По мнению ученых, состав биотоплива существенно отличается от состава нефти, однако в его структуре присутствуют компоненты, схожие с зеленкой.
Состав биотоплива, полученного из микроводорослей Spirulina platensis, был определен с использованием высокоразрешающей масс-спектрометрии. В рамках исследования проанализированы две фракции биотоплива, выделенные после специальной обработки водорослей. Результаты исследования представлены в журнале European Journal of Mass Spectrometry. Работа выполнена исследовательской группой, объединившей ученых из Сколтеха, Института энергетических проблем химической физики РАН, Института биохимической физики им. Эмануэля РАН, Объединенного института высоких температур РАН, МГУ и Московского физико-технического института.
Водоросли, как спасение экологии
Биотопливо, являясь альтернативным источником энергии, заслуживает пристального внимания, поскольку оно способно помочь в решении таких задач, как исчерпание нефтяных запасов и изменение климата. В отличие от нефти, биотопливо получают из возобновляемых природных ресурсов, и при его сжигании образуется меньше парниковых газов. Например, Бразилия уже удовлетворяет 40% своих энергетических потребностей за счет биотоплива. В качестве сырья для биотоплива применяются сельскохозяйственные культуры и другие растения. Однако это сопряжено с необходимостью использования плодородных земель, которые могли бы использоваться для производства продуктов питания. Многообещающим сырьем для биотоплива являются морские микроводоросли, поскольку они не требуют ни чистой воды, ни сельскохозяйственных угодий. Водоросли активно поглощают углекислый газ, что делает их использование полезным для сокращения парникового эффекта. Топливо из микроводорослей относят к биотопливу третьего поколения, и в настоящее время проводятся интенсивные исследования, направленные на его производство.
Рецепт биотоплива
Зная точный состав биотоплива, можно будет оптимизировать технологию его производства. Изначальные способы получения горючего из водорослевой массы были неэффективны с точки зрения энергозатрат, поскольку значительное количество энергии уходило на сушку водорослей, содержащих большое количество воды. Для реализации коммерческого производства требовался новый, более продуктивный метод. И такой метод был разработан – гидротермальное сжижение: влажная биомасса подвергается нагреву до температуры свыше 300°C и сжимается под давлением 200 атмосфер, что позволяет получить топливо. Подобный принцип реализуется и в природе, когда под воздействием высоких температур и давления в земных недрах формируется нефть, однако в реакторе этот процесс протекает быстрее. В результате формируются две фракции: жидкое биотопливо и вязкая масса, остающаяся в реакторе. Эти смеси состоят из множества индивидуальных компонентов, и для определения их состава наиболее подходящим методом будет масс-спектрометрия.
Масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия – это метод исследования, позволяющий установить элементный и изотопный состав вещества. В основе метода лежит принцип различного поведения соединений в электрическом и/или магнитном поле, обусловленный различиями в их соотношении массы к заряду (m/z). Результатом анализа является масс-спектр – график, отображающий интенсивность и соответствующие значения m/z.
С помощью масс-спектрометрии было проведено исследование биотоплива, полученного из водорослей Spirulina platensis. В ходе гидротермального сжижения все соединения с температурой кипения ниже 300 градусов по Цельсию покидают реактор в газообразной форме и охлаждаются в специальной емкости. В результате формируется жидкая фракция, а в реакторе остается твердая. Масс-спектрометрический анализ выявил, что наибольшее количество веществ в обеих фракциях содержит азот и соединения азота, однако компоненты твердой фракции демонстрируют большее разнообразие и отличаются по свойствам от компонентов жидкой. Обнаруженные в биотопливе соединения не имеют сходства с веществами, присутствующими в традиционной сырой нефти, несмотря на свою горючесть. Масс-спектрометрия позволяет определить только молекулярные формулы веществ (например, C18H35N2). Для получения информации о структуре молекул исследователи использовали метод замещения водорода на дейтерий.
Замена водорода на дейтерий
Замена водорода на дейтерий приводит к увеличению массы иона и смещению пика в спектре. По величине этого смещения ученые могут установить положение водорода в молекуле. Однако не всегда водород может быть заменен на дейтерий, то есть не в любой позиции водород способен покинуть молекулу.
Для анализа на масс-спектрометре молекулы должны быть предварительно заряжены, поскольку в противном случае электромагнитное поле не окажет на них воздействия. Изначально обычные молекулы не имеют заряда (z=0), так как в них количество протонов равно количеству электронов. Однако, присоединение, к примеру, протона (частицы с зарядом +1), приводит к образованию иона с зарядом z=1. Этот процесс преобразования молекул в ионы называется ионизацией.
Перед поступлением в масс-анализатор молекулы образца ионизируются. Нейтральные соединения в процессе ионизации получают протоны и превращаются в положительные ионы. Протон, присоединившийся к молекуле, обычно легко заменяется дейтоном, однако в некоторых компонентах биотоплива эта замена не происходит. По интенсивности смещенного пика, возникающего при замене, ученые сделали вывод об этом. В обычной нефти интенсивность смещенного пика была сопоставима с интенсивностью несмещенного, что свидетельствует о полной замене.
При использовании биотоплива интенсивность смещенного пика оказалась в пять раз ниже. Это указывает на то, что под одним пиком может находиться несколько соединений, и не все из них содержат водород, который потенциально может быть замещен дейтерием. Если вещества не ионизируются, это говорит о том, что они уже присутствуют в биотопливе в виде положительных ионов. Подобные вещества обнаруживаются, например, в некоторых красителях, таких как бриллиантовый зеленый, который является компонентом зеленки.
Евгений Николаев, член-корреспондент РАН, профессор Сколтеха, научный руководитель Лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ, считает, что изучение продуктов гидротермального сжижения микроводорослей с применением масс-спектрометрии критически важно для улучшения процесса производства биотоплива. По его мнению, необходимо сосредоточиться на работе с водорослями, обладающими наибольшим содержанием липидов, и на создании таких сортов посредством генетической модификации, чтобы определить наиболее подходящее сырье для получения биотоплива».