Wat de Reactie Inhoudt en Waarom Ze van Belang Is
Omestering is het chemische proces dat centraal staat bij de productie van biodiesel. Een triglyceridemolecuul, de structurele bouwsteen van plantaardige oliën, dierlijke vetten en gerecycleerde vetstoffen, reageert met een korteketenalcohol, waarbij drie mono-alkylestermoleculen en één glycerolmolecuul vrijkomen. Wanneer methanol wordt gebruikt, zijn de gevormde esters vetzuurmethylesters (FAME), vrijwel alle commerciële productie maakt tegenwoordig gebruik van methanol, hoewel productie uit andere alcoholen mogelijk is en biodiesel breder wordt gedefinieerd als een mono-alkylvetzuurester. De reactie is van belang omdat zij de viscositeit van ruwe oliën verlaagt tot niveaus die geschikt zijn voor dieselmotoren, onbehandelde oliën en vetten veroorzaken op de lange termijn motoraanslag en andere problemen, zelfs bij lage concentraties.
Moleculaire Stoichiometrie
De gebalanceerde reactie vereist dat één mol triglyceride reageert met drie mol alcohol, waarbij drie mol ester en één mol glycerol worden gevormd. Dit is fundamentele moleculaire stoichiometrie, geen bedrijfsrecept. Omdat de reactie omkeerbaar is en het evenwicht niet automatisch in de richting van volledige omzetting verschuift, wordt de alcohol in de praktijk doorgaans in molaire overmaat gebruikt. Het verschuiven van het evenwicht naar de productzijde, door het aanpassen van de molaire verhouding, de temperatuur of andere parameters, is een belangrijke ontwerpoverweging, maar de specifieke verhoudingen die worden gebruikt, zijn afhankelijk van het reactortype, de kwaliteit van de grondstof en het procesontwerp, en niet van één universele waarde.
Rol en Keuze van de Katalysator
Omdat de alcohol slechts beperkt oplosbaar is in de oliefase, is een katalysator nodig om de oplosbaarheid te bevorderen en de reactie met een redelijke snelheid te laten verlopen. Sterke minerale basen zoals natriumhydroxide en kaliumhydroxide zijn de meest gebruikte katalysatoren in commerciële installaties. Hydroxidekatalysatoren reageren met de alcohol tot alkoxidespecies die deelnemen aan de omestering. Zuurkatalysatoren zoals zwavelzuur kunnen eveneens worden gebruikt, met name voor de verestering van vrije vetzuren in grondstoffen met een hoog VVZ-gehalte, hoewel zuurgekatalyseerde omestering over het algemeen trager verloopt. Er bestaat interesse in het directe gebruik van natrium- of kaliumalkoxidekatalysatoren, omdat daarmee de waterproducerende reactie wordt vermeden die optreedt wanneer NaOH of KOH met de alcohol reageert.
Grondstofkwaliteit en Reactiegevoeligheid
De chemische en fysische eigenschappen van biodiesel variëren met het vetzuurprofiel van de grondstof, omdat plantaardige oliën mengsels zijn van triglyceriden afkomstig van verschillende vetzuren. Vrije vetzuren reageren met alkalisch materiaal tot zeep in plaats van ester, waardoor de beschikbare base voor omestering afneemt. Een overschot aan water kan hydrolyse en vorming van vrije vetzuren bevorderen, waardoor de omzetting wordt ondermijnd. Een verhoogd VVZ-gehalte kan voorbehandeling noodzakelijk maken vóór basegekatalyseerde verwerking, de van toepassing zijnde toelatingscriteria zijn afhankelijk van het gekozen proces. Zuurgekatalyseerde verestering is één benadering die hiervoor is toegepast, waarbij de passende interventie afhangt van de specifieke grondstof en procesconfiguratie.
Reactievolledigheid en Productspecificaties
Een nagenoeg volledige omzetting van triglyceriden tot esters is noodzakelijk om te voldoen aan gepubliceerde brandstofkwaliteitsspecificaties. De ASTM D6751-specificatie voor B100, zoals samengevat in de publieke AFDC-tabel, vereist een totaalglycerinegehalte van niet meer dan 0,240 massa% en een vrij glycerinegehalte van niet meer dan 0,020 massa%, gemeten volgens ASTM D6584. Onvolledige omzetting laat mono-, di- en triglyceriden in de brandstof achter, waardoor het totale glycerinegehalte boven deze grenswaarden stijgt en het risico op filterverstoppingen en motoraanslag toeneemt. De AFDC-samenvatting vermeldt een algemeen minimaal vlampunt bij gesloten kroes van 93 °C. Voor de afzonderlijke eis met betrekking tot alcoholbeheersing geldt dat methanol niet meer dan 0,2 massa% mag bedragen óf dat het vlampunt ten minste 130 °C moet zijn. Dit zijn afzonderlijke eisen, geen concurrerende versies van één enkel minimum. Methanol is zeer brandbaar.
Fasescheiding, Menging en Bewaking
Tijdens en na de omestering kunnen operators het fasegedrag rechtstreeks waarnemen: methanol en olie mengen zich aan het begin niet gemakkelijk, en glycerol en methylesters vormen aan het einde afzonderlijke lagen. Door menging komen de olie, katalysator en alcohol met elkaar in contact, terwijl de glycerolrijke fase vervolgens door scheiding wordt verwijderd. De feitelijke meng- en scheidingsopstelling is afhankelijk van het reactorontwerp. Bevestiging dat het totale glycerinegehalte aan de specificatie voldoet, vereist gaschromatografische analyse conform ASTM D6584. Eenvoudigere fysische of spectroscopische methoden bestaan als snellere indicatoren, maar kunnen glycerol niet nauwkeurig kwantificeren op de lage niveaus die de ASTM-norm vereist, bij gebruik van dergelijke benaderingen is vergelijking met een reactie en een product waarvan bekend is dat zij aan de ASTM-normen voldoen, noodzakelijk.