пропанол и н-бутанол. Наилучшие результаты были получены при использовании метанола, оптимальные условия реакции — температура 50°C и перемешивание в течение 6 ч. Максимальные выходы биодизельного топлива из Cladophora sp. (75.0%), Spirogyra sp. (87.5%) и Oedogonium sp. (92.0%) были получены при соотношении масло—спирт в реакционной среде 1 : 8.
DOI: 10.7868/S0555109913060093
Ожидаемое истощение запасов ископаемого топлива вынуждает вести поиск возобновляемых источников энергии [1]. Альтернативными источниками энергии могут служить ветер, вода, солнце, водород, геотермальная и ядерная энергия, а также биомасса. Биотопливо, производимое из биомассы, является наиболее перспективным возобновляемым источником, который, как предполагают, способен удовлетворить возрастающую глобальную потребность в энергии [2].
Биодизель представляет собой смесь моноал-кильных эфиров жирных кислот (МЭЖК), образующихся в реакции триглицеридов (из масел или жиров) с одноатомными спиртами с короткой цепью [3]. Эта реакция также известна как реакция переэтерификации или алкоголиз. Помимо ал-кильных эфиров жирных кислот в реакции также образуется глицерин. Реакция происходит в несколько стадий: на первой стадии из триглицеридов образуются диглицериды, потом моноглице-риды и, наконец, глицерин [4].
Переэтерификация масел может быть осуществлена химическим или ферментативным методами [5]. Однако отрицательные факторы химических методов производства биотоплива приводят к затруднениям при использовании липаз для переэтерификации [4]. Для получения МЭЖК использовали масла: канолы, соевое, пальмовое, подсолнечное, рапсовое, кукурузное, арахисовое и хлопковое [6]. Однако мировой продовольствен-
ный кризис, конкурирующие потребности в ресурсах и пищевых продуктах — источников биотоплива, а также высокие цены на нефть сделали актуальным поиск альтернативных источников энергии. Поэтому для производства биотоплива исследуется использование других источников: водоросли, отработанные пищевые масла, животный жир, свиной жир и желтый жир [7]. Многие виды водорослей перспективны для производства биодизеля, так как имеют высокое содержание жиров в биомассе. Среди водорослей существуют и такие, в которых содержание масел превышает 60% общей массы. Имеются и другие преимущества использования водорослей, как например, скорость роста, способность поглощать С02 в различной среде обитания. Водоросли при достаточном освещении могут расти практически в любом месте и, что немаловажно, отсутствует конкуренция за место с продуктами сельского хозяйства [8].
Цель работы — изучение возможности получения биотоплива из масел экстрагированных из водорослей Оайоркога Бр., Spirogira Бр. и Oedogonium Бр. и оптимизация процесса переэтерификации.
МЕТОДИКА
Культивирование Культуры С^орНога Бр., Spirogira Бр. и Oedogonium Бр., полученные из Ботанического сада университета ОС Лахор (Пакистан), выращивали в отдельных аквариумах
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОМАССЫ
81
(4 х 10 х 8 см) со сточными водами аквариумных рыб с добавлением KH2PO4 (0.2 г/л) и NaHPO4 (0.6 г/л) в качестве основных компонентов. Выращивание культур осуществляли при температуре 25 ± 3°С при естественном солнечном свете в течение 3 мес., чтобы получить достаточное количество биомассы.
Подготовка образцов. Биомассу водорослей измельчали пестиком в ступке в течение 10—15 мин и высушивали в термостате при 80°С в течение 1 ч для того, чтобы удалить воду [9].
Экстракция масел. Экстракцию масла из биомассы высушенных водорослей проводили на аппарате Сокслета в течение 5—6 ч при 68.9°С с использованием гексана в качестве экстракционного растворителя. Экстрагированные масла выпаривали в вакууме на роторном испарителе при 40°С для удаления гексана.
Тонкослойная хроматография (ТСХ). ТСХ полученных масел проводили на пластинах с силика-гелем (8 х 6.5 см) в смеси растворителей хлоро-форм—гексан—метанол в соотношении (8 : 6 : 1) как подвижной фазы [10].
Переэтерификации. Для реакции переэтери-фикации в 125 мл колбу Эрленмейера было добавлено 2.0 г масла водоросли, 7 мл спирта, 0.2 мл 2%-ного раствора липазы и 8 мл гексана. Эту реакционную смесь инкубировали при 45°С и на качалке (200 об./мин) в течение 5 ч. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 16 ч, затем центрифугировали при 4000 х g в течение 15 мин для разделения двух отдельных слоев, т.е. биотоплива и глицерина. Выход в процентах определяли по следующей формуле: % выхода = масса биотоплива х 100/вес масла.
Раствор липазы. Для синтеза биотоплива использовалась липаза из ("Novozyme", Дания). Для приготовления раствора фермент измельчали и растворяли 200 мг в 10.0 мл 0.1 М Na-фосфатного буфера, рН 7.0.
Анализ ИКФС. Образцы биотоплива были проанализированы с использованием инфракрасной Фурье-спектроскопии полного отражения (ИК) на Фурье-спектрометре Nicolet™ 380 (со стандартным разделителем света KBr, "Thermo Fisher Scientific Inc.", США), оснащенном детектором дейте-рированного триглицинсульфата с приставкой Smart ARK™.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование различных доноров алкильной группы в реакции переэтерификации масла из водорослей. Исследованы четыре различных донора алкильных групп: метанол, этанол, н-пропанол и н-бутанол, в качестве субстратов в реакции пере-этерификации масел, экстрагированных из водорослей, принадлежащих к родам Cladophora,
%
90 75 60 45 30 15 0
I
II
III
Рис. 1. Влияние различных спиртов на выход биодизеля (%) из масел водорослей. 1 — метанол, 2 — этанол, 3 — пропанол, 4 — бутанол. I — С1а&ркога ф., II — Зртуа ф., Ш — Oedogonium ф.
Бртруга и Oedogonium. Наиболее высокие выходы биодизеля были получены при переэтерификации масел из водорослей с метанолом (рис. 1). Максимальный выход (82.5%) был получен при использовании масла из Oedogonium 8р. Возможно, более высокий выход биодизеля при использовании метанола связан с его строением, наличием самой короткой RO-группы среди всех спиртов. При увеличении длины углеродной цепи спирта скорость реакции снижается из-за сте-рических затруднений [11]. Кроме того, использование метанола делает процесс очистки проще, так как фазовое разделение полученной смеси с образованием нижнего слоя из глицерина, а верхнего слоя из метилового эфира происходит без затруднений. Тем не менее, при этанолизе образующаяся смесь гораздо более стабильна из-за наличия большего количества неполярных групп в этаноле. Однако это создает дополнительные сложности для разделения и выделения биодизеля [12]. Вместе с тем, это объясняет, почему выход биотоплива при этанолизе был меньшим по сравнению метаноли-зом. Все образцы биодизеля анализировали с помощью ИК-Фурье-спектроскопии (данные не показаны). Результаты свидетельствовали о высоком качестве продуктов МЭЖК, полученных при переэтерификации масла из Oedogonium 8р. с метанолом.
Влияние температуры на реакцию переэтерификации масла водорослей. Получение биодизеля с участием липазы в значительной степени зависело от температуры проведения реакции. Было исследовано влияние температуры на выход биодизеля из масла водорослей в пределах температур 30—60°С. Сравнительный анализ выхода показал, что увеличение температуры до 50°С приводило к увеличению содержания МЭЖК (рис. 2). Дальнейшее увеличение температуры снижало выход биодизеля. Максимальный выход наблюдали для масел из Oedogonium 8р. Процесс переэтерификации происходил и при 30 и 40°С, но выход снижался за счет неполной конверсии реагентов, по-
82
ХАК и др.
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1 2
30
40
50
60 °С
Рис. 2. Влияние температуры реакции на выход (%) биодизеля из масел водорослей. 1 — С1айоркога 8р., 2 — 8р1го£уга 8р., 3 — Oedogonium 8р.
%
90 60 40 20
8
Рис. 3. Влияние времени проведения реакции на выход (%) биодизеля из масел водорослей. 1 — Cladopho-га 8р., 2 — Брт^уга 8р., 3 — Oedogonium 8р.
3
2
1
0
скольку выбранный температурный режим не был оптимальным для проявления липазной активности [13]. Повышение температуры приводило к сниженной вязкости масла, что увеличивало его растворимость в метаноле, а это, в свою очередь, вносило свой вклад в повышению выхода реакции по биодизелю [14].
Влияние времени инкубации на протекание реакции переэтерификации масла водорослей. Для
исследования влияния времени инкубации на протекание реакции переэтерификации масла водорослей реакцию проводили в течение 2, 4, 6 и 8 ч. Было установлено, что перемешивание в течение 6 ч способствовало более высокому выходу биодизеля в реакции, катализируемой липазой, для всех трех исследованных масел (рис. 3). Максимальный выход наблюдали в реакции с маслом из Oedogonium Бр. после 6 ч проведения реакции. Увеличение времени протекания реакции снижало выход биодизеля. Возможно, что при увеличении времени реакции происходил сдвиг равновесия в
сторону обратной реакции, что приводило не только к потере эфира, но и образованию мыла [15].
Влияние соотношения масло—метанол на протекание реакции переэтерификации масел водорослей. Стехиометрическое
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.