Ученые обнаружили, что биотопливо мало похоже на нефть по составу, но схоже с раствором зелёного цвета для обработки ран.
В журнале European Journal of Mass Spectrometry вышла работа ученых из нескольких российских институтов, в которой с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения был изучен состав биотоплива, полученного из микроводорослей Spirulina platensis. Проведенное исследование затронуло две фракции биотоплива, получаемые после обработки водорослей специальным методом.
Водоросли, как спасение экологии
Биотопливо как альтернативный источник энергии привлекает внимание, поскольку может решить проблемы истощения нефтяных запасов и глобального потепления. В отличие от нефти, биотопливо производится из возобновляемых ресурсов, выделяя при сжигании меньше парниковых газов. Бразилия уже обеспечивает 40% своих потребностей биотопливом. Сырьём служат сельскохозяйственные культуры и растения, но это занимает плодородную землю, которую можно было бы использовать для питания людей. Перспективным сырьем являются морские микроводоросли, не требующие воды и земли. Водоросли поглощают углекислый газ, уменьшая парниковый эффект. Топливо из микроводорослей — биотопливо третьего поколения, производство которого активно развивается.
Рецепт биотоплива
Знание состава биотоплива позволит совершенствовать процесс его производства. Ранние технологии получения горючего из водорослевой массы были неэффективны из-за больших энергетических затрат на высушивание влажной биомассы. Для коммерческого применения необходим был новый метод. Такой метод – гидротермальное сжижение: мокрую биомассу нагревают до температуры выше 300℃, сжимают давлением в 200 атмосфер и получают топливо. Принцип такой же, как в природе, где под воздействием высоких температур и давления в недрах Земли образуется нефть, только в реакторе этот процесс происходит быстрее. В результате получаются две фракции: жидкое биотопливо и густая масса, остающаяся в реакторе. Это смеси из тысяч компонентов, для определения состава которых лучше всего подходит масс-спектрометрия.
Масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия — способ исследования состава вещества. Метод основан на разном поведении соединений в электрическом и/или магнитном поле в зависимости от отношения массы к заряду (m/z). В результате получается масс-спектр — график с пиками интенсивности, каждый из которых соответствует определенному значению m/z.
С помощью масс-спектрометрии ученые изучили биотопливо из водорослей Spirulina platensis. В ходе гидротермального сжижения вещества с температурой кипения ниже 300 градусов покидают реактор в виде газа и охлаждаются в емкости. В результате образуется жидкая фракция, а в реакторе остается твердая. Анализ масс-спектрометрией показал, что обе фракции содержат преимущественно вещества с атомами N и N2, но компоненты твердой фракции разнообразнее по свойствам и составу по сравнению с жидкой. Обнаруженные в биотопливе вещества не схожи с компонентами обычной сырой нефти, хотя обладают горючими свойствами. Масс-спектрометрия позволяет определить только молекулярные формулы веществ (например, C18H35N2). Чтобы получить информацию о структуре молекул, исследователи применили метод замены водорода на дейтерий.
Замена водорода на дейтерий
Замена водорода на дейтерий увеличивает массу иона, смещая пик в спектре. По этому смещению ученые определяют расположение водорода в молекуле. Но не любой водород сменит своё место на дейтерий, а не любое место свободно отдаст водород.
Для запуска молекул в масс-анализатор их необходимо зарядить, иначе электромагнитное поле на них не подействует. Обычные молекулы имеют заряд z = 0, так как число протонов равно числу электронов. Если к молекуле присоединить протон (частица с зарядом +1), она станет ионом с зарядом z=1. Преобразование молекул в ионы называется ионизацией.
Перед запуском в масс-анализатор молекулы образца подвергают ионизации. К нейтральным соединениям добавляются протоны, и создаются положительные ионы. Протон легко заменяется дейтоном, но в некоторых компонентах биотоплива замещения не происходит. Ученые это поняли по интенсивности смещенного пика, который получается при замене. В обычной нефти смещённый пик имел такую же интенсивность, как и несдвинутый, что указывает на полную замену.
Интенсивность смещенного пика при анализе биотоплива была в пять раз меньше. Это указывает на наличие нескольких соединений под одним пиком, не во всех из которых присутствует водород, могущий быть заменен дейтерием. Если вещества не ионизируются, значит, это уже положительные ионы, содержащиеся в биотопливе подобно красителям, например, бриллиантовому зеленому, используемому в составе зеленки.
Евгений Николаев, член-корреспондент РАН, профессор Сколтеха, научный руководитель Лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ отмечает: «Изучение продуктов гидротермального сжижения микроводорослей масс-спектрометрией важно для повышения эффективности производства биотоплива. Следующие исследования должны сосредоточиться на использовании сортов водорослей с наивысшим содержанием липидов и создании таких сортов с помощью генетической модификации. Это позволит выбрать из них наиболее эффективное сырье для биотоплива».
