Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0034

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0034
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Название доклада
Разработка технологии получения биодизеля ферментативным методом с использованием в качестве биокатализатора экзоферментов на поверхности клеток дрожжей
Докладчик
Готовцев Павел Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание основ технологии получения биодизельного топлива ферментативным методом с использованием в качестве биокатализатора экзоферментов на поверхности клеток дрожжей.
Актуальность и новизна исследования
Производство моторных биотоплив сегодня является многомиллиардным растущим рынком во всем мире. Основным сдерживающим фактором для этого рынка является низкая цена на ископаемую нефть, что требует от компаний производителей биотоплива принимать меры по снижению его себестоимости. Особенно это важно в для биодизельного топлива, которое на сегодняшний день занимает все больший сегмент рынка. Наибольший интерес среди потенциальных катализаторов для получения биоддизельного топлива сегодня вызывает фермент – липаза. Преимуществами ферментного катализа являются, низкая температура процесса и высокий выход продуктов реакции. Однако выделение очищенных ферментов из реакционной смеси затруднительно, в связи с чем, в настоящее время ведутся работы по закреплению ферментов на различных носителях. Использование клеток с экзоферментами на клеточной стенке отличается рядом преимуществ: отсутствует необходимость в выделении и очистке фермента для дальнейшего закрепления, большей ферментной активностью, большей устойчивостью по отношению к спиртам. Таким образом, вариант с использованием клеточных катализаторов – клеток с экзоферментами на клеточной стенке представляется наиболее интересным для создания технологии производство биодизеля с более низкой себестоимостью по сравнению с существующими.
Новизна данной работы заключается в следующем:
1. В качестве катализатора для получения биодизеля будут использованы клетки с экзоферментами на клеточной стенке.
2. Впервые планируется выбор типа реактора и основных технологических параметров для процесса получения биодизеля с использованием в качестве катализатора клеток с экзоферментами на клеточной стенке.

Описание исследования

В ходе выполнения ПНИ были проведены следующие исследования:

1. Выполнен аналитический обзор научной литературы и патентов и были определены основные направления исследований.

2. Был проведен анализ ресурсной базы для производства биодизельного топлива на территории Российской Федерации, на основе которого на последнем этапе ПНИ были проведены исследования и разработаны рекомендации по выводу результатов ПНИ на рынок.

3. Был разработан метод иммобилизации клеток рекомбинантного штамма дрожжей на полимерном носителе. Сам процесс иммобилизации не требует токсичных реагентов и не образует опасных отходов. Все дополнительные реактивы используются многократно. Также был разработан метод изучения распределения биомассы дрожжей по поверхности гранулы носителя с использованием рентгеновской томографии. Данный метод позволяет визуализировать распределение биомассы и оценить как эффективность закрепления биомассы, так и 

4. Далее была разработана математическая модель процесса получения биодизельного топлива методом ферментного катализа для трех различных типов биореакторов - проточного с плотноупакованным слоем загрузки, с "кипящим" слоем и с плотноупакованным слоем загрузки. Для всех трех биореакторов была проведена симуляция с использованием различных видов масел и спиртов.

5. Был создан лабораторный стенд, который так же имитировал три типа биореакторов  проточного с плотноупакованным слоем загрузки, с "кипящим" слоем и с плотноупакованным слоем загрузки. Проведенные исследования на лабораторном стенде показали высокую сходимость с результатами теоретических исследований с использованием математической модели. Также во всех трех биореакторах был достигнут выход биодизельного топлива свыше 90% в течении 48 часов, однако биореактор с плотноупакованным слоем загрузки отличался большей эффективностью и меньшими энергозатратами, в связи с чем он был выбран в качестве основы для разработки экспериментального образца.

6. В ходе проведения исследований на лабораторном стенде был разработан ряд методик. В частности была разработана методика расчета топливных показателей биодизеля по результатам газохроматографического анализа продуктов реакции переэтерификации. Это существенно упростило процесс проведения исследований как на лабораторном стенде так и далее при исследованиях на экспериментальном образце биореактора. Кроме того был разработан метод ГХ анализов продуктов реакции переэтерификации с определением выхода биодизельного топлива по содержанию глицерина. Так же была доработана методика определения ферментной активности спектрофотометрическим методом для определения ее на гранулах биомассы.

7. Был создан экспериментальный образец биореактора. Были проведены исследования и определены режимы работы экспериментального образца. Так же экспериментальный образец испытывался для различных видов масел, включая подсолнечное и соевые масла, а так же липиды микроводорослей. Кроме того проводились испытания как с метанолом так и с этанолом. По результатам испытаний было установлено, что экспериментальный образец биореактора позволяет обеспечивать выход биодизельного топлива не менее 90% в течении 48 часов. 

8. В завершении ПНИ был проведен экономический анализ полученных результатов и даны рекомендации по их выводу на рынок. 

9. По завершению ПНИ планируется дальнейшая демонстрация его результатов с целью выведения их в коммерческий оборот включая публичную демонстрацию результатов работы в статьях в специализированных журналах, на выставках, конференциях и т.д., продажа и иное введение в гражданский оборот объектов патентного права, полученных в результате выполнения ПНИ.

Результаты исследования

В результате ПНИ была разработанна математическая модель процесса получения биодизельного топлива, которая позволяет проводить имитацию процесса получения биодизельного топлива для трех типов биореакторов и для различных видов спиртов и масел;

Лабораторный стенд для изучения процесса получения биодизельного топлива методом ферментного катализа который позволяет:

- проводить экспериментальные исследования процесса получения биодизельного топлива методом ферментного катализа;

- обеспечивать возможность поддержания температуры масел в диапазоне от 20 до 50С.

- обеспечивать возможность подачи спирта для обеспечения молярного соотношения спирта и масла в диапазоне от 1 к 1 до 9 к 1,  а так же возможность дозирования как метанола так и этанола для проведения реакции переэтерификации.

 Полученное биодизельное топливо соответствует основным промышленным стандартам и в том числе, следующим требованиям:

- температура вспышки, не менее 151 С;

- температура застывания, не более  минус 5 С;

- цетановое число, не менее 52.

- содержание эфиров жирных кислот не менее 80%.

Был разработан экспериментальный образец биореактора для проведения реакции переэтерификации который позволяет:

- проводить процесс получения биодизельного топлива не должен приводить к потреблению кислоты или щелочи, как в случае действующих производств.

- обеспечить возможность подачи спирта для обеспечения молярного соотношения спирта и масла в диапазоне от 1 к 1 до 9 к 1.

- обеспечить возможность дозирования как метанола так и этанола;

- обеспечить выход биодизельного топлива не менее 90%;

- обеспечить возможность использование различных типов масел (соевого, подсолнечного).

Следует отметить, что данное ПНИ является одной из первых работ по созданию промышленной технологии основанной на использовании клеток рекомбинантнах штаммов микроорганизмов с ферментами на клеточной стенке. Использование такого подхода позволяет исключить стадию выделения фермента и по сути позволяет существенно удешевить сам биокатализатор. Кроме того важным преимуществом данной работы является то, что используемый штамм дрожжей способен рости на глицерине, отходе от производства биодизельного топлива. Кроме того, предложенный метод иммобилизации дешев, экологически безопасен и не требует специальных условий для проведения всех стадий. Такие решения позволяют организовывать локальные низкотоннажные производства биодизельного топлива, например в аграрных хозяйствах или в удаленных поселениях. 

Практическая значимость исследования
Наиболее интересными результаты ПНИ являются для топливно-энергетического комплекса. Полученный в результате ПНИ метод получения биодизеля с использованием клеточного катализатора в дальнейшем может быть доведен до технологии. Данная технология может найти широкое применение среди топливно-энергетических компаний, производящих моторные топлива. За счет того, что клеточный катализатор не расходуется при проведении процесса, ожидается, что себестоимость биодизеля, полученного таким методом будет ниже по сравнению с традиционными технологиями. Более низкая себестоимость позволит данному виду топлива более широко продаваться на рынке и тем самым стимулировать интерес к развитию технологий производства моторных биотоплив. Таким образом, в результатах проводимых исследований могут быть заинтересованы топливные компании.
Кроме того, предложенная технология обладает возможностью масштабирования в низкотоннажные производства, что позволяет найти ей применение, например в агропромышленном комплексе для локального производства биодизельного топлива из масляничных культур. Так же это позволяет реализовывать производство биодизеля в удаленных поселениях из масляных отходов или липидов, получаемых из биомассы микроводорослей.
Следует отметить, что результаты проведенных исследований могут найти применение не только для производства биодизельного топлива, но и для других биотехнологических производств, в которых применяются или будут применяться рекомбинантные штаммы микроорганизмов с ферментами на клеточной стенке.