9.1 Terminologie rostlinných olejů a živočišných tuků
Tuk je obecný termín pro lipidy, třídu sloučenin v biochemii. Znáte je jako mastné, pevné látky, které se nacházejí v živočišných tkáních a v některých rostlinách – oleje, které jsou při pokojové teplotě pevné.
Regulantní olej je tuk získaný z rostlinných zdrojů. Olej můžeme získat i z jiných částí rostlin, ale hlavním zdrojem rostlinného oleje jsou semena. Rostlinné oleje se obvykle používají při vaření a pro průmyslové účely. Ve srovnání s vodou mají oleje a tuky mnohem vyšší bod varu. Existují však některé rostlinné oleje, které nejsou vhodné pro lidskou spotřebu, protože oleje z těchto druhů semen by vyžadovaly další zpracování, aby se odstranily nepříjemné příchutě nebo dokonce toxické chemické látky. Patří mezi ně například řepkový a bavlníkový olej.
Živočišné tuky pocházejí z různých zvířat. Lůj je hovězí tuk a sádlo je vepřový tuk. Existuje také kuřecí tuk, tuk z velryb, olej z tresčích jater a ghí (což je máslový tuk). Živočišné tuky mají obvykle více volných mastných kyselin než rostlinné oleje.
Z chemického hlediska se tuky a oleje nazývají také „triglyceridy“. Jsou to estery glycerolu s různou směsí mastných kyselin. Obrázek 9.1 ukazuje obecné schéma struktury bez použití chemických vzorců.
Tak co je glycerol? Je známý také jako glycerin/glycerin. Mezi další názvy glycerolu patří např: 1,2,3-propan-triol, 1,2,3-tri-hydroxy-propan, glyceritol a glycylalkohol. Je to bezbarvá viskózní kapalina bez zápachu, hygroskopická (tj. přitahuje vodu) a sladké chuti. Obrázek 9.2 ukazuje chemickou strukturu ve dvou různých podobách.
Nyní je třeba definovat, co jsou to mastné kyseliny. Mastné kyseliny jsou v podstatě uhlovodíky s dlouhým řetězcem a karboxylovou kyselinou. Obrázek 9.3a ukazuje obecnou chemickou strukturu mastné kyseliny s karboxylovou kyselinou na ní.
Obrázek 9.3b ukazuje různé chemické struktury mastných kyselin. Chemické struktury jsou zobrazeny jako liniové chemické struktury, kde každý bod na spojnicích představuje atom uhlíku a správný počet atomů vodíku závisí na tom, zda se jedná o jednoduchou nebo dvojnou vazbu. Mastné kyseliny mohou být nasycené (s vodíkovými vazbami) nebo nenasycené (s některými dvojnými vazbami mezi atomy uhlíku). Vzhledem k metabolismu olejnin obsahují přirozeně vzniklé mastné kyseliny sudý počet atomů uhlíku. V organické chemii mají atomy uhlíku k dispozici čtyři páry elektronů, které mohou sdílet s jiným atomem uhlíku, vodíku nebo kyslíku. Volné mastné kyseliny nejsou vázány na glycerol nebo jiné molekuly. Mohou vznikat rozkladem nebo hydrolýzou triglyceridu.
Zobrazené mastné kyseliny mají mírně odlišné vlastnosti. Kyselina palmitová se nachází v palmovém oleji. Obrázek 9.4 ukazuje vztah jednotlivých mastných kyselin k jejich velikosti a nasycení. Kyseliny palmitová a sterová jsou nasycené mastné kyseliny, zatímco kyseliny olejová a linolová jsou nenasycené s různým množstvím dvojných vazeb. Obrázek 9.4 ukazuje rozdílné množství atomů uhlíku ve srovnání s počtem dvojných vazeb ve sloučenině.
Obrázek 9.5a ukazuje část triglyceridu, která je mastnou kyselinou, a část, která je glycerolem, tentokrát včetně chemických struktur. Zobrazená chemická struktura je nasycený triglycerid.
Probrali jsme tedy, co jsou tuky a oleje. Co je nyní bionafta? Jaká je alespoň jedna definice? Je to motorová nafta, která byla vyrobena z biomasy. Existují však různé druhy bionafty. Nejznámějším typem bionafty je palivo složené z monoalkylesterů (typicky methylesterů nebo ethylesterů) mastných kyselin s dlouhým řetězcem získaných z rostlinných olejů nebo živočišných tuků – to je podle normy ASTM D6551. ASTM je dokument, který obsahuje normy pro určité typy chemických látek, zejména průmyslových materiálů. Jedná se o heslovitou definici, která nám v podstatě neukazuje, co je to chemicky.
Když tedy hovoříme o alkylové skupině, jedná se o univalentní radikál obsahující pouze atomy uhlíku a vodíku v uhlovodíkovém řetězci, s obecným atomovým vzorcem CnH2n+1. Příklady zahrnují:
Další pojem, který musíme znát, je ester. Estery jsou organické sloučeniny, kde alkylová skupina nahrazuje atom vodíku v karboxylové kyselině. Pokud je například kyselinou kyselina octová a alkylovou skupinou je methylová skupina, výsledný ester se nazývá methylacetát. Reakcí kyseliny octové s metanolem vznikne methylacetát a voda; reakce je znázorněna na obrázku 9.6. Ester vzniklý touto metodou je kondenzační reakce; nazývá se také esterifikace. Tyto estery se také nazývají karboxylátové estery.
Jedná se o základní reakci, která pomáhá vytvářet bionaftu. Na obrázku 9.7 jsou znázorněny jednotlivé části chemické struktury bionafty, metylesteru mastných kyselin neboli metylesteru mastných kyselin (FAME).
Na tomto místě se ujistěme, že víme, co jsme probírali. Bionafta je methylester (nebo ethylester) mastné kyseliny. Vyrábí se z rostlinného oleje, ale není to rostlinný olej. Pokud máme 100% bionaftu, označuje se jako B100 – jedná se o rostlinný olej, který byl transesterifikován za účelem výroby bionafty. Musí splňovat normy ASTM pro bionaftu, aby se na ni vztahovaly záruky, aby se mohla prodávat jako bionafta a aby se na ni vztahovaly případné daňové úlevy. Nejčastěji se mísí s ropnou naftou. Pokud je B2, obsahuje 2 % bionafty a 98 % nafty z ropy. Mezi další směsi patří např: B5 (5 % bionafty), B20 (20 % bionafty) a B100 (100 % bionafty). O tom, proč se směsi používají, si povíme v následující části. A aby bylo jasno: někdy se v dieselových motorech používá rostlinný olej, který však může způsobovat problémy s výkonem a časem zhoršovat vlastnosti motorů. Někdy se rostlinný olej a alkohol míchají dohromady v emulzích, ale to stále není bionafta, protože má jiné vlastnosti než bionafta.
Pokud tedy čistý rostlinný olej (SVO) bude v naftovém motoru fungovat, proč ho nepoužívat? Rostlinný olej je podstatně viskóznější (mazlavý je netechnický termín) a má horší spalovací vlastnosti. Může způsobovat: usazeniny karbonu, špatné mazání v motoru a opotřebení motoru a má problémy se studenými starty. Rostlinné oleje mají přírodní gumy, které mohou způsobovat ucpávání filtrů a vstřikovačů paliva. A u vznětového motoru dochází k rozhození časování vstřikování, což může způsobit klepání motoru. Existují způsoby, jak tyto problémy zmírnit, mezi něž patří např: 1) smíchání s ropnou naftou (obvykle < 20 %), 2) předehřátí oleje, 3) vytvoření mikroemulze s alkoholy, 4) „krakování“ rostlinného oleje a 5) použití metody přeměny SVO na bionaftu pomocí transesterifikace. Používají se i jiné metody, ale nyní se zaměříme na bionaftu z transesterifikace. Tabulka 9.1 uvádí tři vlastnosti nafty č. 2, bionafty a rostlinného oleje. Jak vidíte, hlavní změna je ve viskozitě. Nafta č. 2 a bionafta mají podobnou viskozitu, ale rostlinné oleje mají velkou viskozitu a mohou způsobit velké problémy v chladném počasí. To je hlavní důvod pro přeměnu SVO na bionaftu.
| Palivo | Energetický obsah (Btu/gal) |
Cetanové číslo | Viskozita (centistokes) |
|---|---|---|---|
| Čís. 2 Motorová nafta | 140 000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130 000 | 55 | 5.7 |
| Vegetační olej | 130,000 | 50 | 45 |
.
