Новая технология позволяет извлечь 90% масла, содержащегося в отработанной кофейной гуще, и получить экологически чистое биодизельное топливо.

• В использованной кофейной гуще содержатся масла, которые могут служить сырьем для производства биодизельного топлива.

• В результате часовой обработки удалось извлечь большую часть доступного масла с гораздо меньшим количеством примесей, чем при использовании стандартного лабораторного метода.

• Оставшиеся растительные волокна в основном сохранились в целости, что позволило использовать их для производства других видов топлива и полезных химических веществ.

Кофейная гуща содержит больше энергии, чем можно предположить, судя по тому, как она попадает в мусор. Насыщенные маслами и растительными волокнами, эти отходы могут использоваться для производства биодизеля, оставляя при этом полезные материалы для других видов топлива и химических веществ.

Группа исследователей из Университета Ровира и Виргили провела эксперимент по быстрому удалению нефти без повреждения оставшейся биомассы. В результате были определены умеренные условия, позволяющие извлечь большую часть нефти с меньшим количеством примесей, чем при использовании стандартного лабораторного метода.

Отходы кофейной гущи образуются в огромных масштабах. Мировое производство кофейных зерен достигает около 10 миллионов тонн в год. Только около 10% кофейных ягод попадают в напиток, а остальное превращается в твердый остаток. Ежегодно образуется более 6 миллионов тонн отходов кофейной гущи.

Эти отходы содержат около 15% липидов, или жиров. В них также присутствуют целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, из которых можно производить другие продукты. Такое сочетание делает отходы привлекательными для биоперерабатывающего завода, где из одного сырья получают несколько видов продукции.

Поиск оптимального режима экстракции

Группа исследователей из Университета Рихтера (URV) изучила температуру, время экстракции и соотношение растворителя к сухому порошку. Исследователи использовали н-гексан, распространенный растворитель для экстракции жиров, в 27 комбинациях. Каждый тест был повторен, в результате чего было получено 54 наблюдения.

Сухая кофейная гуща была взята из университетской столовой и содержала обжаренные зерна арабики (Coffea arabica). Материал был высушен, просеян до частиц размером менее 500 микрометров и подготовлен для анализа.

«Мы обнаружили, что оптимальные условия достигаются при температуре 45°C в течение 60 минут и соотношении 35 миллилитров гексана на грамм сухого остатка», — пояснила Магдалена Константи, одна из авторов исследования.

В этих условиях периодический процесс позволил извлечь около 90% масла, полученного методом экстракции по Сокслету. Метод Сокслета послужил эталоном, поскольку он обеспечивает высокую и воспроизводимую урожайность. Однако он требует непрерывного рефлюкса растворителя, длительного времени обработки и высокого энергопотребления.

Оптимизированный метод позволил получить результат за один час. Экстракция по Сокслету заняла 24 часа и дала выход сырого масла, составивший 16,6% от сухого веса зерна.

Температура оказывала наиболее сильное влияние на выход продукта. Выход увеличивался по мере повышения температуры процесса от 25°C до 45°C. Более теплый растворитель становился менее вязким, а молекулы масла легче перемещались через пористый кофейный материал.

Однако температура, близкая к точке кипения гексана (68,7 °C), не улучшила результат. Выход продукта снизился, особенно во время 90-минутных циклов. Команда связала это снижение с растущим несоответствием между растворителем и основными кофейными маслами.

Увеличение температуры не означает увеличение количества масла.

Время следовало аналогичной закономерности. Восстановление улучшалось до 60 минут, затем стабилизировалось или немного замедлилось. Система, по-видимому, достигла равновесия в течение первого часа.

Соотношение растворителей также имело ограничения. Слишком мало гексана быстро приводило к насыщению. Слишком большое количество не обеспечивало соответствующего увеличения. Соотношение 35 миллилитров на грамм обеспечивало наилучший баланс.

Качество масла еще более четко выделило оптимизированный процесс по сравнению с эталонным. Только 0,3% экстракта состояло из примесей, которые не превратились в метиловые эфиры жирных кислот. Экстракт, полученный методом Сокслета, содержал 3,9%.

Основные жирные кислоты оставались стабильными в исследованных условиях. На долю линолевой кислоты приходилось около 44% профиля, а на пальмитиновую кислоту — около 35%. Олеиновая кислота составляла около 8%, а стеариновая кислота — около 7%.

Эта стабильность показала, что снижение выхода продукта при высоких температурах не было вызвано термическим повреждением основных жирных кислот. Более жесткие условия привели к умеренному увеличению количества неопознанного материала, достигающему 1,7%.

Состав жирных кислот также имеет значение для производства топлива. Эти соединения влияют на свойства биодизеля, такие как воспламеняемость, стойкость к окислению и поведение при низких температурах.

Твердый остаток сохраняет свою ценность.

Удаление масла не лишило почву оставшихся полезных свойств. Первоначальный сухой материал содержал 8,8% целлюлозы, 30,9% гемицеллюлозы и 17,9% лигнина. Содержание золы составляло 6,2%.

«В нашем исследовании мы также показали, что извлечение масла не означает, что остальная часть материала не может быть использована для чего-либо еще», — отметил Франсеск Медина, научный сотрудник кафедры химической инженерии, участвовавший в исследовании.

Оптимизированная обработка позволила сохранить целлюлозу и гемицеллюлозу. Кроме того, в твердом веществе концентрация лигнина превысила 20%, что выше, чем показатели, измеренные после более интенсивной обработки в аппарате Сокслета или ультразвуком.

Такая консервация имеет центральное значение для последовательной биопереработки. Жиры могут препятствовать проникновению растворителей и катализаторов к сахарам и лигнину внутри растительного материала. Удаление масла действует как предварительная обработка, не сильно изменяя структуру материала.

Обезжиренная мука может использоваться для производства биоэтанола, молочной кислоты и полигидроксиалканоатов. Ее лигниновая фракция также может служить источником сырья для производства экологически чистого авиационного топлива или фенольных соединений.

Более быстрые инструменты привели к дополнительным компромиссам.

Команда сравнила пакетный метод с экстракцией с помощью ультразвука и микроволнового излучения. Микроволны позволили извлечь 12,5% масла за пять минут и 14,7% за 20 минут. Ультразвуковая экстракция позволила достичь 12,5% за 15 минут и 14,3% за 30 минут.

Оба метода ускоряли начальные стадии. Затем их эффективность снижалась по мере перехода процесса от быстрого массопереноса к равновесию.

Ни один из методов не обеспечил достаточных преимуществ в чистоте масла, общей эффективности, энергопотреблении или масштабируемости. Оба также производили больше не содержащих масла материалов, чем оптимизированный периодический процесс. Авторы пришли к выводу, что дальнейшая интенсификация не оправдана, несмотря на сокращение времени экстракции.

Практические последствия исследования

Отходы кофейной гущи часто скапливаются на свалках, где в процессе разложения выделяется метан. Использование их в качестве сырья позволило бы извлечь выгоду из большого количества отходов.

Оптимизированный метод позволяет получить два полезных результата. Он производит более чистое масло, богатое жирными кислотами, пригодными для производства биодизеля, а затем оставляет сохраненную растительную матрицу для дальнейшей переработки.

Такой подход может помочь снизить затраты на сырье для топлива второго поколения, которое не зависит от съедобных культур. Он может быть актуален для тяжелого транспорта и авиации, где высокоэнергетические возобновляемые виды топлива по-прежнему играют важную роль.

Благодаря умеренному темпу процесса, эта работа обеспечивает будущим биоперерабатывающим заводам более четкий диапазон рабочих параметров. Результатом является не только эффективное извлечение масла, но и возможность использовать большее количество кофейной гущи, прежде чем что-либо будет выброшено.

Результаты исследования доступны в режиме онлайн в журнале Biomass and Bioenergy.

Оригинальная статья «Новый процесс извлекает 90% масла, содержащегося в отходах кофейной гущи, и позволяет производить экологически чистое биодизельное топливо» опубликована в издании The Brighter Side of News.

Похожие статьи

• Исследователи превратили кофейные отходы в оружие против болезни Альцгеймера.

• Ученые используют кофе и пластиковые отходы для разработки нового способа улавливания углерода.

• Употребление кофе связано с замедлением старения и улучшением здоровья.

Нравятся такие позитивные истории? Подпишитесь на рассылку The Brighter Side of News .