9.1 Terminologi for vegetabilske olier og animalske fedtstoffer
Fedt er en fællesbetegnelse for lipider, en klasse af forbindelser i biokemien. Man kender dem som fedtede, faste materialer, der findes i animalsk væv og i nogle planter – olier, der er faste stoffer ved stuetemperatur.
Vegetabilsk olie er det fedt, der er udvundet fra vegetabilske kilder. Vi kan måske udvinde olie fra andre dele af en plante, men frø er den vigtigste kilde til vegetabilsk olie. Typisk anvendes vegetabilske olier i madlavning og til industrielle formål. Sammenlignet med vand har olier og fedtstoffer et meget højere kogepunkt. Der er dog nogle planteolier, som ikke er gode til menneskeføde, da olierne fra disse typer frø ville kræve yderligere behandling for at fjerne ubehagelige smagsstoffer eller endog giftige kemikalier. Disse omfatter rapsfrø- og bomuldsfrøolie.
Dyre fedtstoffer kommer fra forskellige dyr. Talg er oksefedt, og svinefedt er svinefedt. Der findes også kyllingefedt, spæk (fra hvaler), torskeleverolie og ghee (som er et smørfedt). Animalske fedtstoffer har tendens til at have flere frie fedtsyrer end vegetabilske olier.
Kemisk set kaldes fedtstoffer og olier også for “triglycerider”. De er estere af glycerol med en varierende blanding af fedtsyrer. Figur 9.1 viser et generisk diagram over strukturen uden brug af kemiske formler.
Så hvad er glycerol? Det er også kendt som glycerin/glycerin. Andre navne for glycerol er bl.a.: 1,2,3-propan-triol, 1,2,3-tri-hydroxypropan, glyceritol og glycylalkohol. Det er en farveløs, lugtfri, hygroskopisk (dvs. at det tiltrækker vand) og smager sødt som en tyktflydende væske. Figur 9.2 viser den kemiske struktur i to forskellige former.
Så nu skal vi definere, hvad fedtsyrer er. I bund og grund er fedtsyrer langkædede carbonhydrider med en carboxylsyre. Figur 9.3a viser den generiske kemiske struktur for en fedtsyre med carboxylsyren på.
Figur 9.3b viser forskellige kemiske strukturer for fedtsyrer. De kemiske strukturer er vist som kemiske linjestrukturer, hvor hvert punkt på leddene er et kulstofatom, og det korrekte antal hydrogenatomer afhænger af, om der er tale om en enkelt- eller dobbeltbinding. Fedtsyrer kan være mættede (med hydrogenbindinger) eller umættede (med nogle dobbeltbindinger mellem kulstofatomer). På grund af stofskiftet i oliefrøafgrøder indeholder naturligt dannede fedtsyrer et lige antal kulstofatomer. I organisk kemi har kulstofatomer fire elektronpar til rådighed, som de kan dele med et andet kulstof-, brint- eller iltatom. Frie fedtsyrer er ikke bundet til glycerol eller andre molekyler. De kan dannes ved nedbrydning eller hydrolyse af et triglycerid.
De viste fedtsyrer har lidt forskellige egenskaber. Palmitinsyre findes i palmeolie. Figur 9.4 viser forholdet mellem de enkelte fedtsyrer og deres størrelse og mætning. Palmitinsyre og sterinsyre er mættede fedtsyrer, mens oliesyre og linolsyre er umættede med forskellige mængder af dobbeltbindinger. Figur 9.4 viser forskellige mængder af kulstofatomer i forhold til antallet af dobbeltbindinger i forbindelsen.
Figur 9.5a viser den del af triglyceridet, der er en fedtsyre, og den del, der er glycerol, herunder kemiske strukturer denne gang. Den viste kemiske struktur er et mættet triglycerid.
Så, vi har diskuteret, hvad fedtstoffer og olier er. Hvad er biodiesel nu? Hvad er mindst én definition? Det er et dieselbrændstof, der er fremstillet af biomasse. Der findes dog forskellige typer biodiesel. Den mest kendte type biodiesel er et brændstof, der består af monoalkylestere (typisk methyl- eller ethylestere) af langkædede fedtsyrer, der stammer fra vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer – dette er i henhold til ASTM D6551. En ASTM er et dokument, der indeholder standarder for bestemte typer kemikalier, især industrielle materialer. Dette er en ordrig definition, der ikke rigtig viser os, hvad det er kemisk.
Så når vi taler om en alkylgruppe, er det en uvalent radikal, der kun indeholder kulstof- og hydrogenatomer i en kulbrintekæde, med en generel atomformel CnH2n+1. Som eksempler kan nævnes:
Et andet begreb, som vi skal kende til, er en ester. Estere er organiske forbindelser, hvor en alkylgruppe erstatter et hydrogenatom i en carboxylsyre. Hvis syren f.eks. er eddikesyre, og alkylgruppen er methylgruppen, kaldes den resulterende ester for methylacetat. Reaktionen af eddikesyre med methanol vil danne methylacetat og vand; reaktionen er vist nedenfor i figur 9.6. En ester, der dannes ved denne metode, er en kondensationsreaktion; den er også kendt som esterificering. Disse estere kaldes også carboxylatestere.
Dette er den grundlæggende reaktion, der er med til at danne biodiesel. Figur 9.7 viser de forskellige dele af den kemiske struktur af biodiesel, methylesterfedtsyren eller fedtsyremethylester (FAME).
Så lad os på dette tidspunkt sikre os, at vi ved, hvad vi har diskuteret. Biodiesel er en methyl- (eller ethyl-) ester af en fedtsyre. Den er fremstillet af vegetabilsk olie, men det er ikke vegetabilsk olie. Hvis vi har 100 % biodiesel, er det kendt som B100 – det er en vegetabilsk olie, der er blevet transesterificeret til biodiesel. Den skal opfylde ASTM’s biodieselstandarder for at kunne komme i betragtning til garantier og sælges som biodiesel og komme i betragtning til eventuelle skattefradrag. Oftest er det blandet med oliebaseret diesel. Hvis det er B2, indeholder den 2 % biodiesel og 98 % petroleumsbaseret diesel. Andre blandinger omfatter: Andre blandinger er B5 (5 % biodiesel), B20 (20 % biodiesel) og B100 (100 % biodiesel). Vi vil diskutere, hvorfor der anvendes blandinger i det følgende afsnit. Og for at gøre det klart: Nogle gange anvendes vegetabilsk olie i dieselmotorer, men det kan forårsage problemer med ydeevnen og forringe motorerne med tiden. Nogle gange blandes vegetabilsk olie og alkohol sammen i emulsioner, men det er stadig ikke biodiesel, da det har andre egenskaber end biodiesel.
Så, hvis ren vegetabilsk olie (SVO) kan køre i en dieselmotor, hvorfor så ikke bruge den? Vegetabilsk olie er betydeligt mere tyktflydende (gooey er et ikke-teknisk udtryk) og har mere dårlige forbrændingsegenskaber. Den kan forårsage: kuldeaflejringer, dårlig smøring i motoren og motorslitage, og den har problemer med koldstart. Vegetabilske olier har naturlige tyggegummi, der kan forårsage tilstopning i filtre og brændstofindsprøjtningsdyser. Og for en dieselmotor bliver indsprøjtningstidspunktet forstyrret, hvilket kan forårsage motorklopning. Der er måder at afhjælpe disse problemer på, bl.a: 1) blanding med oliebaseret diesel (normalt < 20 %), 2) forvarmning af olien, 3) fremstilling af mikroemulsioner med alkoholer, 4) “crackning” af vegetabilsk olie og 5) anvendelse af metoden til omdannelse af SVO til biodiesel ved hjælp af transesterificering. Der anvendes også andre metoder, men for nu vil vi fokusere på biodiesel fra transesterificering. Tabel 9.1 viser tre egenskaber for nr. 2 diesel, biodiesel og vegetabilsk olie. Som du kan se, er den største ændring i viskositeten. No. 2 diesel og biodiesel har viskositeter, der ligner hinanden, men vegetabilske olier har meget viskositet og kan give store problemer i koldt vejr. Dette er hovedårsagen til at omdanne SVO til biodiesel.
| Brændstof | Energetisk indhold (Btu/gal) |
Cetantallet | Viskositet (centistokes) |
|---|---|---|---|
| Nr. 2 Diesel | 140.000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130.000 | 55 | 5.7 |
| Vegetabilsk olie | 130.000 | 50 | 45 |
