Produkcja biodiesla
Produkcja biodiesla to proces wytwarzania biopaliwa , biodiesla , poprzez reakcje chemiczne transestryfikacji i estryfikacji . Obejmuje to roślinnych lub zwierzęcych z krótkołańcuchowymi alkoholami (zwykle metanolem lub etanolem ). Stosowane alkohole powinny mieć niską masę cząsteczkową. Etanol jest najczęściej używany ze względu na jego niski koszt, jednak większe konwersje na biodiesel można osiągnąć przy użyciu metanolu. Chociaż reakcja transestryfikacji może być katalizowana kwasami lub zasadami, reakcja katalizowana zasadą jest bardziej powszechna. Ta ścieżka ma krótszy czas reakcji i koszt katalizatora niż kataliza kwasowa. Wadą katalizy alkalicznej jest jednak duża wrażliwość zarówno na wodę, jak i wolne kwasy tłuszczowe obecne w olejach.
Etapy procesu
Główne kroki wymagane do syntezy biodiesla są następujące:
Wstępna obróbka surowca
Typowe surowce stosowane w produkcji biodiesla obejmują tłuszcz żółty (olej roślinny z recyklingu), „dziewiczy” olej roślinny i łój . Olej z recyklingu jest przetwarzany w celu usunięcia zanieczyszczeń powstałych podczas gotowania, przechowywania i obsługi, takich jak brud, zwęglona żywność i woda. Oleje z pierwszego tłoczenia są rafinowane, ale nie do poziomu spożywczego. Odśluzowywanie w celu usunięcia fosfolipidów i innych substancji roślinnych jest powszechne, chociaż procesy rafinacji są różne. [ Potrzebne lepsze źródło ] Woda jest usuwana, ponieważ jej obecność podczas transestryfikacji katalizowanej zasadą powoduje zmydlanie ( hydrolizę) trójglicerydów, w wyniku czego zamiast biodiesla powstaje mydło . [ potrzebne źródło ]
Próbka oczyszczonego surowca jest następnie badana przez miareczkowanie z użyciem standaryzowanego roztworu zasadowego w celu określenia stężenia wolnych kwasów tłuszczowych obecnych w próbce oleju roślinnego. [ potrzebne źródło ] Kwasy są następnie usuwane (zwykle poprzez neutralizację) lub estryfikowane w celu wytworzenia biodiesla [ potrzebne źródło ] (lub glicerydy [ potrzebne źródło ] ).
Reakcje
Katalizowana zasadą transestryfikacja polega na reakcji lipidów (tłuszczów i olejów) z alkoholem (zwykle metanolem lub etanolem ) w celu wytworzenia biodiesla i zanieczyszczonego produktu ubocznego, glicerolu . Jeśli stosuje się olej surowcowy lub ma on wysoką zawartość kwasu, katalizowaną kwasem estryfikację można zastosować do reakcji kwasów tłuszczowych z alkoholem w celu wytworzenia biodiesla. Inne metody, takie jak reaktory ze złożem nieruchomym, reaktory nadkrytyczne i reaktory ultradźwiękowe, rezygnują lub zmniejszają stosowanie reakcji chemicznych, które obniżają jakość substancji w chemii.
Oczyszczanie produktu
Produkty reakcji obejmują nie tylko biodiesel, ale także produkty uboczne, takie jak mydło, glicerol, nadmiar alkoholu i śladowe ilości wody. Wszystkie te produkty uboczne muszą zostać usunięte, aby spełnić normy, ale kolejność usuwania zależy od procesu.
Gęstość glicerolu jest większa niż biodiesla, a ta różnica właściwości jest wykorzystywana do oddzielenia większości współproduktu glicerolu. Pozostałości metanolu są zwykle odzyskiwane przez destylację i ponownie wykorzystywane. Mydła można usunąć lub przekształcić w kwasy. Pozostała woda jest również usuwana z paliwa.
Reakcje
Transestryfikacja
Tłuszcze i oleje zwierzęce i roślinne składają się z triglicerydów , które są estrami powstałymi w wyniku reakcji trzech wolnych kwasów tłuszczowych i alkoholu trójwodorotlenowego, glicerolu . W procesie transestryfikacji dodany alkohol (zwykle metanol lub etanol ) jest deprotonowany zasadą, aby uczynić go silniejszym nukleofilem . Jak widać, reakcja nie ma innych wkładów niż trigliceryd i alkohol. W normalnych warunkach reakcja ta przebiega bardzo wolno lub wcale, dlatego reakcji stosuje się ciepło, a także katalizatory ( kwas i/lub zasadę ) . Należy zauważyć, że kwas lub zasada nie są zużywane w reakcji transestryfikacji, a zatem nie są reagentami, ale katalizatorami. Typowe katalizatory transestryfikacji obejmują wodorotlenek sodu , wodorotlenek potasu i metanolan sodu .
Prawie cały biodiesel jest produkowany z olejów roślinnych z pierwszego tłoczenia przy użyciu techniki katalizowanej zasadą, ponieważ jest to najbardziej ekonomiczny proces obróbki olejów roślinnych z pierwszego tłoczenia, wymagający jedynie niskich temperatur i ciśnień oraz zapewniający ponad 98% wydajność konwersji (pod warunkiem, że olej wyjściowy ma niską zawartość wilgoci i wolne kwasy tłuszczowe). Jednak biodiesel produkowany z innych źródeł lub innymi metodami może wymagać katalizy kwasowej, która jest znacznie wolniejsza. Ponieważ jest to dominująca metoda produkcji na skalę przemysłową, zostanie opisany jedynie proces transestryfikacji katalizowanej zasadą
Trójglicerydy ( 1 ) poddaje się reakcji z alkoholem, takim jak etanol ( 2 ), dając estry etylowe kwasów tłuszczowych ( 3 ) i glicerol ( 4 ):
-
- R1 , R2 , R3 : grupa alkilowa
Alkohol reaguje z kwasami tłuszczowymi, tworząc ester monoalkilowy (biodiesel) i surową glicerol. Reakcja między biolipidem (tłuszczem lub olejem) a alkoholem jest reakcją odwracalną , więc aby zapewnić całkowitą konwersję, należy dodać nadmiar alkoholu.
Mechanizm transestryfikacji katalizowanej zasadą
Reakcja transestryfikacji jest katalizowana zasadą. Każda mocna zasada zdolna do deprotonowania alkoholu będzie działać (np. NaOH, KOH, metanolan sodu itp.), Ale wodorotlenki sodu i potasu są często wybierane ze względu na ich koszt. Obecność wody powoduje niepożądaną hydrolizę zasady , dlatego reakcja musi być sucha.
W mechanizmie transestryfikacji węgiel karbonylowy wyjściowego estru (RCOOR 1 ) ulega atakowi nukleofilowemu przez nadchodzący alkoholan (R 2 O − ), dając tetraedryczny związek pośredni, który albo powraca do materiału wyjściowego, albo przechodzi do transestryfikowanego produktu ( RCOOR 2 ). Różne gatunki istnieją w równowadze, a rozkład produktów zależy od względnych energii reagenta i produktu.
Metody produkcji
Proces nadkrytyczny
Alternatywna, bezkatalizatorowa metoda transestryfikacji wykorzystuje metanol w stanie nadkrytycznym w wysokich temperaturach i ciśnieniach w procesie ciągłym. W stanie nadkrytycznym olej i metanol znajdują się w jednej fazie, a reakcja zachodzi spontanicznie i szybko. Proces może tolerować wodę w surowcu, wolne kwasy tłuszczowe są przekształcane w estry metylowe zamiast mydła, więc można stosować szeroką gamę surowców. Eliminuje się również etap usuwania katalizatora. Wymagane są wysokie temperatury i ciśnienia, ale koszty energii produkcji są podobne lub niższe niż katalityczne metody produkcji.
Reaktory liniowe i okresowe o ultra- i wysokim ścinaniu
Reaktory liniowe lub wsadowe do ultra- i wysokoobrotowego ścinania umożliwiają produkcję biodiesla w sposób ciągły, półciągły oraz w trybie wsadowym. To drastycznie skraca czas produkcji i zwiększa wielkość produkcji. [ potrzebne źródło ]
Reakcja zachodzi w wysokoenergetycznej strefie ścinania mieszalnika Ultra- i High Shear poprzez zmniejszenie wielkości kropel niemieszających się cieczy, takich jak olej lub tłuszcze i metanol. Dlatego im mniejszy rozmiar kropel, tym większa powierzchnia, tym szybciej katalizator może reagować. [ potrzebne źródło ]
Metoda reaktora ultradźwiękowego
W metodzie z reaktorem ultradźwiękowym fale ultradźwiękowe powodują ciągłe wytwarzanie i zapadanie się pęcherzyków w mieszaninie reakcyjnej; ta kawitacja zapewnia jednocześnie mieszanie i ogrzewanie wymagane do przeprowadzenia procesu transestryfikacji. [ Potrzebne źródło ] Zastosowanie reaktora ultradźwiękowego do produkcji biodiesla może drastycznie skrócić czas i temperaturę reakcji oraz pobór energii. [ Potrzebne źródło ] Przy użyciu takich reaktorów proces transestryfikacji może przebiegać w linii zamiast czasochłonnego przetwarzania wsadowego. [ potrzebne źródło ] Urządzenia ultradźwiękowe na skalę przemysłową pozwalają na przetwarzanie kilku tysięcy baryłek dziennie. [ potrzebne wyjaśnienie ] [ potrzebne źródło ]
Metoda katalizowana lipazą
Wiele badań skupiło się ostatnio na wykorzystaniu enzymów jako katalizatorów transestryfikacji. Badacze odkryli, że przy użyciu lipaz można uzyskać bardzo dobre plony z olejów surowych i zużytych . Zastosowanie lipaz sprawia, że reakcja jest mniej wrażliwa na wysoką zawartość wolnych kwasów tłuszczowych, co stanowi problem w przypadku standardowego procesu produkcji biodiesla. Jednym z problemów związanych z reakcją lipazy jest to, że nie można użyć metanolu, ponieważ inaktywuje on katalizator lipazy po jednej partii. Jeśli jednak zamiast metanolu stosuje się octan metylu, lipaza nie jest inaktywowana i można jej użyć w kilku partiach, dzięki czemu system lipazy jest znacznie bardziej opłacalny.
Lotne kwasy tłuszczowe z fermentacji beztlenowej strumieni odpadów
Lipidy przyciągają znaczną uwagę jako substrat do produkcji biodiesla ze względu na jego trwałość, nietoksyczność i energooszczędność. Jednak ze względów kosztowych należy zwrócić uwagę na niejadalne źródła lipidów, w szczególności mikroorganizmy oleiste. Takie drobnoustroje mają zdolność asymilacji źródeł węgla z pożywki i przekształcania węgla w materiały magazynujące lipidy. Lipidy zgromadzone przez te komórki oleiste można następnie transestryfikować, tworząc biodiesel.
Zobacz też
Dalsza lektura
- Gerpen, JV, „Przetwarzanie i produkcja biodiesla”, Technologia przetwarzania paliwa , 2005, 86, 1097–1107. doi : 10.1016/j.fuproc.2004.11.005
- Ma, F. & Hanna, MA, „Produkcja biodiesla: przegląd”, Bioresource Technology , 1999, 70, 1–15. doi : 10.1016/S0960-8524(99)00025-5
Linki zewnętrzne
- „IKA Innowacyjne mieszanie i przetwarzanie” (PDF) . Komercyjne mieszanie i przetwarzanie związane z produkcją biodiesla
- Szybka transestryfikacja oleju sojowego za pomocą ultradźwięków
- Obecny stan przetwarzania ultradźwiękowego do szybkiej produkcji biodiesla
- Technologia produkcji biodiesla sierpień 2002 – styczeń 2004
- UNL Badania i publikacje w zakresie inżynierii chemicznej i biomolekularnej
- Ciągły proces konwersji olejów roślinnych w estry metylowe kwasów tłuszczowych
- Bezpieczeństwo biodiesla i najlepsze praktyki zarządzania w przypadku niekomercyjnego wykorzystania i produkcji na małą skalę