Ученые нашли способ улучшить биотопливо из ядовитого ореха

Способ улучшения производства биодизеля из семян ядовитого тропического кустарника разработали российские ученые из ДГТУ и ФНАЦ ВИМ в составе научной группы. По их словам, разработанный с помощью обучения глубокой нейронной сети способ переработки барбадосского ореха (Jatropha curcas) позволит уменьшить трудозатраты и повысить качество получаемого биотоплива. Результаты опубликованы в Sustainability.

Биодизель – это метиловый эфир с длинноцепочечными жирными кислотами, получаемый из растительного масла и животных жиров. Специалисты отметили, что по сравнению с дизельным топливом на нефтяной основе он имеет несколько преимуществ. Использование такого топлива приводит к снижению выбросов выхлопных газов, твердых частиц, несгоревших углеводородов. Биодизель имеет улучшенную способность к биологическому разложению, нетоксичен. Его можно использовать в любом дизельном двигателе в чистом виде или смесях.

По словам специалистов, основными проблемами при производстве биодизеля являются высокая вязкость, плохая летучесть и полиненасыщенность (наличие углеводородной цепи с двумя или более углерод-углеродными двойными связями). Чтобы их решить, ученые применяют различные химические процессы, одним из которых является переэтерификация.

Это безопасный метод изменения физических и химических свойств сложных эфиров (жиров, масел) за счет обмена кислотными остатками между жирами. Широко используется производителями специализированных жиров в Европе и на территории бывшего СССР.

Ученые Донского государственного технического университета (ДГТУ) и Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (ФНАЦ ВИМ) в составе международной научной группы использовали глубокое машинное обучение для оптимизации параметров процесса переэтерификации растительных масел, получаемых из семян барбадосского ореха, и прогнозирования характеристик производимого биодизельного топлива. По их словам, это позволит повысить качество получаемого топлива, точность прогнозирования его объема и уменьшить трудозатраты процесса производства.«

"В результате проделанной работы были классифицированы наиболее важные параметры процесса переэтерификации с точки зрения их максимального влияния на свойства биодизельного топлива", – рассказал заведующий научно-исследовательской лабораторией "Интеллектуальные электрические комплексы сельскохозяйственных машин" ДГТУ, старший научный сотрудник лаборатории электроснабжения и теплоснабжения ФНАЦ ВИМ Вадим Большев.

Процесс оценки качества работы нейронной сети по прогнозированию характеристик производимого биодизельного топлива

Он добавил, что была определена положительная корреляция между температурой и продолжительностью процесса и отрицательная корреляция между содержанием метанола и концентрацией катализатора.

«Максимально возможный выход сложного эфира (97%) был достигнут при использовании температуры реакции в 60°C и концентрации катализатора гидроксида калия в 1% по весу. Кроме того, было определено, что концентрация метанола в соотношении 6:1 позволяет получить максимальный объем биодизеля», – отметил Большев.

Исследователи отметили, что сравнение метрик качества полученной модели с другими моделями машинного обучения показали превосходство предложенной ими разработки. По словам ученых, точность прогнозирования объема и вязкости получаемого биотоплива удалось повысить на 10% и 8%, соответственно.

По словам ученых, проведенное исследование является особо актуальным для развивающихся стран Африки и Южной Америки, где барбадосский орех растет как сорное растение. Его стали выращивать в промышленных масштабах в Индии и Китае после того, как специалисты указали на это растение как на один из лучших кандидатов для будущего производства биодизеля.

Исследование проводилось учеными Донского государственного технического университета, Федерального научного агроинженерного центра ВИМ, Российского университета транспорта и Университета нефти и энергетики города Дехрадун (Индия).

В планах международного научного коллектива продолжить работу по повышению качества прогнозирования разработанной модели глубокого обучения за счет большего количества обучаемых данных, а также обучение модели на другом виде сырья. Кроме того, есть необходимость проведения технико-экономической оценки, оценки жизненного цикла, энергетической и эксергетической оценки (метод оценки тепловой эффективности. – Прим. ред.) применения модели при производстве биодизельного топлива.

ДГТУ – участник программы государственной поддержки университетов РФ «Приоритет-2030».