Масла, парафин, смолы и другие растворимые в растворителях сое­динения встречаются во всех растениях. Маслянистые соединения могут составлять до 40—50% биомассы, и они относительно легко экстраги­руются. Эти соединения — сырье для многих отраслей мировой промыш­ленности (табл. 31). Они используются человеком в пищу, в качестве корма для животных, пищевых добавок, душистых веществ, а также как сырье для производства широкого ассортимента товаров. Однако объем этой продукции и ее энергоемкость малы по сравнению с продук­цией минеральных масел. Растениеводческая наука оказала значительное

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, таллового масла и каучука. Процесс экстра­гирования высококалорийных растительных компонентов относительно прост и находит широкое применение.

Химия. Масла, 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 32. Алканы, изоалканы, нафтены и сложные эфиры характеризуются различной степенью ненасыщенности и замещения в раз­личных ядрах полициклического соединения. Сильно насыщенные высо­комолекулярные соединения могут находиться в твердом состоянии (например, парафины), в то время как полимеризованные углеводоро­ды могут быть эластичными (например, природный каучук, или гутта­перча) . Включение кислорода в углеводородный скелет ведет 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 (С8 — С2о), а также насы­щенными и ненасыщенными жирными кислотами.

Таблица 32. Типичные соединения липидной фракции биомассы

Присутствующие химические типы

Растительные масла Триглицериды

Парафины Алканы и жирные сложные эфиры

Природный каучук Полиизопрен

Талловое масло Альфа-пинен, абиетиновая кислота,

Олеиновая кислота Эфирные масла Гераниол, L-ментол и т. д.

Смолы Неизвестен, по-видимому, аналоги­

Чен .абиетиновой кислоте

Типы масел. Ресурсы 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. Возделывание последних в основном ограничено жарким климатом и является трудо­емким, так как урожай убирают вручную, а выращивание и сбор семян масличных культур проводятся при высоком уровне механизации. В таблице 33 суммировано годовое производство масла в результате

Возделывания 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, возделывание которой оказывается экономичным.

Талловое масло, скипидар и канифоль получают в значительных размерах из мягкой древесины в процессе варки целлюлозы. Производ­ство сконцентрировано в странах, перерабатывающих большие количе­ства древесины, например США.

Большую часть природного каучука получают из одного вида (Hevea brasiliensis), выращиваемого в основном в Малайзии. Другие растения, использовавшиеся в прошлом, представлены различными видами диких каучуконосов, гваюлой серебристой и одуванчиками. Другими каучуко- подобными веществами, распространенными в прошлом, были гутта­перча, балата и чикл.

Эфирные масла и смолы получают из громадного разнообразия ви­дов растений, многие из которых произрастают в тропиках. Установлено около 3000 видов эфирных масел, из которых примерно 150 находят промышленное применение. Наиболее важные из них — хвойное, цитро - нелловое, лемонграссовое, лавандовое, цитрусовое и мятное. Однако в противоположность растительным маслам большинство эфирных ма­сел и смол встречаются в растениях в концентрациях всего до 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" [25]. Жиры и масла, обнаруженные в микроорганизмах, по прогнозам, должны конкурировать с жирами и маслами высших расте­ний [26]. В частности, углеводороды, содержащиеся в водорослях Botryococcus braunii, были подвергнуты расщеплению с получением жидких видов топлива, а в будущем они могут быть использованы как заменители масла [27]. Существует утверждение, что половина органи­ческого вещества, синтезируемого первичными производителями в мор­ской среде, со временем превращается в парафин [28]. 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 и (или) путем экстрагирования с исполь­зованием трихлорэтилена или гексана. Жмых по возможности скармли­вают скоту, а при содержании ядовитых веществ в семенах (клещевина, тунг) он идет на удобрение. Полученное масло очищают путем нейтра­лизации, этиолирования, дезодорации и удаления составных частей с высокой точкой плавления; из масла также удаляют растительный клей путем фильтрации через соответствующие адсорбенты.

Масла и смолы извлекали из хвойных деревьев путем подсочки или экстрагирования растворителем, однако сейчас этот метод утратил свое 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 таллового масла путем механического сбора подкисленной жидкости при варке. Талло - вое масло содержит 40—60% смоляных кислот, 40—50% жирных кис­лот и 5 — 10% нейтральных веществ. Выход экстрактивных веществ со­ставляет до 25 % от массы древесины. Выход таллового масла при суль­фатной варке составляет 10—100 кг на 1 т пульпы, при этом при варке сосновой древесины выход выше. Ель и твердые породы дают неболь­шой выход таллового масла.

Эфирные масла экстрагируют путем перегонки с водяным паром под давлением в контакте с абсорбентом, а также способом экстрагиро­вания с растворителем и прессованием. Иногда для разложения биомас­сы и высвобождения масел применяют процесс брожения. Для получе­ния масел широко используют перегонные кубы, особенно в странах третьего мира. Смолы собирают большей частью с поврежденных участ­ков поверхности растений. Приготовлению лаков 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 просто как неотъемлемую 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 гидролизующие - ся 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 [29]. Это отчасти объяс­няется крайней неустойчивостью цен на натуральные масла, которые за один сезон могут удвоиться или снизиться вдвое [30]. Перепроизвод­ство — обычное явление, и, весьма вероятно, оно снова будет иметь место через несколько десятилетий [31].

В таблице 34 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. Многие' краткосрочные опыты по ис­пользованию растительных масел в качестве топлива дали приемлемые результаты [32, 33]. 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 зтой цели рекомендуется использовать дизельное топливо. Эмиссия двигателя выше при использовании растительного масла, чем дизельного топлива [34].

Таблица 35. Относительная ненасыщенность растительных масел

Растительное масло

Кокосовое 14-24

Пальмовое 48-58

Рапсовое 94-106

Кукурузное 116-130

Подсолнечное 122 -136

Соевое 124 -136

Термическая стабильность растительных масел обычно связана со степенью их ненасыщенности, выражаемой количественно йодным числом (табл. 35). 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 триглице - ридов. Хотя полученные соединения имеют более низкую молекулярную массу и более стабильны, чем исходные масла, этот процесс заметно повысит стоимость топлива.