9.1 Terminologia dla olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych
Tłuszcz jest ogólnym terminem dla lipidów, klasy związków w biochemii. Znasz je jako tłuste, stałe materiały występujące w tkankach zwierzęcych i w niektórych roślinach – oleje, które są ciałami stałymi w temperaturze pokojowej.
Olej roślinny jest tłuszczem ekstrahowanym ze źródeł roślinnych. Możemy być w stanie wyodrębnić olej z innych części rośliny, ale nasiona są głównym źródłem oleju roślinnego. Zazwyczaj oleje roślinne są używane do gotowania i do zastosowań przemysłowych. W porównaniu z wodą, oleje i tłuszcze mają znacznie wyższą temperaturę wrzenia. Istnieją jednak pewne oleje roślinne, które nie nadają się do spożycia przez ludzi, ponieważ oleje z tych rodzajów nasion wymagają dodatkowego przetwarzania w celu usunięcia nieprzyjemnych smaków lub nawet toksycznych substancji chemicznych. Należą do nich olej rzepakowy i olej z nasion bawełny.
Tłuszcze zwierzęce pochodzą od różnych zwierząt. Łój jest tłuszczem wołowym, a smalec jest tłuszczem wieprzowym. Istnieje również tłuszcz z kurczaka, tran (z wielorybów), olej z wątroby dorsza i ghee (który jest tłuszczem maślanym). Tłuszcze zwierzęce mają tendencję do posiadania więcej wolnych kwasów tłuszczowych niż oleje roślinne do.
Chemicznie, tłuszcze i oleje są również nazywane „triglicerydy”. Są one estrami glicerolu, z różną mieszanką kwasów tłuszczowych. Rysunek 9.1 przedstawia ogólny schemat struktury bez użycia wzorów chemicznych.
Czym więc jest glicerol? Jest on również znany jako gliceryna/gliceryna. Inne nazwy dla glicerolu obejmują: 1,2,3-propan-triol, 1,2,3-tri-hydroksy-propan, glicerytol i alkohol glicylowy. Jest to bezbarwna, bezwonna, higroskopijna (tzn. przyciąga wodę) i lepka ciecz o słodkim smaku. Rysunek 9.2 pokazuje strukturę chemiczną w dwóch różnych formach.
Więc teraz musimy zdefiniować czym są kwasy tłuszczowe. Zasadniczo, kwasy tłuszczowe są długołańcuchowymi węglowodorami z kwasem karboksylowym. Rysunek 9.3a pokazuje ogólną strukturę chemiczną kwasu tłuszczowego z kwasem karboksylowym na nim.
Rysunek 9.3b pokazuje różne struktury chemiczne kwasów tłuszczowych. Struktury chemiczne są przedstawione jako liniowe struktury chemiczne, gdzie każdy punkt na ogniwach jest atomem węgla, a właściwa liczba atomów wodoru zależy od tego, czy występuje wiązanie pojedyncze czy podwójne. Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone (z wiązaniami wodorowymi) lub nienasycone (z pewną ilością wiązań podwójnych między atomami węgla). Ze względu na metabolizm roślin oleistych, naturalnie powstające kwasy tłuszczowe zawierają parzystą liczbę atomów węgla. W chemii organicznej, atomy węgla posiadają cztery pary elektronów, które mogą być dzielone z innym atomem węgla, wodoru lub tlenu. Wolne kwasy tłuszczowe nie są związane z glicerolem ani z innymi cząsteczkami. Mogą powstawać w wyniku rozpadu lub hydrolizy triglicerydów.
Przedstawione kwasy tłuszczowe mają nieco inne właściwości. Kwas palmitynowy występuje w oleju palmowym. Rysunek 9.4 przedstawia zależność każdego kwasu tłuszczowego od jego wielkości i nasycenia. Kwasy palmitynowy i sterynowy są nasyconymi kwasami tłuszczowymi, podczas gdy kwasy oleinowy i linolowy są nienasycone z różną ilością wiązań podwójnych. Rysunek 9.4 przedstawia różne ilości atomów węgla w stosunku do liczby wiązań podwójnych w związku.
Rysunek 9.5a przedstawia część trójglicerydu, która jest kwasem tłuszczowym i część, która jest glicerolem, w tym struktur chemicznych tym razem. Przedstawiona struktura chemiczna to nasycony trójgliceryd.
Więc, omówiliśmy czym są tłuszcze i oleje. Teraz, co to jest biodiesel? Jaka jest przynajmniej jedna definicja? Jest to olej napędowy, który został wytworzony z biomasy. Istnieją jednak różne rodzaje biodiesla. Najpowszechniej znanym rodzajem biodiesla jest paliwo składające się z monoalkilowych estrów (zazwyczaj estrów metylowych lub etylowych) długołańcuchowych kwasów tłuszczowych pochodzących z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych – jest to zgodne z normą ASTM D6551. ASTM to dokument zawierający normy dla poszczególnych rodzajów substancji chemicznych, w szczególności materiałów przemysłowych. Jest to sformułowana definicja, która tak naprawdę nie pokazuje nam, co to jest chemicznie.
Więc kiedy mówimy o grupie alkilowej, jest to jednowartościowy rodnik zawierający tylko atomy węgla i wodoru w łańcuchu węglowodorowym, o ogólnym wzorze atomowym CnH2n+1. Przykłady obejmują:
Kolejnym terminem, o którym musimy wiedzieć, jest ester. Estry to związki organiczne, w których grupa alkilowa zastępuje atom wodoru w kwasie karboksylowym. Na przykład, jeśli kwas jest kwasem octowym, a grupa alkilowa jest grupą metylową, to powstały ester nazywa się octanem metylu. W wyniku reakcji kwasu octowego z metanolem powstaje octan metylu i woda; reakcję tę przedstawiono na rysunku 9.6. Powstały w ten sposób ester jest reakcją kondensacji, znaną również jako estryfikacja. Estry te są również nazywane estrami karboksylanowymi.
Jest to podstawowa reakcja, która pomaga w tworzeniu biodiesla. Rysunek 9.7 przedstawia różne części struktury chemicznej biodiesla, ester metylowy kwasu tłuszczowego lub ester metylowy kwasu tłuszczowego (FAME).
Więc, w tym momencie upewnijmy się, że wiemy, o czym rozmawialiśmy. Biodiesel to ester metylowy (lub etylowy) kwasu tłuszczowego. Jest on wytwarzany z oleju roślinnego, ale nie jest olejem roślinnym. Jeśli mamy 100% biodiesla, jest on znany jako B100 – jest to olej roślinny, który został poddany transestryfikacji w celu uzyskania biodiesla. Musi on spełniać normy ASTM dotyczące biodiesla, aby kwalifikować się do gwarancji, sprzedawać jako biodiesel i kwalifikować się do ulg podatkowych. Najczęściej jest on mieszany z olejem napędowym na bazie ropy naftowej. Jeśli jest to B2, ma 2% biodiesla i 98% oleju napędowego na bazie ropy naftowej. Inne mieszanki obejmują: B5 (5% biodiesel), B20 (20% biodiesel) i B100 (100% biodiesel). W dalszej części omówimy, dlaczego stosuje się mieszanki. I żeby było jasne: czasami olej roślinny jest używany w silnikach diesla, ale może on powodować problemy z wydajnością i pogarszać stan silnika z czasem. Czasami olej roślinny i alkohol są mieszane razem w emulsji, ale to nadal nie jest biodiesel, ponieważ ma inne właściwości niż biodiesel.
Więc, jeśli czysty olej roślinny (SVO) będzie pracował w silniku diesla, dlaczego go nie używać? Olej roślinny jest znacznie bardziej lepki (gooey to termin nietechniczny) i ma gorsze właściwości spalania. Może powodować powstawanie osadów węglowych, słabe smarowanie w silniku, zużycie silnika i problemy z rozruchem na zimno. Oleje roślinne mają naturalne gumy, które mogą powodować zatykanie się filtrów i wtryskiwaczy paliwa. A w przypadku silników wysokoprężnych, rozrząd wtrysku jest wyrzucany i może powodować stukanie silnika. Istnieją sposoby, aby złagodzić te problemy, które obejmują: 1) mieszanie z olejem napędowym na bazie ropy naftowej (zwykle < 20%), 2) wstępne podgrzewanie oleju, 3) tworzenie mikroemulsji z alkoholami, 4) „krakowanie” oleju roślinnego, oraz 5) stosowanie metody przekształcania SVO w biodiesel za pomocą transestryfikacji. Stosowane są również inne metody, ale na razie skupimy się na biodieslu z transestryfikacji. Tabela 9.1 przedstawia trzy właściwości oleju napędowego nr 2, biodiesla i oleju roślinnego. Jak widać, główna zmiana dotyczy lepkości. Olej napędowy nr 2 i biodiesel mają podobną lepkość, ale oleje roślinne mają większą lepkość i mogą powodować poważne problemy w niskich temperaturach. Jest to główny powód przekształcania SVO w biodiesel.
| Paliwo | Zawartość energii (Btu/gal) |
Liczba cetanowa | Tęsknota (centystokes) |
|---|---|---|---|
| No. 2 Diesel | 140,000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130,000 | 55 | 5.7 |
| Olej roślinny | 130,000 | 50 | 45 |
.
