9.1 植物油と動物性油脂の用語
脂質は生化学における化合物の一種である脂質の総称であり、植物性油脂は植物性油脂の総称です。 動物組織や一部の植物に含まれる脂っぽい固形物、つまり室温で固体の油としてご存じでしょう。
植物油は、植物から抽出された脂肪のことです。 植物の他の部分から油を抽出できる場合もありますが、植物油の主な原料は種子です。 一般的に、植物油は料理や工業用として使用されます。 水と比較して、油脂は沸点が非常に高い。 しかし、植物油の中には食用に適さないものもある。このような種子から採れる油は、不快な風味や有害な化学物質を取り除くために、さらなる加工が必要となるためである。 菜種油や綿実油などです。
動物性油脂は、さまざまな動物から採れます。 タローは牛の脂肪で、ラードは豚の脂肪です。 また、鶏の脂肪、鯨の脂身、タラの肝油、ギー（バターの脂身）などもあります。
化学的には、油脂は「トリグリセリド」とも呼ばれます。 これらはグリセロールのエステルであり、脂肪酸のブレンドは様々である。 図9.1に化学式を用いない一般的な構造図を示します。
ではグリセロールとは何でしょう。 グリセリン/グリセリンとも呼ばれます。 グリセロールの他の呼び名としては 1,2,3-プロパントリオール、1,2,3-トリヒドロキシプロパン、グリセリトール、およびグリシルアルコール。 無色、無臭で吸湿性があり、甘味のある粘性のある液体です。 図9.2に2種類の化学構造を示す。
そこで今度は脂肪酸が何かを定義する必要がある。 本来、脂肪酸はカルボン酸を持つ長鎖炭化水素である。 図9.3aはカルボン酸を載せた脂肪酸の一般的な化学構造です。
Figure 9.3b: Different fatty acid chemical structures.図に示すように、カルボン酸は脂肪酸の一般的な化学構造で、カルボニックは脂肪酸の一種です。 化学構造は線化学構造として示されており、リンク上の各点は炭素原子であり、水素原子の正しい数は単結合か二重結合かによって決まる。 脂肪酸は飽和（水素結合を持つ）または不飽和（炭素原子間にいくつかの二重結合を持つ）であることができる。 油糧作物の代謝のため、天然に形成される脂肪酸は偶数の炭素原子を含んでいる。 有機化学では、炭素原子は他の炭素、水素、または酸素原子と共有できる電子の4つのペアを持っています。 遊離脂肪酸は、グリセロールや他の分子に結合していません。 それらはトリグリセリドの分解または加水分解から形成することができる。
示した脂肪酸はわずかに異なる性質を持っている。 パルミチン酸はパーム油に含まれる。 図9.4は、各脂肪酸の大きさと飽和度の関係を示したものである。 パルミチン酸とステリン酸は飽和脂肪酸で、オレイン酸とリノール酸は二重結合の量が異なる不飽和脂肪酸である。 図9.4は二重結合の数に対して炭素原子の量が異なることを示している
Figure 9.5a はトリグリセリドの脂肪酸である部分とグリセロールである部分を、今回は化学構造も含めて示したものである。 ここで示した化学構造は飽和トリグリセリドです。
さて、ここまで油脂とは何かについて解説してきました。 さて、バイオディーゼルとは何でしょうか。 少なくとも1つの定義は何でしょうか。 それは、バイオマスから生成されたディーゼル燃料である。 ただし、バイオディーゼルにはさまざまな種類があります。 最も一般的に知られているバイオディーゼルは、植物油や動物性脂肪から得られる長鎖脂肪酸のモノアルキルエステル（通常はメチルまたはエチルエステル）からなる燃料で、これはASTM D6551によるものです。 ASTMとは、特定の種類の化学物質、特に工業材料に関する規格を記載した文書である。
そこで、アルキル基について話すと、それは炭化水素鎖の中に炭素原子と水素原子だけを含む1価のラジカルで、一般的な原子式はCnH2n+1である。 例としては、
我々が知る必要のあるもう一つの用語は、エステルである。 エステルとは、カルボン酸の水素原子をアルキル基で置き換えた有機化合物のことです。 たとえば、酸が酢酸で、アルキル基がメチル基の場合、できるエステルは酢酸メチルと呼ばれます。 酢酸とメタノールを反応させると、酢酸メチルと水ができますが、その反応を下図に示します（図9.6）。 このようにして生成されたエステルは縮合反応であり、エステル化とも呼ばれる。 このエステルはカルボン酸エステルとも呼ばれます。
これがバイオディーゼル生成に役立つ基礎反応である。 図9.7は、バイオディーゼルである脂肪酸メチルエステル（FAME）の化学構造の異なる部分を示している。
では、この時点で、これまで議論してきたことを確認しておきましょう。 バイオディーゼルは、脂肪酸のメチル（またはエチル）エステルです。 植物油から作られますが、植物油ではありません。 100％バイオディーゼルの場合、それはB100と呼ばれ、植物油をトランスエステル化してバイオディーゼルにしたものです。 バイオディーゼルとして販売し、税額控除を受けるためには、ASTMのバイオディーゼル基準を満たす必要があります。 多くの場合、石油系ディーゼルとブレンドされる。 B2であれば、2%のバイオディーゼルと98%の石油系ディーゼルが混合されている。 その他のブレンドは以下の通り。 B5（バイオディーゼル5％）、B20（バイオディーゼル20％）、B100（バイオディーゼル100％）などがある。 なぜブレンドが使われるかは、次の項で説明する。 なお、ディーゼルエンジンに植物油を使用することもあるが、性能上の問題やエンジンの経年劣化を引き起こす可能性があることを明記しておく。 また、植物油とアルコールを混合してエマルジョンにしたものもありますが、これはバイオディーゼルとは性質が異なるので、やはりバイオディーゼルとはいえません
では、ストレート植物油（SVO）がディーゼルエンジンで動くなら、なぜそれを使わないのでしょうか？ 植物油はかなり粘度が高く（ベトベトは専門外の用語）、燃焼特性も悪い。 炭素の沈着、エンジン内の潤滑不良、エンジンの摩耗、冷間始動の問題などを引き起こす可能性があります。 植物性オイルには天然のガムが含まれており、フィルターや燃料噴射装置を詰まらせることがある。 また、ディーゼルエンジンの場合、噴射タイミングが狂い、エンジンノッキングの原因となる。 これらの問題を軽減するために、以下のような方法があります。 1）石油系ディーゼルとブレンドする（通常20％）、2）油を予熱する、3）アルコールでマイクロエマルションを作る、4）植物油を「分解」する、5）トランスエステル化によりSVOをバイオディーゼルに変換する方法、などである。 他の方法も用いられるが、ここでは、トランスエステル化によるバイオディーゼルを取り上げる。 表9.1に、2号軽油、バイオディーゼル、植物油の3つの特性を示す。 ご覧のように、主な変化は粘度である。 2号軽油とバイオディーゼルは粘度がほぼ同じであるが、植物油は粘度が高く、寒冷地では大きな問題となる。 これがSVOをバイオディーゼルに変換する最大の理由である。
| Fuel | Cetane Number | ||
|---|---|---|---|
| No. 2 ディーゼル | 140,000 | 48 | 3 |
| バイオディーゼル | 130,000 | 55 | 5号.7 |
| 植物油 | 130000 | 50 | 45 |
