9.1 A növényi olajok és állati zsírok terminológiája
A zsír a biokémiában a lipidek, a vegyületek egy osztályának gyűjtőneve. Az állati szövetekben és egyes növényekben található zsíros, szilárd anyagokként ismerhetjük őket – olajokként, amelyek szobahőmérsékleten szilárdak.
A növényi olaj a növényi forrásokból kivont zsír. Lehet, hogy a növény más részeiből is tudunk olajat kinyerni, de a növényi olaj fő forrása a magvak. A növényi olajokat jellemzően a főzéshez és ipari felhasználásra használják. A vízhez képest az olajoknak és a zsíroknak sokkal magasabb a forráspontjuk. Vannak azonban olyan növényi olajok, amelyek nem alkalmasak emberi fogyasztásra, mivel az ilyen típusú magvakból származó olajok további feldolgozást igényelnének a kellemetlen ízek vagy akár mérgező vegyi anyagok eltávolítása érdekében. Ezek közé tartozik a repce- és a gyapotmagolaj.
Az állati zsírok különböző állatokból származnak. A faggyú a marhafaggyú, a sertészsír pedig a sertészsír. Van még csirkezsír, bálnazsír (bálnákból), tőkehalmájolaj és ghí (ami vajzsír). Az állati zsírok általában több szabad zsírsavat tartalmaznak, mint a növényi olajok.
Kémiailag a zsírokat és olajokat “triglicerideknek” is nevezik. Ezek glicerinészterek, változó zsírsavkeverékkel. A 9.1. ábra a szerkezet általános ábráját mutatja kémiai képletek használata nélkül.
Mi tehát a glicerin? Glicerin/glicerin néven is ismert. A glicerin más elnevezései a következők: 1,2,3-propán-triol, 1,2,3-tri-hidroxipropán, glicerinit és glicilalkohol. Színtelen, szagtalan, higroszkópos (azaz vizet vonzó), édes ízű, viszkózus folyadék. A 9.2. ábra a kémiai szerkezetét mutatja két különböző formában.
Azt kell most meghatározni, hogy mik a zsírsavak. Lényegében a zsírsavak hosszú szénhidrogénláncú karbonsavval rendelkező szénhidrogének. A 9.3a. ábra a zsírsav általános kémiai szerkezetét mutatja, rajta a karbonsavval.
A 9.3b. ábra különböző zsírsavak kémiai szerkezetét mutatja. A kémiai szerkezetek vonalas kémiai szerkezetként vannak ábrázolva, ahol a kapcsolatok minden egyes pontja egy szénatomot jelöl, és a hidrogénatomok helyes száma attól függ, hogy egyszerű vagy kettős kötésről van-e szó. A zsírsavak lehetnek telítettek (hidrogénkötésekkel) vagy telítetlenek (néhány kettős kötéssel a szénatomok között). Az olajnövények anyagcseréje miatt a természetben képződő zsírsavak páros számú szénatomot tartalmaznak. A szerves kémiában a szénatomok négy elektronpárral rendelkeznek, amelyeket megoszthatnak egy másik szén-, hidrogén- vagy oxigénatommal. A szabad zsírsavak nem kötődnek glicerinhez vagy más molekulákhoz. Egy triglicerid lebontásából vagy hidrolíziséből keletkezhetnek.
A bemutatott zsírsavak kissé eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. A palmitinsav a pálmaolajban található. A 9.4. ábra az egyes zsírsavak méretének és telítettségének kapcsolatát mutatja. A palmitinsav és a szterinsav telített zsírsavak, míg az olajsav és a linolsav telítetlen, különböző mennyiségű kettős kötéssel. A 9.4. ábra a szénatomok eltérő mennyiségét mutatja a vegyületben lévő kettős kötések számához képest.
A 9.5a. ábra a triglicerid zsírsav és glicerin részét mutatja, ezúttal a kémiai szerkezetekkel együtt. Az itt látható kémiai szerkezet egy telített triglicerid.
Azt már megbeszéltük, hogy mik a zsírok és az olajok. Most pedig, hogy mi a biodízel? Mi legalább egy meghatározás? Ez egy olyan dízelüzemanyag, amelyet biomasszából állítottak elő. A biodízelnek azonban különböző típusai vannak. A biodízel legismertebb típusa a növényi olajokból vagy állati zsírokból származó hosszú szénláncú zsírsavak monoalkil-észtereiből (jellemzően metil- vagy etil-észterek) álló üzemanyag – ez az ASTM D6551 szabvány szerint. Az ASTM egy olyan dokumentum, amely bizonyos típusú vegyi anyagokra, különösen ipari anyagokra vonatkozó szabványokat tartalmaz. Ez egy szószátyár meghatározás, amely nem igazán mutatja meg, hogy kémiailag miről van szó.
Az alkilcsoportról beszélve tehát egy szénhidrogénláncban csak szén- és hidrogénatomokat tartalmazó egyértékű gyök, amelynek általános atomi képlete CnH2n+1. Példák:
A másik kifejezés, amit ismernünk kell, az észter. Az észterek olyan szerves vegyületek, ahol a karbonsavban egy alkilcsoport helyettesíti a hidrogénatomot. Ha például a sav az ecetsav, az alkilcsoport pedig a metilcsoport, akkor a keletkező észtert metil-acetátnak nevezzük. Az ecetsav és a metanol reakciója során metil-acetát és víz keletkezik; a reakciót az alábbi 9.6. ábra mutatja. Az így keletkező észter kondenzációs reakció; észteresítésnek is nevezik. Ezeket az észtereket karboxilátésztereknek is nevezik.
Ez az alapvető reakció, amelynek segítségével biodízel képződik. A 9.7. ábra mutatja a biodízel kémiai szerkezetének különböző részeit, a zsírsav metil-észterét, vagyis a zsírsav-metil-észtert (FAME).
Szóval, ezen a ponton győződjünk meg arról, hogy tudjuk, miről beszéltünk. A biodízel egy zsírsav metil- (vagy etil-) észtere. Növényi olajból készül, de nem növényi olaj. Ha 100%-os biodízelünk van, akkor azt B100-nak nevezzük – ez olyan növényi olaj, amelyet átésztereztek, hogy biodízel legyen belőle. Meg kell felelnie az ASTM biodízel-szabványoknak, hogy megfeleljen a garanciáknak, és biodízelként értékesíthető legyen, valamint jogosult legyen bármilyen adójóváírásra. Leggyakrabban kőolajalapú dízelhez keverik. Ha B2, akkor 2% biodízel és 98% kőolaj alapú dízel. Más keverékek közé tartoznak a következők: B5 (5% biodízel), B20 (20% biodízel) és B100 (100% biodízel). A következő részben tárgyaljuk, hogy miért használnak keverékeket. És hogy egyértelmű legyen: néha növényi olajat használnak a dízelmotorokban, de ez teljesítményproblémákat okozhat és idővel tönkreteheti a motorokat. Néha a növényi olajat és az alkoholt emulzióban keverik össze, de ez még mindig nem biodízel, mivel más tulajdonságokkal rendelkezik, mint a biodízel.
Ha tehát a tiszta növényi olaj (SVO) működik egy dízelmotorban, miért ne használnánk? A növényi olaj lényegesen viszkózusabb (ragacsos a nem műszaki kifejezés) és rosszabb égési tulajdonságokkal rendelkezik. Okozhat: szénlerakódásokat, rossz kenést a motoron belül, és a motor kopását, valamint hidegindítási problémákat. A növényi olajok természetes mézgákat tartalmaznak, amelyek dugulást okozhatnak a szűrőkben és az üzemanyag-befecskendezőkben. A dízelmotorok esetében pedig a befecskendezés időzítése felborul, és ez a motor kopogását okozhatja. Vannak módszerek e problémák mérséklésére, amelyek a következők: 1) keverés kőolaj alapú gázolajjal (általában < 20%), 2) az olaj előmelegítése, 3) mikroemulziók készítése alkoholokkal, 4) a növényi olaj “feltörése”, és 5) az SVO biodízellé alakításának módszere átészterezéssel. Más módszereket is alkalmaznak, de most az átészterezésből származó biodízelre összpontosítunk. A 9.1. táblázat a 2-es számú dízel, a biodízel és a növényi olaj három tulajdonságát mutatja be. Mint látható, a fő változás a viszkozitásban van. A 2-es számú dízel és a biodízel viszkozitása hasonló, de a növényi olajok viszkozitása sokkal nagyobb, és hideg időben komoly problémákat okozhat. Ez a fő oka annak, hogy az SVO-t biodízellé alakítják át.
| üzemanyag | Energiatartalom (Btu/gal) |
Cetánszám | Viszkozitás (centistokes) |
|---|---|---|---|
| No. 2 Dízel | 140,000 | 48 | 3 |
| Biodízel | 130,000 | 55 | 5.7 |
| Növényolaj | 130.000 | 50 | 45 |
