Растительные маслаПродукция отраслей промышленности, производящих растительные масла, парафин и смолы
влияние на географическое распределение, урожайность и стойкость культур многих видов, дающих маслоподобные вещества. В качестве примера можно привести такие достижения нашего столетия, как получение соевого, сурепного, талового масла и каучука. Процесс экстрагирования высококалорийных растительных компонентов относительно прост и находит широкое применение. ХимияМасла, парафины и смолы в растениях характеризуются почти таким же сложным химическим составом, как и состав сырой нефти. Типичные молекулы масляно-растворимой фракции биомассы показаны в таблице ниже. Алканы, изоалканы, нафтены и сложные эфиры характеризуются различной степенью не насыщенности и замещения в различных ядрах полициклического соединения. Сильно насыщенные высокомолекулярные соединения могут находится в твердом состоянии (например, парафины), в то время как полимеризованные углеводороды могут быть эластичными (например, природный каучук, или гуттаперча). Включение кислорода в углеводородный скелет ведёт к увеличению растворимости соединения в воде и появлению смолоподобных свойств (например, смолы). Наиболее полезными соединениями с точки зрения использования их как топлива являются, однако, смеси жидких углеводородов. В значительной мере эти соединения представлены триглицеридами со средней длиной цепи (C8-C20), а также насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами.Типичные соединения липидной фракции биомассы
Типы ростительных маселРесурсы сырой биомассы как сырья для производства растительного масла можно разделить на две широкие группы: Сельскохозяйственные культуры, например соя, подсолнечник, рапс, и древесные культуры, например масличная и кокосовая пальмы. Воздействие последних в основном ограничено жарким климатом и является трудоёмким, так как урожай убирают вручную, а выращивание и сбор семян масличных культур проводятся при высоком уровне механизации. Ниже в таблице суммировано годовое производство масла в результатеМировое производство растительных масел
воздействия древесных и сельскохозяйственных культур. В условиях умеренного климата наиболее важной культурой является соя, а в тропиках - пальма; в северных районах умеренной зоны рапс - часто единственная масличная культура, воздействие которой оказывается экономичным. Таловое масло, скипидар и канифоль получают в значительных размерах из мягкой древесины в процессе варки целлюлозы. Производство сконцентрировано в странах, перерабатывающих большое количество древесины, например США. Большую часть природного каучука получают из одного вида, выращиваемого в основном в Малайзии. Другие растения, использовавшиеся в прошлом, представлены различными видами диких каучуконосов, гваюлой серебристой и одуванчиками. Другими каучукоподобными веществами, распространенными в прошлом, были гуттаперча, балата и чикл. Эфирные масла и смолы получают из громадного разнообразия видов растений, многие из которых произростают в тропиках. Установлено около 3000 эфирных масел, из которых примерно 150 находят промышленное применение. Наиболее важные из них - хвойное, цитронелловое, лемонграссовое, лавандовое, цитрусовое и мятное. Однако в противоположность растительным маслам большинство эфирных масел и смол встречаются в растениях в концентрации всего нескольких процентов. По этой причине они дорогостоящи и добываются из-за своих уникальных свойств. Повсеместное распространение углеводородов и им подобных соединений в биомассе дало основание сторонникам биоэнергии заглянуть дальше, чем это позволяет современное состояние отраслей промышленности по производству жиров и масел. Так, латексы, получаемые из растений рода Euphorbia, являются основными продуктами "нефтяных плантаций". Жиры и масла, обнаруженные в микроорганизмах, по прогнозам, должны конкурировать с жирами и маслами высших растений. В частности углеводороды, содержащиеся в водорослях, были подвергнуты расщеплению с получением жидких видов топлива, а в будущем они могут быть использованы как заменители масла. Существует утверждение, что половина органического вещества, синтезируемого первичными производителями в морской среде, со временем превращаются в парафин. Эти возможные пути получения топлива находятся на самых ранних стадиях разработки и должны рассматриваться в плане современного производства масел и жиров. Технология экстрагирования. Для получения растительных масел исходные материалы подвергаются целому ряду предварительных процессов для удаления инородных веществ, раковин, зародышей с последующим размолом. Затем мука нагревается, и масло извлекается при низком или высоком давлении или путём экстрагирования с использованием трихлорэтилена или гексана. Жмых по возможности скармливают скоту, а при содержании ядовитых веществ в семенах он идет на удобрение. Полученное масло очищают путем нейтрализации, этиолирования, дезодорации и удаления составных частей с высокой точкой плавления; из масел также удаляют растительный клей путём фильтрации через соответствующие адсорбенты. Масла и смолы извлекали из хвойных деревьев путём подсочки или экстрагирования растворителем, однако сейчас этот метод утратил своё былое значение, так как эти вещества производятся теперь в больших количествах при периодической и непрерывной сульфатной варке древесины хвойных пород. Скипидар получают путем конденсирования паров при сухой перегонке древесной стружки и из талового масла путем механического сбора подкисленной жидкости при варке. Таловое масло содержит 40-60% смоляных кислот, 40-50% жирных кислот и 5-10% нейтральных веществ. Выход экстрагированных веществ составляет до 25% от массы древесины. Выход талового масла при сульфатной варке составляет 10-10 кг на 1 т пульпы, при этом при варке сосновой древесины выход выше. Ель и твёрдые породы дают даёт небольшой выход талового масла. Эфирные масла экстрагируют путём перегонки с водяным паром под давлением в контакте с абсорбентом, а также способом экстрагирования с растворителем и прессованием. Иногда для разложения биомассы и высвобождения ммасел применяют процесс брожения. Для получения масла широка используют перегонные кубы, особенно в странах третьего мира. Смолы собирают большей частью с поврежденных участков поверхности растений. Приготовлению лакои и медицинских препаратов предшествует ряд обогатительных процессов. Мука получаемая при производстве растительного масла, является важным побочным продуктом, ценность которой, например у сои, составляет 60% ценности самой сои. Кукурузное масло является второстепенным продуктом процесса переработки кукурузы. Таким образом, производство масла можно рассматривать как неотъемную часть процесса фракционирования культур. Растительные масла как топливо. Масла, обычно предлагаемые для использования в качестве топлива, являются относительно дешевыми продуктами, полученными из семян таких масличных культур, как соя, подсолнечник и рапс, а также некоторых древесных культур. Благодаря высокой теплотворной способности они могут использоваться в отопительных системах и в двигателях внутреннего сгорания, главным образом в дизельных. При удалении растительного клея и влаги они могут использоваться непосредственно без модификации двигателей. Удаление воды является важным, так как растительные масла представляют собой главным образом сложные эфиры, относительно легко гидролизующиеся с образованием глицерола и жирных кислот. Последние при повышенных температурах очень агрессивны по отношению к металлам. Растительные масла были использованы в прототипе двигателя, разработанного Рудольфом Дизелем, и с тех пор периодически предлагаются для использования в качестве дизельного топлива. Это отчасти объясняется крайней неустойчивостью цен на натуральные масла, которые за один сезон могут удвоиться или снизиться вдвое. Перепроизводство - обычное явление, и, весьма вероятно, оно снова будет иметь место через несколько десятилетий. Ниже в таблице представлены свойства рапсового масла и дизельного топлива. Главной проблемой, связанной с натуральными маслами и не указываемой в обычных технических условиях на топливо, является их термическая нестабильность. Свойства рапсового масла и дизельного топлива
Многие краткосрочные опыты по использованию растительных масел в качестве топлива дали приемлемые результаты. Кривые "мощность/скорость", полученные на основании динамометрических испытаний, были аналогичными для рапсового масла и дизельного топлива, а также для их смеси 50:50. Однако в камере сгорания происходит быстрое накопление осадка, забивание форсунок, закоксовывание поршневых колец и застудневание смазочного масла. В результате ухудшаются рабочие характеристики двигателя, и падает его мощность. Другая проблема связана с высокой вязкостью растительного масла (например, рапсового), в результате чего снижается степень распыла масла и при низких температурах забиваются фильтры. Возможно, потребуется предварительное нагревание топлива. Может оказаться затруднительным пуск двигателя на растительном масле, и для этой цели рекомендуется использовать дизельное топливо. Эмиссия двигателя выше при использовании растительного масла, чем дизельного топлива. Относительная ненасыщенность растительных масел
Термическая стабильность растительных масел обычно связана со степенью их ненасыщенности, выражаемой количественно иодным числом (таблица выше). Относительно насыщенные масла, такие, как кокосовое масло, имеют лучшие рабочие характеристики, чем ненасыщенные, например подсолнечное масло; однако насыщенные масла более вязки и имеют более высокую точку плавления, чем ненасыщенные. Одним из возможных решений проблемы, является частичная гидрогенизация последних. Другим решением может быть химическое превращение масел в этиловые и метиловые эфиры составляющих жирных кислот, использование которых более предпочтительно, чем использование триглицеридов. Хотя полученные соединения имеют более низкую молекулярную массу и более стабильны, чем исходные масла, этот процесс заметно повысит стоимость топлива. |