ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 46, № 4, с. 405-415
УДК 663.18:665.3
БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО: СОСТАВ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРОДУЦЕНТЫ, СОВРЕМЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ (ОБЗОР)
© 2010 г. Е. П. Феофилова, Я. Э. Сергеева, А. А. Ивашечкин
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва, 117312 e-mail: feofilov@inmi.host.ru Поступила в редакцию 09.06.2009 г.
В обзоре рассматривается необходимость расширения исследований по созданию возобновляемого биотоплива. Особое внимание уделяется биодизелю, истории его создания, преимуществам и недостаткам по сравнению с дизельным топливом. Основная часть обзора посвящена анализу видов дизельного биотоплива на основе липидов бактерий, мицелиальных грибов, дрожжей, растений, фото- и гетеротрофных водорослей. Подробно рассматривается биодизель на основе мицелиальных грибов, и обосновывается возможность создания наиболее перспективных биотехнологий с использованием этих продуцентов. Обсуждается современное состояние биотехнологии в России в связи с развитием энергетики, основанной на возобновляемых биотопливах.
В ХХ веке впервые пришло осознание того, что мировые запасы нефти и газа могут быть исчерпаны, и следует заранее искать возобновляемые источники энергии. В начале XXI века истощение запасов нефти стало реальной проблемой. Развитие работ по поиску новых, возобновляемых источников энергии значительно стимулировалось интенсивным использованием нефти и газа, которые, как считалось, являются факторами, приводящими к резкому потеплению ("парниковый эффект") и загрязнению окружающей среды. Возникла проблема поиска альтернативных традиционным, источников энергии и топлива, которые были бы регенерируемыми и экологически безопасными.
Литературный обзор посвящен проблеме замены ископаемых источников энергии на возобновляемое биотопливо. В настоящее время существуют три типа биотоплива: биоэтанол (абсолютный этиловый спирт, полученный путем ферментации сахаров микроорганизмами) и биобутанол (ферментация с использованием сольватогенных кло-стридий) [1]; биогаз, синтез-газ (смесь СО и Н2), 2,5-диметилфуран [2, 3]; биодизель [4].
В обзоре основное внимание будет уделено биодизельному топливу как наиболее востребованному и перспективному источнику энергии. В настоящее время транспортный сектор Европейского Союза все больше ориентируется на использование биодизеля [5], во многих странах мира приняты программы по использованию 5—10% добавки биодизеля к стандартному дизельному топливу (смеси биодизеля с дизельным топливом обозначаются буквой В, цифра при букве обозначает процентное содержание биодизеля), так и использование 100% биодизеля. Также на биодизельное топливо переводится муниципальный транспорт [6]. В Новой Зеландии
"Aqua-Flow Bionomic" совместно с компанией "Boeing" проводятся испытания по использованию биодизеля в качестве авиационного топлива (www.greenflightinternational.com). Финансируются разработки ряда университетов в США, направленные на создание биодизеля [7]. Популярность этого вида биотоплива растет, что наглядно показано в одном из последних обзоров, где подробно обсуждаются источники получения, состав, свойства и преимущества биодизеля перед другими видами возобновляемого топлива. Биодизель — это возможный кандидат, который может заменить ископаемое топливо и стать в мире первичным источником энергии [8].
Современное состояние энергетических запасов в мире и в России. Более ста лет назад общество добровольно поставило себя в зависимость от ископаемых источников энергии — нефти и газа. По данным лондонского Центра анализа проблем истощения запасов нефти в ближайшие 4 г. добыча нефти в мире достигнет максимального уровня, а затем начнет все больше снижаться, что приведет к тяжелым последствиям для мировой экономики и нашего образа жизни (www.promved.ru). Это означает, что эпоха дешевой нефти кончается.
По оценкам разных экспертов объемы разведанных запасов нефти составляют от 1.2 до 4.5 триллионов баррелей (1 баррель составляет 0.158987 м3) углеводородного сырья. Такой разброс данных объясняется тем, что, во-первых, сведения такого рода являются государственной тайной, а, во-вторых, слишком разные мнения существуют у ученых относительно этой величины. Большинство аналитиков сходится на том, что в зависимости от динамики потребления нефти этих запасов хватит на срок от 15 (с учетом 5% ежегодного роста потребления нефти в
мире) до 140 лет при нынешних объемах потребления (www.ereport.ru).
На долю России приходится 13—15% мировых запасов нефти (по данным Energy Information Administration (EIA): 48.6 миллиардов баррелей) и около 35% запасов газа (по данным EIA: 1.7 триллиона кубических футов). Разведанные извлекаемые запасы нефти в Российской Федерации оцениваются в 25.2 млрд. тонн, т.е. по запасам нефти Россия уступает только государствам Ближнего Востока и Венесуэле, а по запасам газа занимает первое место в мире. По разведанным запасам и добыче нефти Россия занимает второе место в мире (www.ere-port.ru).
По официальным данным добыча углеводородного сырья в России будет обеспечиваться открытыми запасами до 2020 г, однако добыча нефти начнет падать уже с 2010 г., и без учета пополнения месторождений, ее хватит на 30—40 лет (wwwbusiness.km.ru).
Истощение запасов горючих ископаемых вынуждает искать пути использования возобновляемых источников энергии, таких, как солнечная энергия, энергия ветра, волн, приливно-отливных течений, процессов термоядерного синтеза, а также использование биологического сырья. При этом в США в качестве основного возобновляемого биотоплива будущего рассматривается этанол, а в Европе — биодизельное топливо [9].
По мере истощения запасов нефти и газа вопрос энергетической безопасности приобретает все большую значимость для развития биотопливной индустрии, хотя при нынешней технологии биотопливо может лишь весьма незначительно повысить энергетическую безопасность отдельных стран. Дело в том, что пока объем внутреннего производства сырьевых культур покрывает малую толику потребности в транспортном топливе, но есть несколько исключений: например, этанол в Бразилии [10]. В настоящее время все больше внимания уделяется и экологическому аспекту использования биотоплива. С учетом указанных выше экологических нарушений, которые являются следствием все возрастающего использования ископаемого топлива, очень существенно, что биотопливо является углероднейтральным, т.е. в результате его сгорания в атмосферу возвращается столько углерода, сколько было потрачено на образование биомассы, переработанной в топливо [11].
История использования биодизельного топлива.
Идея об использовании растительных масел в качестве топлива имеет достаточно длительную историю. Такая возможность была обоснована впервые еще в 1853 г. Е. Даффи и Дж. Патриком. Первое испытание двигателя, использовавшего в качестве топлива растительное масло, было проведено Р. Дизелем в 1893 г. Опытный образец двигателя Р. Дизеля демонстрировался на Международной выставке 1900 г. в Париже и работал на арахисовом масле. В
1912 г. в своей речи в Технологическом Институте Великобритании (Institution of Mechanical Engineers of Great Britain) Р Дизель сказал: "Использование растительных масел в качестве топлива для машин может казаться сегодня несущественным, но такие масла, со временем, могут стать столь же важны, как продукты угля и нефти сегодня" [12]. Впоследствии из-за низких цен на ископаемые энергоносители спрос на биотопливо был довольно низок, и интерес к использованию биодизеля возрождался только во время энергетических кризисов, во время и после Второй мировой войны, а также во время энергетического кризиса 1970—1980 годов. В разные годы интерес к разработке биотоплива проявляли Бельгия, Франция, Италия, Германия, Великобритания, Бразилия, Аргентина, Япония, Индия, США [12].
За последнее десятилетия во многих странах резко изменилось отношение к проблеме биодизеля и произошло значительное увеличение производства биодизельного топлива. Так, в странах ЕС производство биодизеля за период 1998—2008 гг. увеличилось более чем в 33 раза (с 475 тыс. то до 16.0 млн. т). В США рынок биодизельного топлива за период с 2000 по 2008 г. увеличился с 2 млн. галлонов (0.0476 млн. бареллей) до 700 млн. галлонов (16.6667 млн. бареллей), т.е. в 350 раз. В ближайшие годы значительное увеличение рынка биодизельного топлива ожидается не только в развитых, но и в развивающихся странах (Китай, Бразилия, Индонезия, Малайзия) (www.biodieselmagazine. com).
Характеристика биодизельного топлива. Биодизельное топливо (биодизель) представляет собой смесь моноалкиловых (чаще всего метиловых или этиловых) эфиров жирных кислот, полученных при этерификации возобновляемых биологических ресурсов, таких, как растительные масла или животные жиры [13]. Основными компонентами растительных и животных жиров являются триацилгли-церины (ТАГ) (до 80%). Для получения биодизельного топлива проводят реакцию переэте-рификации ТАГ со спиртом (чаще всего используют метанол или этанол) в присутствии катализатора, в результате реакции из одной молекулы ТАГ образуются три молекулы сложных эфиров жирных кислот и одна молекула глицерина (рисунок).
Механизм и кинетика протекания реакции хорошо изучены. Реакция протекает в несколько этапов: сначала от молекулы ТАГ происходит отщепление одной молекулы жирной кислоты с образованием диациаглицерина (ДАГ), затем отщепляется еще одна молекула кислоты и образуется моноацилглице-рин (МАГ) и на завершающем этапе отщепляется третья молекула кислоты и образуется глицерин. Процесс проводят при нагревании и атмосферном давлении. Условия протекания реакции такие, как температура, время, тип используемого катализатора, соотношение исходных реагентов зависят от хи-
СИ,
СИ-
СИ,
о II
-о-С-Я!
о II
-о—С-Я2
о II
-о—С-Яз ТАГ
3СИ3ОИ
Метанол (масла, жиры, липиды) (спирт) R1, R2, R3 — ацильные цепи
ка(
О
II
Я—С-ОСИ3
+ о II
Я2—С-оСИ3
+о II
Я3—С-оСИ3
Биодизель (МЭЖК)
си2—ои
си—ои
си2—ои
Глицерин
Схема получения биодизельного топлива.
мического состава исходных растительных масел ил
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.