Katalysatortypen bij de productie van biodiesel
Een katalysator versnelt de omkeerbare transesterificatiereactie zonder het evenwicht ervan te veranderen. In de industrie worden twee brede katalysatorfamilies toegepast: homogene katalysatoren, die oplossen in het reactiemengsel, en heterogene katalysatoren, die als vaste fase gescheiden blijven van de reactanten. Inzicht in de praktische verschillen tussen deze benaderingen helpt operators te begrijpen waarom procesontwerp, productkwaliteit en de verwerking van bijproducten aanzienlijk verschillen tussen installaties.
Homogene katalysatoren
Conventionele industriële FAME-processen zijn gebaseerd op alkalische homogene katalysatoren, doorgaans natriumhydroxide of natriummethylaat, met kaliumanalogen als alternatief. De katalysator lost op in methanol vóór of tijdens de invoer van het uitgangsmateriaal. De katalysator bevordert de reactie in de vloeibare fase. De keuze van de katalysator en de toevoer dienen rekening te houden met de kwaliteit van het uitgangsmateriaal en de verwijdering van katalysatorresten stroomafwaarts. Vrije vetzuren in het uitgangsmateriaal kunnen echter katalysator verbruiken, en nevenreacties, met name bij natriumhydroxide of wanneer water aanwezig is bij natriummethylaat, vormen zeep in plaats van esters. Water fungeert ook als reactieremmer die gedurende het gehele proces beheerst en verwijderd moet worden om ophoping en verlies van katalysatoractiviteit te voorkomen.
Stroomafwaartse gevolgen van homogene katalyse
Opgeloste katalysatorresten en zeep moeten worden aangepakt tijdens de productzuivering. In de route beschreven door de IFP-publicatie produceert zuurneutralisatie zouten en komen vrije vetzuren vrij uit zeep. De ruwe glycerinestroom bevat dientengevolge zouten en andere onzuiverheden en vereist verdere zuivering voor hoogwaardiger toepassingen. Zeepvorming leidt er bovendien toe dat vetmateriaal wordt onttrokken aan de esterproductie. Deze mechanismen verklaren waarom de keuze van de katalysator en de kwaliteit van het uitgangsmateriaal de stroomafwaartse verwerking beïnvloeden, maar zij stellen geen universele zoutopbrengst, glycerinezuiverheid of FAME-opbrengst vast voor elke installatie.
Heterogene katalysatoren: het Esterfip-H-voorbeeld
Een commercieel aangetoond alternatief maakt gebruik van een vaste katalysator die fysiek gescheiden blijft van de reactanten en producten. Een IFP-publicatie uit 2008 beschrijft het Esterfip-H-proces, ontwikkeld door IFP en gecommercialiseerd door Axens, waarbij een gemengde-oxidekatalysator wordt toegepast in vaste-bed-reactoren waardoorheen plantaardige olie en methanol stromen. Omdat de katalysator niet is opgelost, ontbreekt in dit procesontwerp een katalysatorneutralisatiestap en wordt het esterproduct niet met water gewassen. Resterende vetzuren die het proces binnenkomen, worden veresterd tot FAME, waardoor de totale opbrengst van het proces toeneemt. Het beschreven ontwerp werkt bij hogere temperatuur en druk dan de conventionele homogene route die in de publicatie wordt besproken. Dit is een kenmerk van die vergelijking, niet een vereiste voor elke heterogene katalysator.
Procesontwerp en glycerinekwaliteit in het Esterfip-H-proces
Het gepubliceerde Esterfip-H-voorbeeld maakt gebruik van twee vaste-bed-reactiestadia met glycerinescheiding daartussen. Het verwijderen van een reactieproduct tussen de stadia verbetert de totale omzetting zonder het evenwicht van de individuele reactie te wijzigen. De beschreven route vermijdt de katalysatorneutralisatie-zoutbelasting die samenhangt met oplosbare alkaliën, en de esterzuivering maakt gebruik van methanolverdamping en adsorptie in plaats van een waterwasstap. Deze kenmerken beïnvloeden de zuivering van coproducten en de generatie van afvalwater. Op zichzelf tonen zij geen volledig levenscyclusvoordeel aan en garanderen zij geen bepaalde productzuiverheid bij een andere installatie.
Productspecificaties en relevantie voor operators
Ongeacht de katalysatorroute moet het afgewerkte FAME voldoen aan de toepasselijke productspecificaties. In Noord-Amerika stelt ASTM D6751 eisen aan B100 als mengcomponent, geselecteerde parameters uit de openbare samenvatting van de AFDC omvatten een minimaal cetaangetal van 45, maximaal vrij glycerine van 0,020 massa-%, maximaal totaal glycerine van 0,240 massa-%, maximaal natrium en kalium gecombineerd van 5 ppm, en maximaal calcium en magnesium gecombineerd van 5 ppm, onder andere. Deze specificaties worden regelmatig bijgewerkt en operators dienen de actuele versies te verifiëren bij hun brandstoftoeleverancier. De Europese norm EN 14214 stelt eveneens kwaliteitseisen aan FAME, raadpleeg de huidige editie voor de toepasselijke grenswaarden. De keuze van de katalysatortechnologie heeft directe invloed op welke processtappen nodig zijn om deze grenswaarden te bereiken, met name voor glycerine, metalen en methanolgehalte, waardoor het volledige procesontwerp, inclusief de keuze van de katalysator, van belang is voor de productkwaliteit en het gebruik van hulpbronnen.