Biyodizel üretimi - Biodiesel production

Biyodizel üretimi üretim sürecidir biyoyakıt , biyodizel aracılığıyla, kimyasal reaksiyonlar arasında transesterifikasyonu ve esterifikasyonu . Bu, kısa zincirli alkollerle (tipik olarak metanol veya etanol ) reaksiyona giren bitkisel veya hayvansal katı ve sıvı yağları içerir . Kullanılan alkoller düşük moleküler ağırlıklı olmalıdır. Etanol, düşük maliyeti nedeniyle en çok kullanılanıdır, ancak metanol kullanılarak biyodizele daha fazla dönüşüm sağlanabilir. Transesterifikasyon reaksiyonu asitler veya bazlar tarafından katalize edilebilmesine rağmen, baz katalizli reaksiyon daha yaygındır. Bu yol, asit katalizlerine göre daha düşük reaksiyon sürelerine ve katalizör maliyetine sahiptir. Bununla birlikte, alkali katalizör, yağlarda bulunan hem suya hem de serbest yağ asitlerine karşı yüksek hassasiyet dezavantajına sahiptir .

İşlem adımları

Biyodizel sentezlemek için gereken başlıca adımlar şunlardır:

Hammadde ön arıtma

Biyodizel üretiminde kullanılan yaygın hammadde, sarı gres (geri dönüştürülmüş bitkisel yağ), "bakire" bitkisel yağ ve don yağı içerir . Geri dönüştürülmüş yağ, kir, kömürleşmiş yiyecek ve su gibi pişirme, depolama ve kullanımdan kaynaklanan kirleri gidermek için işlenir. Sızma yağlar rafine edilir, ancak gıda sınıfı düzeyinde değildir. Arıtma süreçleri değişse de, fosfolipidleri ve diğer bitki maddelerini uzaklaştırmak için zamk giderme yaygındır. Baz katalizli transesterifikasyon sırasında mevcudiyeti , trigliseritlerin sabunlaşmasına (hidrolize) neden olduğu ve biyodizel yerine sabun ürettiği için su uzaklaştırılır .

Temizlenmiş ham maddenin bir numunesi daha sonra , bitkisel yağ numunesinde bulunan serbest yağ asitlerinin konsantrasyonunu belirlemek için standart bir baz solüsyona karşı titrasyon yoluyla test edilir . Asitler daha sonra ya uzaklaştırılır (tipik olarak nötralizasyon yoluyla) ya da biyodizel (veya gliseritler) üretmek için esterleştirilir .

Reaksiyonlar

Baz katalizli transesterifikasyonu reaksiyona girerek lipitler (katı ve sıvı yağlar) alkol (tipik olarak birlikte , metanol ya da etanol üretmek biyodizel) ve saf olmayan birlikte-, gliserol . Hammadde yağı kullanılıyorsa veya yüksek bir asit içeriğine sahipse, biyodizel üretmek için yağ asitlerini alkol ile reaksiyona sokmak için asit katalizli esterleştirme kullanılabilir . Sabit yataklı reaktörler, süper kritik reaktörler ve ultrasonik reaktörler gibi diğer yöntemler, kimyasal katalizörlerin kullanımını terk eder veya azaltır.

Ürün arıtma

Reaksiyonun ürünleri sadece biyodizel değil, aynı zamanda sabun, gliserol, aşırı alkol ve eser miktarda su yan ürünlerini de içerir. Standartları karşılamak için bu yan ürünlerin tümü çıkarılmalıdır, ancak çıkarma sırası sürece bağlıdır.

Gliserolün yoğunluğu biyodizelin yoğunluğundan daha fazladır ve bu özellik farkı, gliserol yan ürününün büyük kısmını ayırmak için kullanılır. Artık metanol tipik olarak damıtma yoluyla geri kazanılır ve yeniden kullanılır. Sabunlar çıkarılabilir veya asitlere dönüştürülebilir. Kalan su da yakıttan çıkarılır.

Reaksiyonlar

transesterifikasyon

Hayvansal ve bitkisel katı ve sıvı yağlar, üç serbest yağ asidi ile trihidrik alkol, gliserolün reaksiyonlarıyla oluşan esterler olan trigliseritlerden oluşur . Transesterifikasyon işleminde, eklenen alkol (genellikle metanol veya etanol ), daha güçlü bir nükleofil yapmak için bir baz ile protondan arındırılır . Görülebileceği gibi, reaksiyonun trigliserit ve alkolden başka girdisi yoktur. Normal koşullar altında, bu reaksiyon ya çok yavaş ilerler ya da hiç olmaz, bu nedenle reaksiyonu hızlandırmak için ısı ve ayrıca katalizörler ( asit ve/veya baz ) kullanılır . Asit veya bazın transesterifikasyon reaksiyonu tarafından tüketilmediğini, dolayısıyla bunların reaktan değil, katalizör olduklarını not etmek önemlidir. Transesterifikasyon için yaygın katalizörler arasında sodyum hidroksit , potasyum hidroksit ve sodyum metoksit bulunur .

Hemen hemen tüm biyodizel, saf bitkisel yağların işlenmesi için en ekonomik süreç olduğundan, yalnızca düşük sıcaklıklar ve basınçlar gerektiren ve %98'in üzerinde dönüşüm verimi sağladığından (başlangıç ​​yağının nem oranının düşük olması koşuluyla) baz katalizli teknik kullanılarak saf bitkisel yağlardan üretilir. ve serbest yağ asitleri). Bununla birlikte, başka kaynaklardan veya başka yöntemlerle üretilen biyodizel, çok daha yavaş olan asit katalizini gerektirebilir. Ticari ölçekli üretim için baskın yöntem olduğu için, sadece baz katalizli transesterifikasyon süreci açıklanacaktır.

Trigliseritler ( 1 ) etanol ( 2 ) gibi bir alkol ile reaksiyona sokularak yağ asitlerinin ( 3 ) etil esterleri ve gliserol ( 4 ) elde edilir:

Etanol ile trigliseritlerin transesterifikasyonu.png
R ' 1 , R' 2 , R ' 3  : Alkil grubu

Alkol, mono-alkil ester (biyodizel) ve ham gliserol oluşturmak için yağ asitleri ile reaksiyona girer. Arasındaki reaksiyon biolipid (katı veya sıvı yağ) ve alkol a, tersinir tepkime aşırı alkol tamamen dönüşümünü sağlamak için eklenmesi gerekir, böylece.

Baz katalizli transesterifikasyon mekanizması

Ayrıca bakınız: transesterifikasyon

Transesterifikasyon reaksiyonu baz katalizlidir. Alkolü protonsuzlaştırabilen herhangi bir güçlü baz işe yarayacaktır (örn. NaOH, KOH, sodyum metoksit , vb.), ancak sodyum ve potasyum hidroksitler genellikle maliyetlerine göre seçilir. Suyun varlığı, istenmeyen baz hidrolizine neden olur , bu nedenle reaksiyon kuru tutulmalıdır.

Transesterifikasyon mekanizmasında, başlangıç ​​esterinin (RCOOR 1 ) karbonil karbonu , gelen alkoksit (R 2 O - ) tarafından nükleofilik saldırıya uğrar ve ya başlangıç ​​malzemesine geri dönen ya da transesterlenmiş ürüne ilerleyen bir tetrahedral ara ürün verir ( RCOOR 2 ). Çeşitli türler dengede bulunur ve ürün dağılımı, reaktan ve ürünün nispi enerjilerine bağlıdır.

Genel transesterifikasyon mekanizması.png

Üretim yöntemleri

süper kritik süreç

Transesterifikasyon için alternatif, katalizörsüz bir yöntem, sürekli bir işlemde yüksek sıcaklık ve basınçlarda süper kritik metanol kullanır . Süper kritik durumda, yağ ve metanol tek fazdadır ve reaksiyon kendiliğinden ve hızlı bir şekilde gerçekleşir. İşlem, hammaddedeki suyu tolere edebilir, serbest yağ asitleri sabun yerine metil esterlere dönüştürülür, böylece çok çeşitli hammaddeler kullanılabilir. Ayrıca katalizör giderme adımı ortadan kaldırılmıştır. Yüksek sıcaklıklar ve basınçlar gereklidir, ancak üretimin enerji maliyetleri katalitik üretim yollarına benzer veya daha azdır.

Ultra ve yüksek kesmeli hat içi ve kesikli reaktörler

Ultra ve Yüksek Kesme sıralı veya kesikli reaktörler sürekli, yarı sürekli ve kesikli modda biyodizel üretimine izin verir. Bu, üretim süresini önemli ölçüde azaltır ve üretim hacmini artırır.

Reaksiyon, sıvı veya katı yağlar ve metanol gibi karışmayan sıvıların damlacık boyutunu azaltarak Ultra ve Yüksek Kesmeli karıştırıcının yüksek enerjili kesme bölgesinde gerçekleşir. Bu nedenle, damlacık boyutu ne kadar küçük olursa, yüzey alanı o kadar büyük olur, katalizör o kadar hızlı reaksiyona girebilir.

Ultrasonik reaktör yöntemi

Ultrasonik reaktör yönteminde ultrasonik dalgalar, reaksiyon karışımının sürekli olarak baloncuklar üretmesine ve çökmesine neden olur; bu kavitasyon, transesterifikasyon işlemini gerçekleştirmek için gerekli olan karıştırma ve ısıtmayı aynı anda sağlar. Biyodizel üretimi için bir ultrasonik reaktörün kullanılması, reaksiyon süresini ve sıcaklıklarını ve enerji girdisini büyük ölçüde azaltabilir. Bu tür reaktörleri kullanarak, transesterifikasyon işlemi, zaman alan toplu işlem yerine hat içinde çalışabilir. Endüstriyel ölçekli ultrasonik cihazlar, günde birkaç bin varilin işlenmesine izin verir.

Lipaz katalizli yöntem

Son zamanlarda büyük miktarda araştırma, enzimlerin transesterifikasyon için bir katalizör olarak kullanımına odaklanmıştır. Araştırmacılar, lipazlar kullanılarak ham ve kullanılmış yağlardan çok iyi verim alınabileceğini bulmuşlardır . Lipazların kullanımı, reaksiyonu, standart biyodizel prosesinde bir problem olan yüksek serbest yağ asidi içeriğine daha az duyarlı hale getirir. Lipaz reaksiyonuyla ilgili bir problem, metanolün bir partiden sonra lipaz katalizörünü etkisiz hale getirdiği için kullanılamamasıdır. Bununla birlikte, metanol yerine metil asetat kullanılırsa, lipaz inaktive olmaz ve birkaç parti için kullanılabilir, bu da lipaz sistemini çok daha uygun maliyetli hale getirir.

Atık akışlarının anaerobik sindiriminden kaynaklanan uçucu yağ asitleri

Lipitler, sürdürülebilirliği, toksik olmaması ve enerji verimli özellikleri nedeniyle biyodizel üretimi için bir substrat olarak büyük ilgi görmektedir. Bununla birlikte, maliyet nedenlerinden dolayı, özellikle yağlı mikroorganizmalar olmak üzere, yenilebilir olmayan lipit kaynaklarına odaklanılmalıdır. Bu tür mikroplar, bir ortamdan karbon kaynaklarını özümseme ve karbonu lipit depolama malzemelerine dönüştürme yeteneğine sahiptir. Bu yağlı hücreler tarafından biriken lipidler daha sonra biyodizel oluşturmak üzere transesterifiye edilebilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar