Введение
Производство биодизельного топлива – это процесс получения биотоплива, биодизеля, посредством химических реакций трансэстерификации и эстерификации. В результате этого процесса образуются целевой продукт и побочные продукты. Жиры и масла взаимодействуют с низкомолекулярными спиртами (обычно метанолом или этанолом). Используемые спирты должны иметь небольшую молекулярную массу. Этанол используется чаще всего из-за его низкой стоимости, однако более высокая конверсия в биодизель достигается при использовании метанола. Хотя реакция трансэстерификации может катализироваться как кислотами, так и основаниями, более распространена катализация основаниями. Этот метод характеризуется меньшей продолжительностью реакции и стоимостью катализатора по сравнению с кислотной катализацией. Однако щелочная катализация имеет недостаток – высокую чувствительность к воде и свободным жирным кислотам, содержащимся в маслах.
Biodiesel production is the process of producing the biofuel, biodiesel, through the chemical reactions of transesterification and esterification. This process renders a product (chemistry) and by products. The fats and oils react with short chain alcohols (typically methanol or ethanol). The alcohols used should be of low molecular weight. Ethanol is the most used because of its low cost, however, greater conversions into biodiesel can be reached using methanol. Although the transesterification reaction can be catalyzed by either acids or bases, the base catalyzed reaction is more common. This path has lower reaction times and catalyst cost than those acid catalysis. However, alkaline catalysis has the disadvantage of high sensitivity to both water and free fatty acids present in the oils.
Реакции
Базовая каталитическая трансэстерификация взаимодействует липиды (жиры и масла) со спиртом (обычно метанолом или этанолом) для получения биодизеля и побочного продукта – глицерина, который содержит примеси. Если исходное масло использованное или имеет высокое содержание кислот, можно использовать кислотно-каталитическую этерификацию для взаимодействия жирных кислот со спиртом и получения биодизеля. Другие методы, такие как реакторы с неподвижным слоем, сверхкритические реакторы и ультразвуковые реакторы, позволяют избежать или уменьшить использование химических реакций, приводящих к снижению качества вещества.
Очистка продукта
Продукты реакции включают не только биодизель, но и побочные продукты: мыло, глицерин, избыток спирта и следовые количества воды. Все эти побочные продукты необходимо удалить для соответствия стандартам, однако порядок удаления зависит от конкретного технологического процесса. Поскольку плотность глицерина выше, чем у биодизеля, это различие в свойствах используется для отделения большей части глицерина как сопродукта. Остаточный метанол обычно рекуперируется путем дистилляции и повторно используется. Мыло может быть удалено или преобразовано в кислоты. Остаточная вода также удаляется из топлива.
Механизм трансэстерификации с катализатором на основе
Реакция трансэстерификации катализируется основанием. Любое сильное основание, способное отщеплять протон от спирта, подойдет (например, NaOH, KOH, метоксид натрия и т. д.), но гидроксиды натрия и калия часто выбирают из-за их низкой стоимости. Присутствие воды вызывает нежелательный щелочной гидролиз, поэтому реакцию необходимо проводить в безводных условиях. В механизме трансэстерификации карбонильный углерод исходного сложного эфира (RCOOR1) подвергается нуклеофильной атаке со стороны входящего алкоксид-иона (R2O−), образуя тетраэдрический интермедиат, который либо возвращается к исходным веществам, либо превращается в продукт трансэстерификации (RCOOR2). Различные соединения находятся в состоянии равновесия, а соотношение продуктов зависит от относительной энергии реагентов и продуктов.
Сверхкритический процесс
Альтернативный метод трансэстерификации, не требующий использования катализаторов, использует сверхкритический метанол при высоких температурах и давлениях в непрерывном процессе. В сверхкритическом состоянии масло и метанол находятся в одной фазе, что обеспечивает спонтанное и быстрое протекание реакции. Процесс устойчив к содержанию воды в исходном сырье, а свободные жирные кислоты превращаются в метиловые эфиры, а не в мыло, что позволяет использовать широкий спектр сырья. Кроме того, этап удаления катализатора отпадает. Для процесса требуются высокие температуры и давление, однако энергозатраты на производство сопоставимы или ниже, чем при каталитических методах.
Реакторы сверх- и высокоотрезания
Реакторы с ультра- и высоким сдвигом, работающие в потоке или периодическом режиме, позволяют производить биодизель непрерывно, полунепрерывно и в периодическом режиме. Это значительно сокращает время производства и увеличивает объем выпускаемой продукции. Реакция происходит в высокоэнергетической зоне сдвига ультра- и высокосдвиговых смесителей за счет уменьшения размера капель несмешивающихся жидкостей, таких как масла или жиры и метанол. Следовательно, чем меньше размер капель, тем больше площадь поверхности и тем быстрее может реагировать катализатор.
Ультразвуковой реакторный метод
В ультразвуковом реакторном методе ультразвуковые волны непрерывно генерируют и схлопывают пузырьки в реакционной смеси; эта кавитация одновременно обеспечивает перемешивание и нагрев, необходимые для проведения процесса трансэстерификации. Использование ультразвукового реактора для производства биодизеля может значительно сократить время реакции, температуру и затраты энергии. Применение таких реакторов позволяет проводить процесс трансэстерификации в непрерывном режиме, а не использовать трудоемкую периодическую обработку. Промышленные ультразвуковые установки позволяют перерабатывать несколько тысяч баррелей в день.
Липазокатализированный метод
В последнее время большое количество исследований было сосредоточено на использовании ферментов в качестве катализатора для трансэстерификации. Исследователи обнаружили, что с использованием липаз можно получать высокие выходы из нерафинированных и отработанных масел. Применение липаз снижает чувствительность реакции к высокому содержанию свободных жирных кислот, что является проблемой в стандартном процессе производства биодизеля. Одной из проблем при использовании липаз является невозможность применения метанола, поскольку он инактивирует липазный катализатор после одной партии. Однако, если вместо метанола использовать метилацетат, липаза не инактивируется и может быть использована для нескольких партий, что значительно повышает экономическую эффективность липазной системы.
Летучие жирные кислоты, полученные при анаэробном переваривании потоков отходов
Липиды привлекают значительное внимание как сырье для производства биодизельного топлива благодаря своей устойчивости, нетоксичности и энергоэффективности. Однако, в связи с экономической целесообразностью, необходимо сосредоточиться на непищевых источниках липидов, в частности, на олеагинозных микроорганизмах. Эти микробы обладают способностью ассимилировать источники углерода из среды и преобразовывать их в липиды, используемые для накопления энергии. Липиды, накопленные этими олеагинозными клетками, затем могут быть подвергнуты трансэстерификации для получения биодизеля.