9.1 Terminologia per Oli Vegetali e Grassi Animali
Il grasso è un termine generico per lipidi, una classe di composti in biochimica. Li conoscete come materiali grassi e solidi che si trovano nei tessuti animali e in alcune piante – oli che sono solidi a temperatura ambiente.
L’olio vegetale è il grasso estratto da fonti vegetali. Possiamo essere in grado di estrarre olio da altre parti di una pianta, ma i semi sono la principale fonte di olio vegetale. Tipicamente, gli oli vegetali sono usati in cucina e per usi industriali. Rispetto all’acqua, gli oli e i grassi hanno un punto di ebollizione molto più alto. Tuttavia, ci sono alcuni oli vegetali che non sono buoni per il consumo umano, poiché gli oli di questi tipi di semi richiedono un’ulteriore lavorazione per rimuovere sapori sgradevoli o addirittura sostanze chimiche tossiche. Questi includono l’olio di colza e di semi di cotone.
I grassi animali provengono da diversi animali. Il sego è il grasso di manzo e lo strutto è il grasso di maiale. C’è anche il grasso di pollo, il blubber (dalle balene), l’olio di fegato di merluzzo e il ghee (che è un grasso di burro). I grassi animali tendono ad avere più acidi grassi liberi degli oli vegetali.
Chimicamente, i grassi e gli oli sono anche chiamati “trigliceridi”. Sono esteri di glicerolo, con una miscela variabile di acidi grassi. La figura 9.1 mostra un diagramma generico della struttura senza usare formule chimiche.
Cos’è dunque il glicerolo? È anche conosciuto come glicerina/glicerina. Altri nomi per il glicerolo includono: 1,2,3-propano-triolo, 1,2,3-tri-idrossi-propano, gliceritolo e alcol glicilico. È un liquido viscoso incolore, inodore, igroscopico (cioè, attira l’acqua) e dal sapore dolce. La figura 9.2 mostra la struttura chimica in due forme diverse.
Ora dobbiamo definire cosa sono gli acidi grassi. Essenzialmente, gli acidi grassi sono idrocarburi a catena lunga con un acido carbossilico. La figura 9.3a mostra la struttura chimica generica di un acido grasso con l’acido carbossilico sopra.
La figura 9.3b mostra diverse strutture chimiche degli acidi grassi. Le strutture chimiche sono mostrate come strutture chimiche lineari, dove ogni punto sui collegamenti è un atomo di carbonio e il numero corretto di atomi di idrogeno dipende dal fatto che ci sia un legame singolo o doppio. Gli acidi grassi possono essere saturi (con legami idrogeno) o insaturi (con alcuni doppi legami tra gli atomi di carbonio). A causa del metabolismo dei semi oleosi, gli acidi grassi formati in natura contengono un numero pari di atomi di carbonio. Nella chimica organica, gli atomi di carbonio hanno quattro coppie di elettroni disponibili da condividere con un altro atomo di carbonio, idrogeno o ossigeno. Gli acidi grassi liberi non sono legati al glicerolo o ad altre molecole. Possono essere formati dalla scomposizione o idrolisi di un trigliceride.
Gli acidi grassi mostrati hanno proprietà leggermente diverse. L’acido palmitico si trova nell’olio di palma. La figura 9.4 mostra la relazione di ogni acido grasso con la sua dimensione e saturazione. Gli acidi palmitico e sterico sono acidi grassi saturi, mentre gli acidi oleico e linoleico sono insaturi con diverse quantità di doppi legami. La figura 9.4 mostra diverse quantità di atomi di carbonio rispetto al numero di doppi legami nel composto.
Figura 9.5a mostra la parte del trigliceride che è un acido grasso e la parte che è glicerolo, includendo questa volta le strutture chimiche. La struttura chimica mostrata qui è un trigliceride saturo.
Allora, abbiamo discusso cosa sono i grassi e gli oli. Ora, cos’è il biodiesel? Qual è almeno una definizione? È un carburante diesel generato dalla biomassa. Tuttavia, ci sono diversi tipi di biodiesel. Il tipo più comunemente conosciuto di biodiesel è un carburante composto da esteri monoalchilici (tipicamente esteri metilici o etilici) di acidi grassi a lunga catena derivati da oli vegetali o grassi animali – questo secondo ASTM D6551. Un ASTM è un documento che contiene gli standard per particolari tipi di sostanze chimiche, in particolare materiali industriali. Questa è una definizione prolissa che non ci mostra veramente cos’è chimicamente.
Quindi quando parliamo di un gruppo alchilico, è un radicale univalente contenente solo atomi di carbonio e idrogeno in una catena idrocarburica, con una formula atomica generale di CnH2n+1. Gli esempi includono:
Un altro termine che dobbiamo conoscere è un estere. Gli esteri sono composti organici in cui un gruppo alchilico sostituisce un atomo di idrogeno in un acido carbossilico. Per esempio, se l’acido è l’acido acetico e il gruppo alchilico è il gruppo metile, l’estere risultante si chiama acetato di metile. La reazione dell’acido acetico con il metanolo formerà acetato di metile e acqua; la reazione è mostrata sotto nella figura 9.6. Un estere formato con questo metodo è una reazione di condensazione; è anche conosciuta come esterificazione. Questi esteri sono anche chiamati esteri carbossilati.
Questa è la reazione base che aiuta a formare il biodiesel. La figura 9.7 mostra le diverse parti della struttura chimica del biodiesel, l’estere metilico dell’acido grasso, o estere metilico dell’acido grasso (FAME).
A questo punto, assicuriamoci di sapere di cosa abbiamo discusso. Il biodiesel è un estere metilico (o etilico) di un acido grasso. Si ottiene dall’olio vegetale, ma non è olio vegetale. Se abbiamo il 100% di biodiesel, è conosciuto come B100 – è un olio vegetale che è stato transesterificato per fare biodiesel. Deve soddisfare gli standard ASTM del biodiesel per qualificarsi per le garanzie e vendere come biodiesel e qualificarsi per qualsiasi credito d’imposta. Il più delle volte, è mescolato con il diesel a base di petrolio. Se è B2, ha il 2% di biodiesel e il 98% di diesel a base di petrolio. Altre miscele includono: B5 (5% biodiesel), B20 (20% biodiesel), e B100 (100% biodiesel). Parleremo del perché si usano le miscele nella sezione seguente. E per essere chiari: a volte l’olio vegetale viene usato nei motori diesel, ma può causare problemi di prestazioni e deteriorare i motori nel tempo. A volte, l’olio vegetale e l’alcool sono mescolati insieme in emulsioni, ma questo non è ancora biodiesel, poiché ha proprietà diverse dal biodiesel.
Quindi, se l’olio vegetale puro (SVO) funziona in un motore diesel, perché non usarlo? L’olio vegetale è significativamente più viscoso (appiccicoso è un termine non tecnico) e ha proprietà di combustione più scadenti. Può causare: depositi di carbonio, scarsa lubrificazione all’interno del motore e usura del motore, e ha problemi di avviamento a freddo. Gli oli vegetali hanno delle gomme naturali che possono causare l’intasamento dei filtri e degli iniettori di carburante. E per un motore diesel, la fasatura dell’iniezione è sballata e può causare il battito del motore. Ci sono modi per mitigare questi problemi, che includono: 1) miscelare con diesel a base di petrolio (di solito < 20%), 2) preriscaldare l’olio, 3) fare microemulsioni con alcoli, 4) “spaccare” l’olio vegetale, e 5) usare il metodo di conversione dello SVO in biodiesel usando la transesterificazione. Si usano anche altri metodi, ma per ora ci concentreremo sul biodiesel dalla transesterificazione. La tabella 9.1 mostra tre proprietà del diesel n. 2, del biodiesel e dell’olio vegetale. Come potete vedere, il cambiamento principale è nella viscosità. Il diesel n. 2 e il biodiesel hanno viscosità simili, ma gli oli vegetali hanno molta viscosità e possono causare grossi problemi quando fa freddo. Questa è la ragione principale per convertire lo SVO in biodiesel.
| Carburante | Contenuto energetico (Btu/gal) |
Numero di cetano | Viscosità (centistokes) |
|---|---|---|---|
| No. 2 Diesel | 140.000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130.000 | 55 | 5.7 |
| Olio vegetale | 130.000 | 50 | 45 |
