Loài thực vật hydrocarbon trong sa mạc và bán hoang mạc

Bài viết này đưa ra ánh sáng về bốn loại thực vật hydrocarbon trong sa mạc và bán hoang mạc. Các loại là: (1) Parthenium Argentatum (2) Euphorbia (3) Tảo và (4) Pedilanthus Macrocarpus.

Khảo sát thực vật hydrocarbon :

Nhiều loài thực vật sản xuất hydrocarbon có thể được sử dụng làm nhiên liệu và hóa chất, nhưng một câu trích dẫn nổi tiếng của Martin (1944) cần được lưu ý: Nhiều cây có chứa cao su hơn thường được nhận ra, nhưng ít có đủ để chiết xuất đáng giá. Được biết đến nhiều nhất là cao su tự nhiên từ cây cao su Hevea. Các hydrocacbon như vậy giảm hơn về mặt hóa học so với carbohydrate, tức là chúng chứa ít oxy hơn mỗi carbon và do đó có thể được sử dụng trực tiếp hơn.

Cao su tự nhiên cũng có thể được sản xuất từ ​​cây bụi sa mạc Parthenium argentatum (guayule) và số lượng lớn đã được sản xuất trong quá khứ ở Mexico.

Đồng thời, có những nỗ lực để lựa chọn và thiết lập các đồn điền thử nghiệm sản xuất hydrocarbon có trọng lượng phân tử thấp hơn cao su. Ý tưởng thứ ba là chiết xuất chất lỏng từ những nhà máy như vậy sẽ có đặc tính rất gần với dầu mỏ. Các phương pháp chiết dung môi khác nhau đã được sử dụng để phân tích và loại bỏ 'hydrocarbon', 'nhựa', 'polyphenol', dầu thô sinh học 'khỏi thực vật và các bộ phận của cây.

Công việc được biết đến nhiều nhất là Calvin ở California sử dụng các loài Euphorbia với mục đích sản xuất tương đương khoảng 20 thùng dầu 'mỗi ha mỗi năm trong môi trường nửa sa mạc. Ngoài ra, cây đã được xác định ở Brazil (Cobafeira sp. Và Croton sp.) Sản xuất 'dầu' có thể được sử dụng trực tiếp hoặc yêu cầu một số xử lý trước khi được sử dụng trong động cơ.

Các nghiên cứu có hệ thống về các loài thực vật có hàm lượng hydrocarbon cao đã được thực hiện một cách rời rạc trong quá khứ Những nỗ lực như vậy đã được thực hiện đối với các nhà máy sản xuất mủ vì mủ là một nhũ tương sữa khoảng 30% hydrocarbon và phần còn lại là nước. Cao su tự nhiên là sản phẩm cao su được biết đến nhiều nhất nhưng nhiều loài thực vật, ví dụ Euphoibiaceae, sản xuất hydrocarbon ('dầu') trong mủ của chúng với trọng lượng phân tử thấp hơn nhiều so với cao su.

Calvin là người tiên phong và lý luận rằng thực vật sản xuất hydrocarbon giống như vật liệu. Ông cho rằng các thành viên của gia đình Euphorbiaceae và chi Euphorbia hầu như mọi loài đều là một nhà máy sản xuất mủ. Những loài này chứa hydrocarbon có trọng lượng phân tử thấp hơn nhiều so với cao su của Hevea (thành viên của Euphorbiaceae, mọc ở vùng khí hậu nhiệt đới). Calvin sau đó (1979) đã kết luận rằng loại thăm dò này tạo ra hai cách tiếp cận thực tế đối với các nguồn tài nguyên tái tạo.

Sử dụng hydrocarbon vì nó có nguồn gốc từ thực vật như một loại dầu thô, tinh chế nó, loại bỏ các sterol có trong đó, bẻ khóa các hợp chất còn lại thành ethylene, propylene, vv và sau đó tái cấu trúc các hóa chất khác từ các sản phẩm đó; Cách tiếp cận này có thể được phát triển ngay lập tức.

Tìm hiểu cách kiểm soát trọng lượng phân tử và thao tác với nhà máy để chế tạo vật liệu có trọng lượng phân tử mong muốn, một cách tiếp cận sẽ dài hơn và phức tạp hơn khi sử dụng nhà máy làm phương tiện thu gom và xây dựng. Tại Arizona (Mc Smilelin & Hoffman 1982) và Úc (Stewart etal 1982) đã thực hiện các nghiên cứu sâu rộng cho dầu thô sinh học '(chiết xuất kết hợp từ các nhà máy sản xuất cyclohexane và ethanol).

Ở Arizona, một trăm chín mươi lăm loài thực vật có nguồn gốc ở miền tây nam Hoa Kỳ và tây bắc Mexico đã được khảo sát về nguồn dự trữ thức ăn tiềm năng để sản xuất dầu thô sinh học ở vùng đất khô cằn. Dầu thô sinh học là phần hóa học giống hydrocarbon và hydrocarbon của thực vật có thể được chiết xuất bằng dung môi hữu cơ và nâng cấp thành nguồn dự trữ hóa chất trong đất nhiên liệu lỏng. Các nhà máy được đánh giá bằng cách sử dụng một bộ mô hình cung cấp các ước tính về chi phí sản xuất dầu và năng lượng. Các nhà máy sản xuất nhựa thông hoặc nhựa thông có tỷ lệ chiết xuất năng lượng cao cao nhất.

Tóm tắt tỷ lệ phần trăm có thể chiết xuất được trong 195 loài thực vật phía tây nam (McLaughlin & Hoffmann 1982):

Năng suất thô sinh học thay đổi từ 12-30 thùng / ha / năm trong số các nhà máy được liệt kê. Bã mía sau khi chiết bằng dung môi sẽ có một số lựa chọn bao gồm đốt trực tiếp để sản xuất hơi nước và điện, sản xuất thức ăn chăn nuôi hoặc sửa đổi đất, hoặc chuyển đổi sang các sản phẩm năng lượng khác.

Ở Hoa Kỳ, các nghiên cứu bổ sung đã được tập trung vào Asclepias (tảo sữa). Nghiên cứu của Úc là một phân tích về tiềm năng sản xuất nhiên liệu lỏng từ bốn loại cây trồng có chứa nhựa. Các loài cây trồng khác nhau cho các khu vực khác nhau ở Úc, ước tính sản lượng và chi phí của chúng (Stewart et al. 1982).

Dữ liệu được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Nhiều nghiên cứu khác về hydrocarbon chiết xuất đã được công bố trong thập kỷ qua. Nhiều báo cáo trong các bài báo trong Sinh khối Sinh học ', ' Thực vật học kinh tế ', ' Tóm tắt sinh khối '(IEA), Thư mục năng lượng sinh học quốc tế và Cẩm nang' (Hội đồng năng lượng sinh học), v.v. Những nghiên cứu này đến từ nhiều quốc gia khác nhau như Brazil, Ethiopia, Nam Phi, Hy Lạp, Úc, Mỹ, Chile, Ấn Độ, v.v ... Để biết thông tin chi tiết, hãy xem Campos-Lopez và Anderson (1983).

Các loại:

Loại # 1. Parthenium Argentatum :

Guayule (Pathenium argentatum) là một thành viên của gia đình Asteraceae và có nguồn gốc ở vùng bán khô cằn ở phía bắc trung tâm Mexico và miền nam Texas, nơi nó nằm rải rác trên một cao nguyên rộng 339 000 km2. Giống như nhiều loài thực vật vùng khô cằn, nó cần rất nhiều ánh sáng mặt trời và nhiệt độ ban đêm thấp. Tuy nhiên, đó là một loài cây khô cằn đã được trồng nhiều như ngoài môi trường sống bình thường của nó. Guayule là một loài cây bụi đặc hữu của sa mạc Chihuahuan.

Các quần thể guayule tự nhiên được khai thác lần đầu tiên cho cao su cách đây gần một thế kỷ ở Mexico và gần đây, Hoa Kỳ và các quốc gia khác đã khởi xướng các dự án nghiên cứu để phát triển guayule như một nguồn cao su tự nhiên thương mại.

Một cây hai năm tuổi thường sản xuất khoảng 10% cao su theo trọng lượng khô; một số biến thể mang lại 25% và, với các chất kích thích hóa học, sản xuất cao su có thể được tăng lên ở giai đoạn đầu tăng trưởng đến 30%. Cao su Guayule được tìm thấy không phải trong một hệ thống tiết sữa chuyên dụng, mà trong nhu mô của thân và rễ là các hạt latex có kích thước tương tự như các hạt thu được từ Hevea .

Vì lý do này, nó không thể được khai thác 'nhưng phải được chiết xuất từ ​​các mô và vì không chứa chất chống oxy hóa tự nhiên, nó bị phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí, do đó cây phải được xử lý trong vài ngày sau khi thu hoạch. Một vụ thu hoạch toàn bộ cây và rễ sau 3 năm cho năng suất 2270 kilo / ha.

Các sản phẩm quan trọng khác là các thành phần terpenoid có trong nhựa thân và lá. Nhiều loại este sesquiterpene mới và các loại cocquiterpene từ guayule đã được xác định. Các dẫn xuất của guayulyines (sesquiterpene ester) là thuốc diệt nấm hiệu quả và trong một số trường hợp ức chế ăn ấu trùng trên guayulin.

Việc có hay không bất kỳ quốc gia nào có thể thiết lập guayule như một loại cây trồng có hiệu quả kinh tế, tuy nhiên, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thứ nhất, tăng giá cho xăng dầu và do đó khả năng cạnh tranh cao hơn với cao su tổng hợp. Guayule có thể là một nguồn sản xuất cao su polyisoprene được sản xuất tại địa phương. Dường như trong những thập kỷ tới sẽ có thị trường cho tất cả cao su tự nhiên hơn mức có thể được sản xuất, cho dù là Hevea, guayule, hoặc các nhà máy khác.

Có sự gia tăng liên tục trong tiêu thụ cao su thế giới, và cao su tự nhiên vẫn được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng. Ngoài ra, Hevea chỉ có thể được trồng ở một vùng nhiệt đới hạn chế, khiến nó dễ bị tổn thương trước các vấn đề chính trị, kinh tế hoặc sinh học. Thứ hai, sự cần thiết phải ổn định lề sa mạc, tìm cây trồng thích nghi với môi trường sa mạc, và cung cấp việc làm và thu nhập cho cư dân sa mạc nơi canh tác cây trồng thông thường là rủi ro hoặc không thể.

Loại # 2. Euphorbia:

Có hơn 2000 loài Euphorbia nhưng chỉ có hai loài đã được 'phát triển' trong thập kỷ qua; có lẽ có những loài khác cũng cần được kiểm tra chặt chẽ. Các đồn điền thử nghiệm gần đây được biết là đã được thực hiện ở California và Arizona của Euphorbia lathyris, hai năm một lần cao khoảng 1-2 m phải mất nhiều năm để thu hoạch. E. lathyris là một loại cây có khí hậu ôn hòa hơn và không thích nghi tốt với môi trường khô cằn như E. tirucalli.

E. lathyris đã được Calvin (1979) đề xuất là một loại cây trồng hydrocarbon và đường, có thể mang lại 25 tấn / ha / năm chất khô, chứa khoảng 2 tấn dầu và 5 tấn đường với tổng giá trị năng lượng là 4 triệu kcal . Các hydrocacbon từ Euphorbia chứa tỷ lệ cao các hợp chất C 15 như tông đơ terpene có trọng lượng phân tử khoảng 20.000, có thể tạo ra các sản phẩm tương tự như sản phẩm thu được từ naptha, một trong những nguyên liệu thô chính mà ngành hóa học có được từ dầu mỏ .

E. tirucallii được trồng rộng rãi ở khu vực khô cằn và bán khô cằn ở châu Phi để làm hàng rào sống cho chứng khoán và xung quanh nhà. Sau 18-24 tháng, năng suất tăng trưởng lên tới 20 tấn chất khô / ha / năm đã được báo cáo. Việc thành lập các đồn điền xuất hiện tương đối dễ dàng và tái sinh sau lần cắt đầu tiên dường như là có thể.

Loại # 3. Tảo :

Botryococcus braunii đã được chứng minh là mang lại 70% chiết xuất của nó dưới dạng chất lỏng hydrocarbon gần giống với dầu thô. Điều này đã dẫn đến công việc cố định các loại tảo này trong các ma trận rắn như alginate và polyurethane và sử dụng hệ thống dòng chảy để tạo ra hydrocarbon. Một loài tảo xanh Dunaliella được phát hiện ở Biển Chết tạo ra glycerol, -carotene và cả protein. Loài tảo này không có thành tế bào và phát triển ở những nồng độ muối rất cao này do đó để bù lại lượng muối cao bên ngoài, nó tạo ra glycerol bên trong. Alga Phaeodactylum tricornutum đã được chứng minh là có 25% lipid và 50% protein, trong khi Neochloris oleoabundans chứa 35-45% lipid dầu. Tảo Spirulina màu xanh lam chứa 75% protein, có năng suất tốt và phát triển tốt ở độ pH cao ở vùng khí hậu nóng như Chand (N. Châu Phi) và Mexico, nơi nó đã được ăn trong nhiều thế kỷ.

Loại # 4. Pedilanthus Macrocarpus :

Pedilanthus là một chi nhỏ ở Mexico và vùng Caribbean thuộc bộ lạc Euphorbieae (Euphorbiaceae). Thực vật bao gồm chi này được biết đến nhiều hơn với tên gọi là dép lê (được đặt tên cho sự phát triển tò mò của chúng - cyathium).

Các loài bao gồm chi này bao gồm từ cây rụng lá nhiệt đới đến sa mạc sa mạc. Pedilanthus macrocarpus được tìm thấy trong những khu rừng gai khô cằn ở bờ biển phía tây Mexico và sa mạc Sonoran của Baja California. Pedilanthus macrocarpus từ Baja California rất giàu cao su tự nhiên và ankan có trọng lượng phân tử cao; cả hai đều là những hợp chất có khả năng hữu ích (Proksch et al. 1981. Sternburg & Rodriguez 1982).

Sự hiện diện của cis-1, 4-polyisoprene (cao su) đã được phát hiện và xác nhận bằng phương pháp quang phổ Hl-NMR. Phổ này phù hợp với những loại thu được từ các nguồn cao su khác như Parthenium argentatum (guayule) và Hevea brasiliensis mặc dù kích thước polymer có phần nhỏ hơn. Cao su tinh chế từ P. macrocarpus có thể chiếm tới 28% trọng lượng khô của mủ.

Tổng hàm lượng cao su và ankan trong các loài Pedilanthus (Sternburg):

Sa mạc đã xác định rằng nhiều loài như Parthenium argentatumPedilanthus macrocarpus có khả năng sản xuất cao su với số lượng tương đương với sản xuất bởi các loại cây hydrocarbon được sản xuất thương mại - Hevea .