9.1 Terminologie pentru uleiurile vegetale și grăsimile animale
Grăsimea este un termen generic pentru lipide, o clasă de compuși în biochimie. Le cunoașteți ca fiind materiale unsuroase, solide, care se găsesc în țesuturile animale și în unele plante – uleiuri care sunt solide la temperatura camerei.
Uleiul vegetal este grăsimea extrasă din surse vegetale. Este posibil să putem extrage ulei din alte părți ale unei plante, dar semințele sunt principala sursă de ulei vegetal. În mod obișnuit, uleiurile vegetale sunt folosite la gătit și pentru utilizări industriale. În comparație cu apa, uleiurile și grăsimile au un punct de fierbere mult mai ridicat. Cu toate acestea, există unele uleiuri vegetale care nu sunt bune pentru consumul uman, deoarece uleiurile din aceste tipuri de semințe ar necesita o prelucrare suplimentară pentru a elimina aromele neplăcute sau chiar substanțele chimice toxice. Printre acestea se numără uleiul de rapiță și de semințe de bumbac.
Grăsimile animale provin de la diferite animale. Seva este grăsimea de vită, iar untura este grăsimea de porc. Există, de asemenea, grăsime de pui, untură (de la balene), ulei de ficat de cod și ghee (care este o grăsime de unt). Grăsimile animale tind să aibă mai mulți acizi grași liberi decât uleiurile vegetale.
Din punct de vedere chimic, grăsimile și uleiurile se mai numesc și „trigliceride”. Ele sunt esteri de glicerol, cu un amestec variabil de acizi grași. Figura 9.1 prezintă o diagramă generică a structurii fără a folosi formule chimice.
Ce este deci glicerolul? Este cunoscut și sub denumirea de glicerină/glicerină. Alte denumiri pentru glicerol includ: 1,2,3-propan-triol, 1,2,3-tri-hidroxi-propan, gliceritol și alcool glicilic. Este un lichid vâscos incolor, inodor, higroscopic (adică va atrage apa) și cu gust dulce. Figura 9.2 prezintă structura chimică în două forme diferite.
Acum trebuie să definim ce sunt acizii grași. În esență, acizii grași sunt hidrocarburi cu lanț lung cu un acid carboxilic. Figura 9.3a prezintă structura chimică generică a unui acid gras cu acidul carboxilic pe ea.
Figura 9.3b prezintă diferite structuri chimice ale acizilor grași. Structurile chimice sunt prezentate ca structuri chimice liniare, în care fiecare punct de pe legături reprezintă un atom de carbon, iar numărul corect de atomi de hidrogen depinde de existența unei legături simple sau duble. Acizii grași pot fi saturați (cu legături de hidrogen) sau nesaturați (cu unele legături duble între atomii de carbon). Din cauza metabolismului culturilor de semințe oleaginoase, acizii grași formați în mod natural conțin un număr par de atomi de carbon. În chimia organică, atomii de carbon au patru perechi de electroni disponibili pentru a fi împărțiți cu un alt atom de carbon, hidrogen sau oxigen. Acizii grași liberi nu sunt legați de glicerol sau de alte molecule. Ei se pot forma din descompunerea sau hidroliza unei trigliceride.
Acizii grași prezentați au proprietăți ușor diferite. Acidul palmitic se găsește în uleiul de palmier. Figura 9.4 prezintă relația dintre fiecare acid gras și dimensiunea și saturația sa. Acizii palmitic și steric sunt acizi grași saturați, în timp ce acizii oleic și linoleic sunt nesaturați, cu cantități diferite de legături duble. Figura 9.4 prezintă cantități diferite de atomi de carbon în comparație cu numărul de legături duble din compus.
Figura 9.5a prezintă partea din trigliceride care este un acid gras și partea care este glicerol, incluzând de această dată structurile chimice. Structura chimică prezentată aici este o trigliceridă saturată.
Am discutat despre ce sunt grăsimile și uleiurile. Acum, ce este biodieselul? Care este cel puțin o definiție? Este un combustibil diesel care a fost generat din biomasă. Cu toate acestea, există diferite tipuri de biodiesel. Cel mai cunoscut tip de biodiesel este un combustibil compus din esteri monoalchilici (de obicei, esteri metilici sau etilici) de acizi grași cu lanț lung derivați din uleiuri vegetale sau grăsimi animale – aceasta este conform ASTM D6551. Un ASTM este un document care conține standardele pentru anumite tipuri de substanțe chimice, în special materiale industriale. Aceasta este o definiție stufoasă care nu ne arată cu adevărat ce este din punct de vedere chimic.
Atunci când vorbim despre o grupare alchil, aceasta este un radical univalent care conține numai atomi de carbon și hidrogen într-un lanț de hidrocarburi, cu formula atomică generală de CnH2n+1. Exemplele includ:
Un alt termen pe care trebuie să-l cunoaștem este esterul. Esterii sunt compuși organici în care o grupare alchil înlocuiește un atom de hidrogen într-un acid carboxilic. De exemplu, dacă acidul este acidul acetic, iar grupa alchil este grupa metil, esterul rezultat se numește acetat de metil. Reacția acidului acetic cu metanol va forma acetat de metil și apă; reacția este prezentată mai jos, în figura 9.6. Un ester format prin această metodă este o reacție de condensare; este cunoscută și sub numele de esterificare. Acești esteri se mai numesc și esteri carboxilați.
Aceasta este reacția de bază care ajută la formarea biodieselului. Figura 9.7 prezintă diferitele părți ale structurii chimice a biodieselului, esterul metilic al acidului gras, sau esterul metilic al acidului gras (FAME).
Deci, în acest moment, să ne asigurăm că știm despre ce am discutat. Biodieselul este un ester metilic (sau etilic) al unui acid gras. Este obținut din ulei vegetal, dar nu este ulei vegetal. Dacă avem biodiesel 100%, acesta este cunoscut sub numele de B100 – este un ulei vegetal care a fost transesterificat pentru a obține biodiesel. Trebuie să îndeplinească standardele ASTM pentru biomotorină pentru a se califica pentru garanții și pentru a se vinde ca biomotorină și a se califica pentru orice credite fiscale. Cel mai adesea, este amestecat cu motorină pe bază de petrol. Dacă este B2, are 2% biodiesel și 98% motorină pe bază de petrol. Alte amestecuri includ: B5 (5% biodiesel), B20 (20% biodiesel) și B100 (100% biodiesel). Vom discuta de ce se folosesc amestecurile în secțiunea următoare. Și ca să fie clar: uneori se folosește ulei vegetal în motoarele diesel, dar acesta poate cauza probleme de performanță și poate deteriora motoarele în timp. Uneori, uleiul vegetal și alcoolul sunt amestecate împreună în emulsii, dar asta tot nu este biodiesel, deoarece are proprietăți diferite de biodiesel.
Deci, dacă uleiul vegetal simplu (SVO) va funcționa într-un motor diesel, de ce să nu-l folosim? Uleiul vegetal este semnificativ mai vâscos (gumos este un termen non-tehnic) și are proprietăți de combustie mai slabe. Poate cauza: depuneri de carbon, lubrifiere slabă în motor și uzură a motorului și are probleme de pornire la rece. Uleiurile vegetale au gume naturale care pot provoca înfundarea filtrelor și a injectoarelor de combustibil. Iar în cazul unui motor diesel, sincronizarea injecției este dezechilibrată și poate provoca pocnirea motorului. Există modalități de atenuare a acestor probleme, care includ: 1) amestecarea cu motorină pe bază de petrol (de obicei < 20%), 2) preîncălzirea uleiului, 3) realizarea de microemulsii cu alcooli, 4) „spargerea” uleiului vegetal și 5) utilizarea metodei de conversie a SVO în biodiesel prin transesterificare. Se folosesc și alte metode, dar, deocamdată, ne vom concentra pe biodieselul obținut prin transesterificare. Tabelul 9.1 prezintă trei proprietăți ale motorinei nr. 2, ale biodieselului și ale uleiului vegetal. După cum puteți vedea, principala schimbare este în ceea ce privește vâscozitatea. Motorina nr. 2 și biodieselul au vâscozități care sunt similare, dar uleiurile vegetale au multă vâscozitate și pot cauza probleme majore pe vreme rece. Acesta este principalul motiv pentru transformarea SVO în biodiesel.
| Combustibil | Conținut energetic (Btu/gal) |
Numărul cetanului | Vâscozitate (centistokes) |
||
|---|---|---|---|---|---|
| Nr. 2 Diesel | 140.000 | 48 | 3 | ||
| Biodiesel | 130.000 | 55 | 5.7 | ||
| Ulei vegetal | 130,000 | 50 | 45 |
.
