Нечто на страже экологии

Водоросли Spirulina platensis - основа нового уникального биотоплива

Искусственно получаемое биотопливо совсем не похоже на нефть!

Алексей Щербаков

21 июня, 2017 22:00

6 мин

Ученые определили состав биотоплива из микроводорослей Spirulina platensis с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения. Были изучены обе его фракции, получаемые «на выходе» после того, как водоросли обработали специальным методом. Полученный результат изумил ученых: оказалось, биотопливо по составу имеет мало общего с нефтью! Исследование опубликовано в журнале European Journal of Mass Spectrometry.

Спасители экологии

Мы называем биотопливо «альтернативным источником энергии» - ведь оно помогает решить проблемы истощения запасов нефти и глобального потепления. К тому же, в отличие от нефти, биотопливо производится из возобновляемых природных ресурсов, а при его сжигании выделяется меньше парниковых газов. Бразилия, к примеру, уже обеспечивает биотопливом 40% своих энергетических потребностей. Однако сырьем для биотоплива служат сельскохозяйственные культуры, и для их выращивания приходится занимать плодородные земли, которые могли бы «кормить» людей. Поэтому недавно более перспективным сырьем для биотоплива стали считать морские микроводоросли. Они не требуют ни земли, ни чистой воды, и активно поглощают углекислый газ - а значит, их использование в биоэнергетике может уменьшить глобальный парниковый эффект. Топливо из микроводорослей теперь называют биотопливом третьего поколения!

Искусственные недра

Если мы узнаем точный состав биотоплива, то сможем совершенствовать процесс его производства. Первые технологии получения горючего из водорослевой массы были энергетически невыгодны, так как много энергии тратилось на высушивание водорослей, в которых содержится много воды. Для коммерческого применения нужен был новый, более эффективный метод. И такой метод нашли – так называемое гидротермальное сжижение: мокрую биомассу нагревают до температуры свыше 300℃, сжимают давлением в 200 атмосфер и получают биотопливо. Примерно тот же принцип действует в природе, когда под воздействием высоких температур и давления в недрах Земли образуется нефть, только в реакторе это происходит быстрее.

Просто МС

Масс-спектрометрия (МС) – метод исследования, с помощью которого можно определить состав вещества. Метод основан на том, что в электрическом и/или магнитном поле разные соединения ведут себя по-разному в зависимости от соотношения их массы и заряда (m/z). В итоге получается масс-спектр – график с пиками интенсивности, где каждому пику соответствует свое значение m/z.

Ученые исследовали с помощью масс-спектрометрии биотопливо, полученное из водорослей Spirulina platensis. В процессе гидротермального сжижения все вещества с температурой кипения ниже 300 градусов выходят из реактора в виде газа и охлаждаются в специальной емкости. Таким образом, получается жидкая фракция, а в реакторе остается фракция твердая. Масс-спектрометрический анализ показал, что обе фракции содержат больше всего веществ, у которых в составе есть N и N2, но компоненты твердой более разнообразны и по свойствам отличаются от компонентов жидкой. Причем, найденные в биотопливе вещества не имеют ничего общего с веществами, содержащимися в сырой нефти, хотя тоже горючие. Масс-спектрометрия позволяет узнать только молекулярные формулы веществ (например, C18H35N2). Чтобы получить какую-то информацию о структуре молекул, исследователи применили метод замены водорода на дейтерий.

Обманная замена

Когда водород заменяется на дейтерий, масса иона* становится больше и пик в спектре смещается. По тому, сместился пик или нет, ученые определяют, в каком месте в молекуле стоял водород. Однако не любой водород отдаст свое место дейтерию – точнее, не любое место водород сможет освободить.

*Перед тем, как запустить молекулы в масс-анализатор, их нужно зарядить, иначе электромагнитное поле на них не подействует. У обычных молекул заряд z=0, в них число протонов равно числу электронов. А если, например, к молекуле присоединить протон (частица с зарядом +1), то она станет ионом с зарядом z=1. Процесс превращения молекул в ионы называется ионизацией.

Перед запуском в масс-анализатор молекулы образца подвергают ионизации. В данном случае к нейтральным соединениям добавлялись протоны, и они превращались в положительные ионы. Присоединенный протон легко заменяется на дейтон, но оказалось, что в некоторых компонентах биотоплива замены не происходит. Ученые это поняли по интенсивности смещенного пика, который получается при замене. У обычной нефти смещенный пик имел такую же интенсивность, как несмещенный, а значит, замена произошла полностью. А в случае с биотопливом интенсивность смещенного пика была в пять раз меньше. Это значит, что под одним пиком кроется несколько соединений и не во всех из них есть присоединенный водород, вместо которого мог бы встать дейтерий. Если вещества не поддаются ионизации - значит, они уже являются положительными ионами, и в таком виде содержатся в биотопливе. Причем оказалось, что вещества эти похожи на некоторые красители - как, например, бриллиантовый зеленый, который входит в состав обыкновенной аптечной «зеленки».

Евгений Николаев, член-корреспондент РАН, профессор «Сколтеха», научный руководитель Лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ комментирует это открытие: «Исследование продуктов гидротермального сжижения микроводорослей с помощью масс-спектрометрии имеет важное значение для повышения эффективности производства биотоплива. Дальнейшая работа должна быть сконцентрирована на использовании сортов водорослей с максимально высоким содержанием липидов и создании таких сортов с использованием генетической модификации. Так мы сможем выбрать из них самое эффективное сырье для биотоплива».

В представленной работе принимали участие научные коллективы «Сколтеха», Института энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе РАН, Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Объединенного института высоких температур РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и МФТИ.