9.1 Kasviöljyjen ja eläinrasvojen terminologia
Rasva on yleisnimitys lipideille, jotka ovat biokemian yhdisteryhmä. Tunnet ne rasvaisina, kiinteinä aineina, joita esiintyy eläinkudoksissa ja joissakin kasveissa – öljyinä, jotka ovat huoneenlämmössä kiinteitä aineita.
Kasviöljy on kasviperäisistä lähteistä uutettua rasvaa. Voimme ehkä uuttaa öljyä kasvin muista osista, mutta siemenet ovat tärkein kasviöljyn lähde. Tyypillisesti kasviöljyjä käytetään ruoanlaitossa ja teolliseen käyttöön. Veteen verrattuna öljyjen ja rasvojen kiehumispiste on paljon korkeampi. On kuitenkin olemassa joitakin kasviöljyjä, jotka eivät kelpaa ihmisravinnoksi, sillä tällaisista siemenistä saadut öljyt vaatisivat lisäkäsittelyä epämiellyttävien makujen tai jopa myrkyllisten kemikaalien poistamiseksi. Tällaisia ovat esimerkiksi rypsi- ja puuvillansiemenöljy.
Eläinrasvat ovat peräisin eri eläimistä. Tali on naudanliharasvaa ja laardi on sianliharasvaa. On myös kananrasvaa, blubberia (valaista), kalanmaksaöljyä ja gheetä (joka on voirasvaa). Eläinrasvoissa on yleensä enemmän vapaita rasvahappoja kuin kasviöljyissä.
Kemiallisesti rasvoja ja öljyjä kutsutaan myös ”triglyserideiksi”. Ne ovat glyseroliestereitä, joissa on vaihteleva rasvahappojen seos. Kuvassa 9.1 on yleiskaavio rakenteesta ilman kemiallisten kaavojen käyttöä.
Mitä siis on glyseroli? Se tunnetaan myös nimellä glyseriini/glyseriini. Muita glyserolin nimiä ovat mm: 1,2,3-propaanitrioli, 1,2,3-tri-hydroksipropaani, glyseritoli ja glykyylialkoholi. Se on väritön, hajuton, hygroskooppinen (eli vetää puoleensa vettä) ja makean makuinen viskoosi neste. Kuvassa 9.2 on esitetty kemiallinen rakenne kahdessa eri muodossa.
Nyt on siis määriteltävä, mitä rasvahapot ovat. Pohjimmiltaan rasvahapot ovat pitkäketjuisia hiilivetyjä, joissa on karboksyylihappo. Kuvassa 9.3a on esitetty rasvahapon yleinen kemiallinen rakenne, jossa on karboksyylihappo.
Kuvassa 9.3b on esitetty erilaisia rasvahappojen kemiallisia rakenteita. Kemialliset rakenteet on esitetty viivamaisina kemiallisina rakenteina, joissa jokainen linkkien piste on hiiliatomi ja vetyatomien oikea määrä riippuu siitä, onko kyseessä yksinkertainen vai kaksoissidos. Rasvahapot voivat olla tyydyttyneitä (joissa on vetysidoksia) tai tyydyttymättömiä (joissa hiiliatomien välillä on joitakin kaksoissidoksia). Öljykasvien aineenvaihdunnan vuoksi luonnossa muodostuvat rasvahapot sisältävät parillisen määrän hiiliatomeja. Orgaanisessa kemiassa hiiliatomeilla on neljä elektroniparia jaettavana toisen hiili-, vety- tai happiatomin kanssa. Vapaat rasvahapot eivät ole sitoutuneet glyseroliin tai muihin molekyyleihin. Ne voivat muodostua triglyseridin hajoamisesta tai hydrolyysistä.
Kuvassa olevilla rasvahapoilla on hieman erilaisia ominaisuuksia. Palmitiinihappoa esiintyy palmuöljyssä. Kuvassa 9.4 on esitetty kunkin rasvahapon suhde sen kokoon ja kylläisyyteen. Palmitiini- ja steriinihappo ovat tyydyttyneitä rasvahappoja, kun taas öljyhappo ja linolihappo ovat tyydyttymättömiä, joissa on eri määrä kaksoissidoksia. Kuvassa 9.4 on esitetty hiiliatomien erilaiset määrät verrattuna kaksoissidosten määrään yhdisteessä.
Kuvassa 9.5a on esitetty triglyseridin osa, joka on rasvahappo, ja osa, joka on glyseroli, tällä kertaa myös kemialliset rakenteet. Tässä esitetty kemiallinen rakenne on tyydyttynyt triglyseridi.
Olemme siis keskustelleet siitä, mitä rasvat ja öljyt ovat. Mitä on nyt biodiesel? Mikä on ainakin yksi määritelmä? Se on dieselpolttoaine, joka on tuotettu biomassasta. Biodieseliä on kuitenkin erityyppistä. Yleisimmin tunnettu biodieseltyyppi on polttoaine, joka koostuu kasviöljyistä tai eläinrasvoista peräisin olevien pitkäketjuisten rasvahappojen monoalkyyliestereistä (tyypillisesti metyyli- tai etyyliestereistä) – tämä on ASTM D6551 -standardin mukaan. ASTM on asiakirja, joka sisältää standardit tietyntyyppisille kemikaaleille, erityisesti teollisuusmateriaaleille. Tämä on sanavalmis määritelmä, josta ei oikein käy ilmi, mitä se on kemiallisesti.
Kun puhumme alkyyliryhmästä, se on yksiarvoinen radikaali, joka sisältää vain hiili- ja vetyatomeja hiilivetyketjussa ja jonka yleinen atomikaava on CnH2n+1. Esimerkkejä ovat:
Toinen termi, joka meidän on tunnettava, on esteri. Esterit ovat orgaanisia yhdisteitä, joissa alkyyliryhmä korvaa karboksyylihapon vetyatomin. Jos happo on esimerkiksi etikkahappo ja alkyyliryhmä on metyyliryhmä, syntyvää esteriä kutsutaan metyyliasetaatiksi. Etikkahapon ja metanolin reaktiossa muodostuu metyyliasetaattia ja vettä; reaktio on esitetty alla kuvassa 9.6. Tällä menetelmällä muodostuva esteri on kondensaatioreaktio; sitä kutsutaan myös esteröitymiseksi. Näitä estereitä kutsutaan myös karboksylaattiestereiksi.
Tämä on perusreaktio, jonka avulla muodostuu biodieseliä. Kuvassa 9.7 on esitetty biodieselin kemiallisen rakenteen, rasvahapon metyyliesterin eli rasvahapon metyyliesterin (FAME), eri osat.
Varmennetaan siis tässä vaiheessa, että tiedämme, mistä olemme keskustelleet. Biodiesel on rasvahapon metyyli- (tai etyyli-) esteri. Sitä valmistetaan kasviöljystä, mutta se ei ole kasviöljyä. Jos meillä on 100-prosenttista biodieseliä, se tunnetaan nimellä B100 – se on kasviöljyä, joka on transesteröity biodieselin valmistamiseksi. Sen on täytettävä ASTM:n biodieselstandardit, jotta se on oikeutettu takuisiin ja jotta sitä voidaan myydä biodieselinä ja jotta siitä voidaan myöntää verohyvityksiä. Useimmiten se sekoitetaan öljypohjaiseen dieseliin. Jos se on B2, siinä on 2 % biodieseliä ja 98 % öljypohjaista dieseliä. Muita sekoituksia ovat mm: B5 (5 % biodiesel), B20 (20 % biodiesel) ja B100 (100 % biodiesel). Seuraavassa osassa käsitellään, miksi seoksia käytetään. Selvyyden vuoksi todettakoon, että dieselmoottoreissa käytetään joskus kasviöljyä, mutta se voi aiheuttaa suorituskykyongelmia ja huonontaa moottoreita ajan mittaan. Joskus kasviöljyä ja alkoholia sekoitetaan keskenään emulsioiksi, mutta se ei silti ole biodieseliä, koska sen ominaisuudet eroavat biodieselistä.
Jos siis puhdas kasviöljy (SVO) toimii dieselmoottorissa, miksi sitä ei käytetä? Kasviöljy on huomattavasti viskoosimpaa (limainen on ei-tekninen termi) ja sillä on huonommat palamisominaisuudet. Se voi aiheuttaa hiilijäämiä, huonoa voitelua moottorissa, moottorin kulumista ja kylmäkäynnistysongelmia. Kasviöljyissä on luonnollista kumia, joka voi aiheuttaa suodattimien ja polttoainesuuttimien tukkeutumista. Dieselmoottorissa ruiskutuksen ajoitus häiriintyy ja voi aiheuttaa moottorin koputtelua. On olemassa keinoja näiden ongelmien lieventämiseksi, joita ovat muun muassa seuraavat: 1) sekoittaminen öljypohjaiseen dieseliin (yleensä < 20 %), 2) öljyn esilämmitys, 3) mikroemulsioiden valmistaminen alkoholien kanssa, 4) kasviöljyn ”halkaiseminen” ja 5) SVO:n muuntaminen biodieseliksi transesteröintiä käyttäen. Myös muita menetelmiä käytetään, mutta nyt keskitytään transesteröinnistä saatavaan biodieseliin. Taulukossa 9.1 esitetään kolme dieselin nro 2, biodieselin ja kasviöljyn ominaisuutta. Kuten näet, suurin muutos on viskositeetissa. Nro 2 -dieselin ja biodieselin viskositeetit ovat samankaltaisia, mutta kasviöljyjen viskositeetti on suuri, ja ne voivat aiheuttaa suuria ongelmia kylmällä säällä. Tämä on tärkein syy SVO:n muuttamiseen biodieseliksi.
| Polttoaine | Energiapitoisuus (Btu/gal) |
Setaaniluku | Viskositeetti (centistokes) |
|---|---|---|---|
| Nro. 2 Diesel | 140,000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130,000 | 55 | 5.7 |
| Kasviöljy | 130.000 | 50 | 45 |
