Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами предложили подход, позволяющий оптимизировать физико-химические свойства биодизельного топлива на основе масел и, в перспективе, создать экономически эффективную стратегию для производства биодизеля с заданными характеристиками без химических добавок.
Результаты исследования опубликованы в журнале Bioresource Technology Reports (Q1, IF: 5). Проект поддержан грантом Минобрнауки РФ (№ 075-15-2025-572).
По словам ученых, одно из основных препятствий для коммерческого применения биодизеля — это влияние состава жирных кислот исходного сырья на его физико-химические и эксплуатационные свойства, например, на низкотемпературность, окислительную стабильность, удельную теплоту сгорания и вязкость. Эти свойства напрямую определяются составом жирных кислот исходного сырья, поскольку их углеродный скелет остается неизменным в процессе переэтерификации (один из видов модификации масел и жиров, позволяющий путем преобразования триглицеридного состава влиять на изменения их физико-химических свойств — прим.).
Предварительное смешивание растительных масел перед переэтерификацией — один из наиболее перспективных и выгодных подходов к решению этой проблемы. Так как, по словам исследователей, сочетание сырья с взаимодополняющими профилями жирных кислот позволяет не только нивелировать индивидуальные ограничения, но и улучшить свойства. Однако, несмотря на доказанную эффективность, выбор масел в большинстве исследований зависит от доступности в конкретном регионе и стоимости, а не от оптимизации свойств.
«Часто используемые методы основаны на ограниченном наборе жирных кислот или игнорируют взаимодействие компонентов смеси, что снижает их точность для новых комбинаций сырья. Тогда как наше исследование посвящено разработке комплексной прогностической модели, специально адаптированной к распространенному в регионах умеренно-континентального климата сырью — рапсу, льну и сафлору. Такой подход позволяет превратить предварительное смешивание масле из простой логистической меры в точный инструмент для адаптации свойств биотоплива к стандартам к существующим стандартам EN 14214 без химических добавок»,
— говорит инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса Владлена Чоботова.
В качестве сырья ученые выбрали нерафинированные рапсовое, льняное и сафлоровое масла — из-за присущих им свойств, а также региональной доступности и более низкой, по сравнению с рафинированными аналогами, стоимостью. Так, свойства рапсового масла позволяют получать биодизель с высоким цетановым числом и окислительной способностью, льняного — снижать вязкость биодизеля, а сафлорового — получать топливо со свойствами, промежуточными между рапсовым и льняным. В качестве спиртового и щелочного катализаторов использовались метанол и гидроксид калия, соответственно.
Перед переэтерификацией масла смешивали в соответствии с экспериментальной матрицей, охватывающей бинарные (50/50, 30/70 мас.%) и тройные (25/25/50, 33/33/33 мас.%) составы. Такой подход, по словам исследователей, позволил получить более сбалансированный физико-химический профиль. Затем, используя экспериментальную установку, разработанную в Томском политехе, проводили переэтерификацию. Реакция проходила в течение 60 минут при непрерывном перемешивании со скоростью 800 оборотов в минуту при температуре при 55 ± 1 °C.
После завершения реакции ученые проанализировали состав и свойства метиловых эфиров жирных кислот полученных образцов смеси — кинематическую вязкость, цетановое число, удельную теплоту сгорания, низкотемпературность и другие. Всего физико-химические свойства были измерены для 14 различных составов, включая топлива из чистых масел, бинарных и тройных смесей. На основе полученных данных были разработаны восемь моделей линейной регрессии для количественной корреляции состава жирных кислот с ключевыми свойствами топлива, чья высокая точность прогнозирования подтверждена статистической проверкой.
«Установлено, что предварительное смешивание рапсового, льняного и сафлорового масел перед переэтерификацией приводит к почти линейному изменению массовых долей жирных кислот. Выход метиловых эфиров жирных кислот составлял от 96,8 % до 99,2 %, что полностью соответствует минимальным требованиям стандарта EN 14214. Также установлено, что минорные жирные кислоты оказывают статистически значимое влияние на кинематическую вязкость и низкотемпературные свойства. Многокритериальная оптимизация по восьми параметрам позволила определить оптимальное соотношение сырья: 90 мас.% рапса/5 мас.% льна/5 мас.% сафлора. Предложенный алгоритм может быть интегрирован в автоматизированные системы управления сырьем, что позволит динамически корректировать рецептуру в ответ на колебания рыночных цен и качества сырья»,
— поясняет ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Роман Федоренко.
Полученные результаты показали, что использование доступных в регионе масел снижает логистические затраты на 10 – 15 % по сравнению с импортным сырьем. При этом предложенную оптимизационную модель можно легко адаптировать к другим региональным комбинациям масел, что делает ее перспективной для локализованного и экономически эффективного производства биодизеля.
В исследовании принимали участие сотрудники Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и Института теплофизики им. Кутателадзе СО РАН.
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
