美国加利福尼亚大学戴维斯分校的Mark Mascal和Edward Nikitin等人于2010年2月17日提出一种新方法,利用碳水化合物与油类植物(如大豆、向日葵、麻疯树、亚麻荠、红花和油菜)中的脂类进行共加工,生产混合油脂/纤维素生物柴油,其产品产率高于传统的酯交换法。该研究成果已发表于美国化学学会期刊《能源与燃料》(Energy & Fuels)。
研究人员此前已开发出一种二相酸/溶剂工艺,可将生物质原料中的碳水化合物转化为生物燃料前体——5-(氯甲基)糠醛(CMF)。在新工作中,他们通过应用油籽原料的加工方法,显著增加了从这类生物质生产燃料的产量。目前,生物柴油主要通过对植物基油类进行酯交换反应生产。然而,油籽中除了油脂外,还含有大量碳水化合物,包括淀粉、纤维素、半纤维素和游离糖等。
研究团队指出,任何形式的己糖(单糖、双糖或多糖)均可转化为CMF和乙酰丙酸,总产率高达95%。其中,主要产物为CMF,占分离有机材料的70%至90%,而乙酰丙酸占比小于10%。在实验中,研究人员将大豆、向日葵、麻疯树、亚麻荠、红花和油菜原料加入含有水合盐酸和1,2-二氯乙烷的二相反应器中,在80°C下加热3小时。在此温度下,甘油三酯结构保持完整;若温度升至100°C,则会产生少量副产物,且不利于碳水化合物向CMF的转化。
研究测定了每种原料中碳水化合物转化为CMF的产量,结果如下表所示:
| 原料 | 脂类(g/kg) | CMF(g/kg) | 总有机抽出物(g/kg) | CMF占比(%) |
|---|---|---|---|---|
| 大豆 | 257.0 | 67.9 | 324.9 | 20.9% |
| 向日葵 | 358.7 | 110.2 | 470.7 | 23.5% |
| 麻疯树 | 392.1 | 78.6 | 470.7 | 16.7% |
| 亚麻荠 | 374.5 | 102.5 | 477.0 | 21.5% |
| 红花 | 371.3 | 113.0 | 484.3 | 23.3% |
| 油菜 | 448.3 | 120.0 | 568.3 | 21.2% |
籽油与CMF的混合物可通过乙醇分解反应生成乙基乙酰丙酸酯和生物柴油乙酯。若将混合物在水中加热,CMF可水解为乙酰丙酸,而油脂则保留下来。乙酰丙酸酯类为短链含氧化合物,可与生物柴油混合,改善其低温流动性。该方法表明,通过整合脂类和纤维素基生物质转化技术,有望变革生物柴油生产工艺,从而显著提高从油类植物生产燃料的总产率。