Определен химический состав биотоплива на основе водорослей.

Новости МирТесен

Исследователи продемонстрировали, что состав биотоплива существенно отличается от нефти, однако имеет определенные сходства с раствором бриллиантового зеленого.

Состав альтернативного топлива, полученного из микроводорослей Spirulina platensis, был установлен посредством высокоточной масс-спектрометрии. Анализу подверглись две разновидности биотоплива, выделяемые после специальной обработки биомассы водорослей. Результаты исследования были опубликованы в журнале European Journal of Mass Spectrometry. В работе приняли участие специалисты 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 анализа, позволяющий определить химический состав вещества. Суть метода заключается в том, что различные соединения по-разному реагируют на воздействие электрического и/или магнитного поля, в зависимости от соотношения их массы к заряду (m/z). В результате формируется масс-спектр – график с пиками интенсивности, каждый из которых соответствует определенному значению 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 атомов водорода на дейтерий приводит к увеличению массы иона, что проявляется в смещении пика в спектральной линии. Анализируя это смещение, ученые могут определить положение исходного атома водорода в молекуле. Тем не менее, не все атомы водорода подвержены замене на дейтерий; существуют ограничения относительно того, какие позиции в структуре молекулы они способны занимать.

Перед анализом на масс-спектрометре необходимо зарядить молекулы, поскольку электромагнитное поле не воздействует на незаряженные частицы. В обычных молекулах заряд равен нулю из-за баланса между числом протонов и электронов; добавление протона с положительным зарядом превращает её в ион с зарядом z=1. Этот процесс преобразования называется ионизацией.

Перед тем, как ввести образец в масс-анализатор, проводят его ионизацию – добавляют протоны к нейтральным соединениям, что приводит к образованию положительных ионов. Присоединенный протон может быть заменен на дейтерий, однако этот процесс оказался невозможным для некоторых компонентов биотоплива, о чем свидетельствует интенсивность пика при дейтерировании. В случае обычной нефти интенсивности смещенного и несмещённого пиков были одинаковы, что указывает на полное замещение водорода на дейтерий.

В анализе биотоплива интенсивность пика после замены оказалась в пять раз меньше. Это говорит о том, что под одним пиком скрыто несколько соединений, причем не во всех из них присутствует атом водорода для его последующей замены на дейтерий. Если вещество не подвергается ионизации, это означает, что оно уже существует как положительный ион. Эти вещества по свойствам схожи с некоторыми красителями, например, бриллиантовым зелёным (зеленкой).

Евгений Николаев, член-корреспондент РАН и профессор Сколтеха, а также научный руководитель Лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ подчеркнул: «Исследование продуктов гидротермального разложения микроводорослей с применением масс-спектрометрии имеет важное значение для оптимизации процесса производства биотоплива. В дальнейшем необходимо сосредоточиться на использовании сортов водорослей, содержащих максимальное количество липидов, и разработке таких сортов посредством генетической модификации. Это позволит нам отобрать наиболее подходящее сырье для получения биотоплива».