Производство биодизеля

Производство биодизеля это процесс производства биотоплива , биодизеля , посредством химических реакций переэтерификации – и этерификации . ^{[ 1 ]} В результате этого процесса образуются продукт (химия) и побочные продукты .

Жиры и масла реагируют с короткоцепочечными спиртами (обычно метанолом или этанолом ). Используемые спирты должны иметь низкую молекулярную массу. Этанол является наиболее используемым из-за его низкой стоимости, однако более высокая конверсия в биодизель может быть достигнута с использованием метанола. Хотя реакция переэтерификации может катализироваться как кислотами, так и основаниями, реакция, катализируемая основаниями, является более распространенной. Этот путь имеет меньшее время реакции и стоимость катализатора, чем кислотный катализ. Однако щелочной катализ имеет недостаток, заключающийся в высокой чувствительности как к воде, так и к свободным жирным кислотам, присутствующим в маслах. ^{[ 2 ]}

Этапы процесса биопереработки

Основные этапы, необходимые для синтеза биодизеля, следующие:

Предварительная обработка сырья

Сырье ^{[ 3 ]}

Обычное сырье, используемое в производстве биодизеля, включает:

Желтая смазка (переработанное растительное масло)
Топливо растительное масло
сальный

Лигноцеллюлоза образует побочные продукты, которые действуют как ингибиторы ферментов , такие как уксусная кислота , фурфурол , муравьиная кислота , ванилин , и эти химические ингибиторы влияют на рост клеток . ^{[ 4 ]}

Переработанное масло обрабатывается для удаления примесей, возникших в результате приготовления, хранения и обращения, таких как грязь, обугленные продукты и вода. Натуральные масла рафинируются, но не до пищевого уровня. Рафинирование для удаления фосфолипидов и других растительных веществ является обычным явлением, хотя процессы очистки различаются. ^{[ нужен лучший источник ]}^{[ 5 ]} Вода удаляется, поскольку ее присутствие во время переэтерификации, катализируемой основаниями, приводит к омылению (гидролизу) триглицеридов, получается мыло . в результате чего вместо биодизельного топлива ^{[ нужна ссылка ]}

Затем образец очищенного сырья тестируют путем титрования стандартизированным базовым раствором для определения концентрации свободных жирных кислот, присутствующих в образце растительного масла. ^{[ нужна ссылка ]} Затем кислоты либо удаляются (обычно путем нейтрализации), либо этерифицируются с получением биодизельного топлива. ^{[ нужна ссылка ]} (или глицериды ^{[ нужна ссылка ]}).

Реакции

Переэтерификация, катализируемая основаниями, реагирует липиды (жиры и масла) со спиртом (обычно метанолом или этанолом ) с образованием биодизельного топлива и нечистого побочного продукта, глицерина . ^{[ 6 ]} Если используется исходное масло или оно имеет высокое содержание кислоты, кислотно-катализируемую этерификацию можно использовать для реакции жирных кислот со спиртом с получением биодизельного топлива. Другие методы, такие как реакторы с неподвижным слоем, ^{[ 7 ]} сверхкритические реакторы и ультразвуковые реакторы отказываются от использования химических реакций, которые снижают качество веществ в химии, или уменьшают их использование.

Очистка продукта

Продукты реакции включают не только биодизель, но и побочные продукты: мыло, глицерин, избыток спирта и следовые количества воды. Все эти побочные продукты должны быть удалены в соответствии со стандартами, но порядок удаления зависит от процесса.

Плотность глицерина выше, чем у биодизельного топлива, и эта разница в свойствах используется для отделения основной массы побочного продукта глицерина. Остаточный метанол обычно извлекают путем перегонки и используют повторно. Мыло можно удалить или превратить в кислоты. Остаточная вода также удаляется из топлива.

Реакции

Механизм переэтерификации, катализируемый основаниями

Реакция переэтерификации катализируется основаниями. Подойдет любое сильное основание, способное депротонировать спирт (например, NaOH, КОН, метоксид натрия и т. д.), но гидроксиды натрия и калия часто выбирают из-за их стоимости. Присутствие воды вызывает нежелательный гидролиз оснований , поэтому реакцию следует поддерживать в сухом состоянии.

В механизме переэтерификации карбонильный углерод исходного эфира (RCOOR ¹) подвергается нуклеофильной атаке поступающего алкоксида (R ²ТО ⁻) с образованием тетраэдрического промежуточного продукта, который либо возвращается к исходному материалу, либо переходит в переэтерифицированный продукт (RCOOR ²). Различные виды существуют в равновесии, и распределение продуктов зависит от относительных энергий реагента и продукта.

Методы производства

Сверхкритический процесс

Альтернативный метод переэтерификации без катализатора использует сверхкритический метанол при высоких температурах и давлениях в непрерывном процессе. В сверхкритическом состоянии масло и метанол находятся в одной фазе, и реакция протекает самопроизвольно и быстро. ^{[ 8 ]} Этот процесс допускает наличие воды в сырье, свободные жирные кислоты превращаются в метиловые эфиры вместо мыла, поэтому можно использовать широкий спектр сырья. Также исключается этап удаления катализатора. ^{[ 9 ]} Требуются высокие температуры и давления, но энергетические затраты на производство аналогичны или меньше, чем у каталитических способов производства. ^{[ 10 ]}

Линейные и периодические реакторы со сверх- и высоким сдвигом

Линейные или периодические реакторы сверхвысокого и высокого сдвига позволяют производить биодизель непрерывно, полунепрерывно и в периодическом режиме. Это значительно сокращает время производства и увеличивает объем производства. ^{[ нужна ссылка ]}

Реакция происходит в высокоэнергетической зоне сдвига смесителя Ultra- и High Shear за счет уменьшения размера капель несмешивающихся жидкостей, таких как масло или жиры и метанол. Следовательно, чем меньше размер капель, чем больше площадь поверхности, тем быстрее может реагировать катализатор. ^{[ нужна ссылка ]}

Метод ультразвукового реактора

В методе ультразвукового реактора ультразвуковые волны заставляют реакционную смесь постоянно образовывать и схлопывать пузырьки; эта кавитация одновременно обеспечивает перемешивание и нагрев, необходимые для проведения процесса переэтерификации. ^{[ нужна ссылка ]} Использование ультразвукового реактора для производства биодизеля может значительно сократить время реакции, температуру и энергозатраты. ^{[ нужна ссылка ]} Используя такие реакторы, процесс переэтерификации можно проводить в реальном времени, а не использовать трудоемкую периодическую обработку. ^{[ нужна ссылка ]} Ультразвуковые устройства промышленного масштаба позволяют перерабатывать несколько тысяч баррелей в день. ^{[ нужны разъяснения ]}^{[ нужна ссылка ]}

Липаза-катализируемый метод

В последнее время большое количество исследований было сосредоточено на использовании ферментов в качестве катализатора переэтерификации. Исследователи обнаружили, что с помощью липаз можно получить очень хорошие урожаи сырых и отработанных масел . Использование липаз делает реакцию менее чувствительной к высокому содержанию свободных жирных кислот, что является проблемой стандартного процесса биодизельного топлива. Одна из проблем липазной реакции заключается в том, что метанол нельзя использовать, поскольку он инактивирует липазный катализатор после одной партии. Однако если вместо метанола используется метилацетат, липаза не инактивируется и ее можно использовать для нескольких партий, что делает липазную систему гораздо более рентабельной. ^{[ 11 ]}

Летучие жирные кислоты, образующиеся в результате анаэробного сбраживания потоков отходов.

Липиды привлекают значительное внимание в качестве субстрата для производства биодизеля благодаря своим экологическим, нетоксичным и энергоэффективным свойствам. Однако из соображений стоимости внимание должно быть сосредоточено на несъедобных источниках липидов, в частности на маслянистых микроорганизмах. Такие микробы обладают способностью ассимилировать источники углерода из среды и превращать углерод в материалы для хранения липидов. Липиды, накопленные этими маслянистыми клетками, затем могут быть переэтерифицированы с образованием биодизельного топлива. ^{[ 12 ]}

См. также

Ссылки

^ Люнг, Деннис Ю.К.; Ву, Сюань; Люнг, MKH (апрель 2010 г.). «Обзор производства биодизеля с использованием каталитической переэтерификации» . Прикладная энергетика . 87 (4): 1083–1095. Бибкод : 2010ApEn...87.1083L . дои : 10.1016/j.apenergy.2009.10.006 .
^ Анастопулос, Джордж; Заннику, Ипатия; Стурнас, Стамулис; Каллигерос, Стаматис (2009). «Переэтерификация растительных масел этанолом и характеристика основных топливных свойств этиловых эфиров» . Энергии . 2 (5 июня 2009 г.): 362–376. дои : 10.3390/en20200362 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМЦ 7143989 . ПМИД 32210119 . Биодизель можно разделить на три поколения в зависимости от сырья, из которого производится топливо. Биодизель первого поколения производится из пищевых растительных масел, таких как пальмовое масло, соевое масло и кокосовое масло, а биодизель второго поколения производится из несъедобных растительных масел, таких как ятрофа, животные жиры и отработанные масла [...] биодизель последнего поколения получают из микробных липидов. Использование восстановленных животных жиров и масел для жарки второго поколения в качестве сырья для биодизеля позволяет эффективно снизить цену на топливо; однако количество этих жиров и масел ограничено в промышленных масштабах и не может удовлетворить растущие потребности производства биодизеля.
^ Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМЦ 7143989 . ПМИД 32210119 . [P]Повторная обработка и гидролиз лигноцеллюлозной биомассы обычно приводят к образованию ингибирующих соединений, таких как уксусная кислота, фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол, муравьиная кислота и ванилин, которые могут оказывать негативное влияние на рост, метаболизм и образование продуктов микроорганизмов.
^ Брайан, Том (1 июля 2005 г.). «Чисто и просто» . Журнал «Биодизель» (онлайн) . Проверено 18 декабря 2019 г. Компания South Dakota Soybean Processors, расположенная в Волге, Южная Дакота, теперь предлагает SoyPure, предварительно обработанное соевое масло первого отжима под торговой маркой, специально предназначенное для производства биодизельного топлива. Тем временем в соседней Миннесоте скоро появится крупный клиент.
^ Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМК 7143989 . ПМИД 32210119 . Сырой глицерин (CG), побочный продукт заводов по производству биодизельного топлива, который, как было показано, содержит некоторые соединения, ингибирующие рост микроорганизмов, в настоящее время изучается многими исследователями в качестве возможного крупномасштабного источника углерода при производстве липидов. [...] Скорость встряхивания обеспечивает кислород, необходимый для роста дрожжей в культуральном бульоне, и, как следствие, разные скорости приводят к разным уровням растворения кислорода. [...] скорость встряхивания оказалась фактором, оказывающим наибольшее влияние на клеточную массу и концентрацию липидов.
^ C Пирола, Ф. Маненти, Ф. Галли, CL Бьянки, DC Боффито, М. Корбетта (2014). «Гетерогенно катализируемая этерификация свободных жирных кислот в реакторах (монофазная жидкость)/твердый насадочный слой (PBR)». Химическая инженерия, сделка 37: 553-558. АИДИК
^ Бункьякиат, Кунчана; и др. (2006). «Непрерывное производство биодизеля путем переэтерификации растительных масел в сверхкритическом метаноле». Энергия и топливо . 20 (2). Американское химическое общество: 812–817. дои : 10.1021/ef050329b .
^ Вера, ЧР; С.А. Д'Ипполито; К. Л. Пик; Дж. М. Парера (14 августа 2005 г.). «Производство биодизеля двухстадийным сверхкритическим реакционным процессом с адсорбционной очисткой» (PDF) . 2-й Конгресс МЕРКОСУР по химической инженерии, 4-й Конгресс МЕРКОСУР по инженерии технологических систем . Рио-де-Жанейро. Архивировано из оригинала (PDF) 5 февраля 2009 г. Проверено 20 декабря 2007 г.
^ Кусдиана, Дадан; Сака, Сиро. «Биодизельное топливо для заменителя дизельного топлива, полученное из сверхкритического метанола без катализатора» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. Проверено 20 декабря 2007 г.
^ Ду, Вэй; и др. (2004). «Сравнительное исследование катализируемой липазой трансформации соевого масла для производства биодизеля с различными ацил-акцепторами». Журнал молекулярного катализа B: Enzymatic . 30 (3–4): 125–129. дои : 10.1016/j.molcatb.2004.04.004 .
^ Сингх, Гунджан; Джеясилан, Кристина; Бандиопадьяй, КК; Пол, Дебарати (октябрь 2018 г.). «Сравнительный анализ биодизеля, полученного кислотной переэтерификацией липидов, экстрагированных из маслянистых дрожжей Rhodosporidium toruloides» . 3 Биотехнологии . 8 (10): 434. doi : 10.1007/s13205-018-1467-9 . ISSN 2190-572X . ПМК 6170317 . ПМИД 30306003 .

Дальнейшее чтение

Герпен, СП, «Переработка и производство биодизеля», Технология переработки топлива , 2005, 86, 1097–1107. doi : 10.1016/j.fuproc.2004.11.005
Ма, Ф. и Ханна, Массачусетс, «Производство биодизеля: обзор», Bioresource Technology , 1999, 70, 1–15. два : 10.1016/S0960-8524(99)00025-5

Внешние ссылки

«Инновационное смешивание и обработка IKA» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2019 г. Проверено 13 декабря 2019 г. Коммерческое смешивание и переработка, имеющие отношение к производству биодизеля
Быстрая переэтерификация соевого масла с использованием ультразвука
Текущее состояние ультразвуковой обработки для быстрого производства биодизеля
Технология производства биодизеля. Август 2002 г. – январь 2004 г.
UNL Исследования и публикации в области химической и биомолекулярной инженерии
Непрерывный процесс переработки растительных масел в метиловые эфиры жирных кислот
Безопасность биодизеля и передовые методы управления для мелкомасштабного некоммерческого использования и производства. Архивировано 11 февраля 2014 г. в Wayback Machine.

[1] Люнг, Деннис Ю.К.; Ву, Сюань; Люнг, MKH (апрель 2010 г.). «Обзор производства биодизеля с использованием каталитической переэтерификации» . Прикладная энергетика . 87 (4): 1083–1095. Бибкод : 2010ApEn...87.1083L . дои : 10.1016/j.apenergy.2009.10.006 .

[2] Анастопулос, Джордж; Заннику, Ипатия; Стурнас, Стамулис; Каллигерос, Стаматис (2009). «Переэтерификация растительных масел этанолом и характеристика основных топливных свойств этиловых эфиров» . Энергии . 2 (5 июня 2009 г.): 362–376. дои : 10.3390/en20200362 .

[Boon-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМЦ 7143989 . ПМИД 32210119 . Биодизель можно разделить на три поколения в зависимости от сырья, из которого производится топливо. Биодизель первого поколения производится из пищевых растительных масел, таких как пальмовое масло, соевое масло и кокосовое масло, а биодизель второго поколения производится из несъедобных растительных масел, таких как ятрофа, животные жиры и отработанные масла [...] биодизель последнего поколения получают из микробных липидов. Использование восстановленных животных жиров и масел для жарки второго поколения в качестве сырья для биодизеля позволяет эффективно снизить цену на топливо; однако количество этих жиров и масел ограничено в промышленных масштабах и не может удовлетворить растущие потребности производства биодизеля.

[4] Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМЦ 7143989 . ПМИД 32210119 . [P]Повторная обработка и гидролиз лигноцеллюлозной биомассы обычно приводят к образованию ингибирующих соединений, таких как уксусная кислота, фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол, муравьиная кислота и ванилин, которые могут оказывать негативное влияние на рост, метаболизм и образование продуктов микроорганизмов.

[5] Брайан, Том (1 июля 2005 г.). «Чисто и просто» . Журнал «Биодизель» (онлайн) . Проверено 18 декабря 2019 г. Компания South Dakota Soybean Processors, расположенная в Волге, Южная Дакота, теперь предлагает SoyPure, предварительно обработанное соевое масло первого отжима под торговой маркой, специально предназначенное для производства биодизельного топлива. Тем временем в соседней Миннесоте скоро появится крупный клиент.

[6] Буньярит, Джерапан; Полбури, Пирапан; Хаенда, Бонгкот; Чжао, Цзунбао; Лимтонг, Савитри (23 марта 2020 г.). «Производство липидов из гидролизата верхних слоев сахарного тростника и сырого глицерина с помощью Rhodosporidiobolus fluvialis с использованием стратегии двухэтапного периодического культивирования с отдельной оптимизацией каждого этапа» . Микроорганизмы . 8 (3): 453. doi : 10.3390/microorganisms8030453 . ПМК 7143989 . ПМИД 32210119 . Сырой глицерин (CG), побочный продукт заводов по производству биодизельного топлива, который, как было показано, содержит некоторые соединения, ингибирующие рост микроорганизмов, в настоящее время изучается многими исследователями в качестве возможного крупномасштабного источника углерода при производстве липидов. [...] Скорость встряхивания обеспечивает кислород, необходимый для роста дрожжей в культуральном бульоне, и, как следствие, разные скорости приводят к разным уровням растворения кислорода. [...] скорость встряхивания оказалась фактором, оказывающим наибольшее влияние на клеточную массу и концентрацию липидов.

[7] C Пирола, Ф. Маненти, Ф. Галли, CL Бьянки, DC Боффито, М. Корбетта (2014). «Гетерогенно катализируемая этерификация свободных жирных кислот в реакторах (монофазная жидкость)/твердый насадочный слой (PBR)». Химическая инженерия, сделка 37: 553-558. АИДИК

[8] Бункьякиат, Кунчана; и др. (2006). «Непрерывное производство биодизеля путем переэтерификации растительных масел в сверхкритическом метаноле». Энергия и топливо . 20 (2). Американское химическое общество: 812–817. дои : 10.1021/ef050329b .

[9] Вера, ЧР; С.А. Д'Ипполито; К. Л. Пик; Дж. М. Парера (14 августа 2005 г.). «Производство биодизеля двухстадийным сверхкритическим реакционным процессом с адсорбционной очисткой» (PDF) . 2-й Конгресс МЕРКОСУР по химической инженерии, 4-й Конгресс МЕРКОСУР по инженерии технологических систем . Рио-де-Жанейро. Архивировано из оригинала (PDF) 5 февраля 2009 г. Проверено 20 декабря 2007 г.

[10] Кусдиана, Дадан; Сака, Сиро. «Биодизельное топливо для заменителя дизельного топлива, полученное из сверхкритического метанола без катализатора» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. Проверено 20 декабря 2007 г.

[11] Ду, Вэй; и др. (2004). «Сравнительное исследование катализируемой липазой трансформации соевого масла для производства биодизеля с различными ацил-акцепторами». Журнал молекулярного катализа B: Enzymatic . 30 (3–4): 125–129. дои : 10.1016/j.molcatb.2004.04.004 .

[12] Сингх, Гунджан; Джеясилан, Кристина; Бандиопадьяй, КК; Пол, Дебарати (октябрь 2018 г.). «Сравнительный анализ биодизеля, полученного кислотной переэтерификацией липидов, экстрагированных из маслянистых дрожжей Rhodosporidium toruloides» . 3 Биотехнологии . 8 (10): 434. doi : 10.1007/s13205-018-1467-9 . ISSN 2190-572X . ПМК 6170317 . ПМИД 30306003 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

v т и Биоэнергетика
Biofuels	Alcohol Algae Babassu oil Bagasse Biobutanol Biodiesel Biogas Biogasoline Bioliquids Biomass Cooking oil vegetable oil Ethanol cellulosic mixtures Methanol Stover corn Straw Water hyacinth Wood gas
Energy from foodstock	Camelina sativa Cassava Coconut oil Grape Hemp Maize Oat Palm oil Potato Rapeseed Rice Sorghum Soybean Sugar beet Sugarcane Sunflower Wheat Yam
Non-food energy crops	Arundo Big bluestem Camelina Chinese tallow Duckweed Jatropha curcas Miscanthus × giganteus Pongamia pinnata Salicornia Switchgrass Wood
Technology	Bioconversion of biomass to mixed alcohol fuels Bioenergy with carbon capture and storage Biomass heating systems Biorefinery Fischer–Tropsch process Industrial biotechnology Pellet fuel mill stove Sabatier reaction Thermal depolymerization
Concepts	Agflation Cellulosic ethanol commercialization Energy content of biofuel Energy crop Energy forestry Energy return on investment Food vs. fuel Issues relating to biofuels Sustainable biofuel
Category