Кіріспе

Биодизель өндірісі – биодизельді трансэстерификация және эстерификация химиялық реакциялары арқылы өндіру процесі. Бұл процесс өнім (химия) және қосалқы өнімдерді тудырады. Майлар мен майлар қысқа тізбекті спирттермен (әдетте метанол немесе этанол) әрекеттеседі. Қолданылатын спирттердің молекулалық салмағы төмен болуы тиіс. Этанол арзандығы себепті ең көп қолданылады, бірақ метанол қолдану арқылы биодизельге жоғары конверсияға қол жеткізуге болады. Трансэстерификация реакциясын қышқылдар немесе сілтілер катализдеуі мүмкін, бірақ сілті катализделген реакция көбірек таралған. Бұл жол қышқыл катализіне қарағанда реакция уақытын және катализатор құнын төмендетеді. Дегенмен, сілтілік катализдің майлардағы суға және бос май қышқылдарына жоғары сезімталдығы бар.

Реакциялар

Базалық катализделген трансэстерификация липидтерді (майлар мен майларды) спиртпен (әдетте метанол немесе этанол) биодизель және таза емес қосалқы өнім – глицерин алу үшін реакцияға түсіреді. Егер шикізат майы қолданылған болса немесе оның қышқылдылығы жоғары болса, май қышқылдарын спиртпен реакцияға түсіріп, биодизель алу үшін қышқылдық катализделген этерификация қолданылуы мүмкін. Басқа әдістер, мысалы, бекітілген төсек реакторлары, суперкритикалық реакторлар және ультрадыбыстық реакторлар химиялық реакцияларды қолданудан бас тартады немесе оларды азайтады, бұл химиядағы заттың сапасын төмендетуге әкеледі.

Өнімді тазарту

Реакция өнімдеріне биодизель ғана емес, сонымен қатар жанама өнімдер – сабын, глицерин, артық спирт және судың аздаған мөлшері кіреді. Бұл жанама өнімдердің барлығы стандарттарға сәйкес болуы тиіс, бірақ жою реті процеске байланысты. Глицериннің тығыздығы биодизельге қарағанда жоғары, және осы қасиет айырмашылығы глицериннің көп бөлігін бөліп алу үшін пайдаланылады. Қалған метанол әдетте дистилляция арқылы қалпына келтіріліп, қайта қолданылады. Сабынды жоюға болады немесе оны қышқылдарға айналдыруға болады. Қалдық су да отыннан алынып тасталады.

Базалық катализацияланған трансэстерлеу механизмі

Трансэтерификация реакциясы негіздік катализ арқылы жүзеге асырылады. Спиртты депротондыға қабілетті кез келген күшті негіз қолданылуы мүмкін (мысалы, NaOH, KOH, натрий метоксиді және т.б.), бірақ натрий және калий гидроксидтері көбінесе олардың төмен құнына байланысты таңдалады. Судың болуы негіздік гидролизді тудырады, сондықтан реакция құрғақ жағдайда жүргізілуі тиіс. Трансэтерификация механизмінде бастапқы эфирдің (RCOOR1) карбонил көміртегіне кіріс алкоксид (R2O−) нуклеофильдік шабуыл жасап, тетраэдрлік аралық қосылыс пайда болады, ол бастапқы заттарға қайта оралуы немесе трансэтерификацияланған өнімге (RCOOR2) айналуы мүмкін. Әртүрлі түрлер тепе-теңдікте болады, ал өнімдердің таралуы реакцияға қатысушы және өнімнің салыстырмалы энергиясына байланысты.

Сверхкритикалық процесс

Трансэстерификацияның катализаторсыз балама әдісі жоғары температура мен қысымда үздіксіз процесте суперкритикалық метанолды қолданады. Суперкритикалық күйде май және метанол бір фазада болады, реакция өздігінен және жылдам жүреді. Бұл процесте шикізаттың құрамындағы суға төзімділік бар, бос май қышқылдары сабынға айналудың орнына метил эфирлеріне айналады, сондықтан шикізаттың кең ауқымы қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, катализаторды бөліп шығару қадамы қажет емес. Жоғары температура мен қысым талап етілсе де, өндірістің энергиялық шығындары катализдік өндіріс тәсілдерімен салыстырылатын немесе одан төмен.

Ұзақ және жоғары қиылысты желілік және топтамалық реакторлар

Ұзын және жоғары қималы реакторлар биодизельді үздіксіз, жартылай үздіксіз және партиялық режимде өндіруге мүмкіндік береді. Бұл өндіріс уақытын күрт қысқартып, өндіріс көлемін арттырады. Реакция ультра және жоғары қималы араластырғыштың жоғары энергетикалық қима аймағында май немесе майлар және метанол сияқты араласпайтын сұйықтықтардың тамшы өлшемдерін кішірейте отырып жүзеге асады. Сондықтан тамшы өлшемі неғұрлым кіші болса, беттік ауданы соғұрлым үлкен болады, катализатор соғұрлым жылдам реакцияға түседі.

Ультрадыбыстық реактор әдісі

Ультрадыбыстық реактор әдісінде ультрадыбыстық толқындар реакциялық қоспада үнемі көпіршіктердің пайда болуына және жарылуына себеп болады; бұл кавитация трансэстерлеу процесін жүргізу үшін қажетті араластыру және қыздыруды бірдей қамтамасыз етеді. Биодизель өндірісінде ультрадыбыстық реакторды қолдану реакция уақытын, температураны және энергия жұмсалымын күрт төмендетуге мүмкіндік береді. Мұндай реакторларды пайдалану трансестерлеу процесін уақытты көп алатын үзелісті өңдеудің орнына үздіксіз жүргізуге болады. Өнеркәсіптік деңгейдегі ультрадыбыстық құрылғылар күніне бірнеше мың баррельді өңдеуге арналған.

Липазамен катализацияланған әдіс

Жақында көптеген зерттеулер ферменттерді трансэстерлендіру катализаторы ретінде пайдалануға шоғырланған. Зерттеушілер липазаларды қолдану арқылы шикі және қолданылған майлардан өте жақсы өнім алуға болатынын анықтады. Липазаларды қолдану реакцияны стандартты биодизель өндірісіндегі проблема болып табылатын жоғары мөлшердегі бос май қышқылдарына төмен сезімтал етеді. Липаза реакциясының бір мәселесі – метанол қолдануға болмайды, себебі ол липаза катализаторын бір рет қолданғаннан кейін белсенділігінен айырады. Дегенмен, егер метанолдың орнына метил ацетаты қолданылса, липаза белсенділігін жоймайды және бірнеше рет қолдануға болады, бұл липаза жүйесін әлдеқайда экономикалық тиімді етеді.

Қалдық ағындарының анаэробты қорытуынан алынатын ұшқыш май қышқылдары

Липидтер биодизель өндірісі үшін субстрат ретінде тұрақтылығы, улы емес қасиеттері және энергия тиімділігіне байланысты көп назар аударуда. Дегенмен, бағалық мәселелерге байланысты, липидтердің тағамдық емес көздеріне, әсіресе майлы микроорганизмдерге назар қою қажет. Мұндай микроорганизмдер ортадан көміртектік қоректерді сіңіріп алып, оны липидтерді жинақтауға айналдыра алады. Бұл майлы жасушаларда жинақталған липидтерді биодизель алу үшін трансэстерификациялауға болады.