9.1 Terminologi för vegetabiliska oljor och animaliska fetter
Fett är en samlingsbeteckning för lipider, en klass av föreningar inom biokemin. Du känner till dem som feta, fasta material som finns i djurvävnader och i vissa växter – oljor som är fasta ämnen vid rumstemperatur.
Vegetabilisk olja är det fett som extraheras från vegetabiliska källor. Vi kan kanske utvinna olja från andra delar av en växt, men frön är den huvudsakliga källan till vegetabilisk olja. Vanligtvis används vegetabiliska oljor i matlagning och för industriell användning. Jämfört med vatten har oljor och fetter en mycket högre kokpunkt. Det finns dock vissa växtoljor som inte är bra för mänsklig konsumtion, eftersom oljor från dessa typer av frön skulle kräva ytterligare bearbetning för att avlägsna obehagliga smaker eller till och med giftiga kemikalier. Dessa inkluderar rapsolja och bomullsfröolja.
Animaliska fetter kommer från olika djur. Talg är nötköttsfett och ister är fläskfett. Det finns också kycklingfett, späck (från valar), torskleverolja och ghee (som är ett smörfett). Animaliska fetter tenderar att ha fler fria fettsyror än vad vegetabiliska oljor har.
Kemiskt sett kallas fetter och oljor också för ”triglycerider”. De är estrar av glycerol med en varierande blandning av fettsyror. Figur 9.1 visar ett generiskt diagram över strukturen utan att använda kemiska formler.
Vad är då glycerol? Det är också känt som glycerin/glycerin. Andra namn för glycerol är bland annat: Andra namn på glycerin är 1,2,3-propantriol, 1,2,3-trihydroxipropan, glyceritol och glycylalkohol. Det är en färglös, luktfri, hygroskopisk (dvs. den drar till sig vatten) och sötsmakande viskös vätska. Figur 9.2 visar den kemiska strukturen i två olika former.
Så nu måste vi definiera vad fettsyrorna är. I huvudsak är fettsyror långkedjiga kolväten med en karboxylsyra. Figur 9.3a visar den generiska kemiska strukturen för en fettsyra med karboxylsyran på.
Figur 9.3b visar olika kemiska strukturer för fettsyror. De kemiska strukturerna visas som kemiska strukturer i form av linjer, där varje punkt på länkarna är en kolatom och det korrekta antalet väteatomer beror på om det finns en enkel- eller dubbelbindning. Fettsyror kan vara mättade (med vätebindningar) eller omättade (med några dubbelbindningar mellan kolatomerna). På grund av ämnesomsättningen i oljeväxter innehåller naturligt bildade fettsyror ett jämnt antal kolatomer. I organisk kemi har kolatomer fyra elektronpar som de kan dela med en annan kol-, väte- eller syreatom. Fria fettsyror är inte bundna till glycerol eller andra molekyler. De kan bildas vid nedbrytning eller hydrolys av en triglycerid.
Fettsyrorna som visas har något olika egenskaper. Palmitinsyra finns i palmolja. Figur 9.4 visar förhållandet mellan varje fettsyra och dess storlek och mättnad. Palmitinsyra och sterinsyra är mättade fettsyror, medan oljesyra och linolsyra är omättade med olika mängd dubbelbindningar. Figur 9.4 visar olika mängder kolatomer jämfört med antalet dubbelbindningar i föreningen.
Figur 9.5a visar den del av triglyceriden som är en fettsyra och den del som är glycerol, inklusive kemiska strukturer denna gång. Den kemiska strukturen som visas här är en mättad triglycerid.
Så, vi har diskuterat vad fetter och oljor är. Nu undrar vi vad biodiesel är. Vad är minst en definition? Det är ett dieselbränsle som genererats från biomassa. Det finns dock olika typer av biodiesel. Den mest kända typen av biodiesel är ett bränsle som består av monoalkylestrar (vanligtvis metyl- eller etylestrar) av långkedjiga fettsyror som härrör från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter – detta enligt ASTM D6551. En ASTM är ett dokument som innehåller standarder för vissa typer av kemikalier, särskilt industriella material. Detta är en ordrik definition som inte riktigt visar oss vad det är kemiskt.
När vi talar om en alkylgrupp är det alltså en ovalent radikal som endast innehåller kol- och väteatomer i en kolvätekedja, med den allmänna atomformeln CnH2n+1. Exempel är:
En annan term som vi behöver känna till är en ester. Estrar är organiska föreningar där en alkylgrupp ersätter en väteatom i en karboxylsyra. Om syran till exempel är ättiksyra och alkylgruppen är metylgruppen kallas den resulterande estern metylacetat. Vid reaktion av ättiksyra med metanol bildas metylacetat och vatten; reaktionen visas nedan i figur 9.6. En ester som bildas med denna metod är en kondensationsreaktion; den kallas också för förestring. Dessa estrar kallas också för karboxylatestrar.
Detta är den grundläggande reaktionen som bidrar till att bilda biodiesel. Figur 9.7 visar de olika delarna av biodieselns kemiska struktur, metylesterfettsyran eller fettsyrametylester (FAME).
Så, vid det här laget ska vi se till att vi vet vad vi har diskuterat. Biodiesel är en metyl- (eller etyl-) ester av en fettsyra. Den tillverkas av vegetabilisk olja, men det är inte vegetabilisk olja. Om vi har 100 procent biodiesel kallas den B100 – det är en vegetabilisk olja som har transesterifierats för att göra biodiesel. Den måste uppfylla ASTM:s biodieselstandarder för att vara berättigad till garantier och säljas som biodiesel och berättigar till eventuella skattelättnader. Oftast blandas den med petroleumbaserad diesel. Om det är B2 innehåller den 2 % biodiesel och 98 % petroleumbaserad diesel. Andra blandningar är t.ex: B5 (5 % biodiesel), B20 (20 % biodiesel) och B100 (100 % biodiesel). Vi kommer att diskutera varför blandningar används i följande avsnitt. Och för att vara tydlig: ibland används vegetabilisk olja i dieselmotorer, men den kan orsaka prestandaproblem och försämra motorerna med tiden. Ibland blandas vegetabilisk olja och alkohol i emulsioner, men det är fortfarande inte biodiesel, eftersom det har andra egenskaper än biodiesel.
Så, om ren vegetabilisk olja (SVO) kan köras i en dieselmotor, varför inte använda den? Vegetabilisk olja är betydligt mer viskös (gooey är en icke-teknisk term) och har sämre förbränningsegenskaper. Den kan orsaka kolavlagringar, dålig smörjning i motorn, slitage av motorn och problem med kallstart. Vegetabiliska oljor har naturliga gummiarter som kan orsaka stopp i filter och bränsleinjektorer. För en dieselmotor kan insprutningstidpunkten rubbas och orsaka knackning i motorn. Det finns sätt att minska dessa problem, bland annat: 1) blanda med petroleumbaserad diesel (vanligtvis < 20 %), 2) förvärma oljan, 3) göra mikroemulsioner med alkoholer, 4) ”knäcka” den vegetabiliska oljan och 5) använda metoden för att omvandla SVO till biodiesel med hjälp av transesterifiering. Andra metoder används också, men för tillfället kommer vi att fokusera på biodiesel från transesterifiering. Tabell 9.1 visar tre egenskaper hos diesel nr 2, biodiesel och vegetabilisk olja. Som du kan se är den största förändringen viskositeten. No. 2 diesel och biodiesel har viskositeter som är likartade, men vegetabiliska oljor har mycket viskositet och kan orsaka stora problem i kallt väder. Detta är det främsta skälet till att omvandla SVO till biodiesel.
| Bränsle | Energieinnehåll (Btu/gal) |
Cetantal | Viskositet (centistokes) |
|---|---|---|---|
| Nr. 2 Diesel | 140 000 | 48 | 3 |
| Biodiesel | 130 000 | 55 | 5.7 |
| Vegetabilisk olja | 130 000 | 50 | 45 |
