Hva reaksjonen er, og hvorfor den er viktig
Transesterifisering er den kjemiske prosessen som ligger til grunn for produksjon av biodiesel. Et triglyceridmolekyl, strukturenheten i vegetabilske oljer, animalske fettstoffer og resirkulerte fettavfall, reagerer med en kortkjedet alkohol og frigjør tre mono-alkylestermolekyler og ett molekyl glyserol. Når metanol brukes, er de produserte esterne fettsyremetylestere (FAME), i praksis brukes metanol i nær sagt all kommersiell produksjon i dag, selv om produksjon fra andre alkoholer er mulig, og biodiesel er definert mer bredt som en mono-alkylfettsyreester. Reaksjonen er viktig fordi den reduserer viskositeten til rå oljer til nivåer som er egnet for dieselmotorer, ubehandlede oljer og fettstoffer forårsaker langvarige motoravleiringer og andre problemer selv i lave konsentrasjoner.
Molekylær støkiometri
Den balanserte reaksjonen krever at ett mol triglycerid reagerer med tre mol alkohol, og gir tre mol ester og ett mol glyserol. Dette er grunnleggende molekylær støkiometri, ikke en driftsoppskrift. Ettersom reaksjonen er reversibel og likevekten ikke automatisk favoriserer fullstendig omdanning, brukes alkoholen i praksis vanligvis i molart overskudd. Å forskyve likevekten mot produktsiden, ved å justere molforhold, temperatur eller andre parametere, er et sentralt designhensyn, men de spesifikke forholdene som brukes avhenger av reaktortype, råstoffkvalitet og prosessdesign snarere enn én enkelt universell verdi.
Katalysatorens rolle og valg
Ettersom alkoholen er sparsomt løselig i oljefasen, trengs en katalysator for å fremme løseligheten og tillate at reaksjonen forløper med rimelig hastighet. Sterke mineralske baser som natriumhydroksid og kaliumhydroksid er de vanligste katalysatorene i kommersielle anlegg. Hydroksidkatalysatorer reagerer med alkoholen og danner alkoksidarter som deltar i transesterifiseringen. Syrekatalysatorer som svovelsyre kan også brukes, særlig for å esterifisere frie fettsyrer i råstoff med høyt FFA-innhold, selv om syrekatalysert transesterifisering generelt er langsommere. Det er interesse for direkte bruk av natrium- eller kaliumalkoksidkatalysatorer fordi dette unngår den vanngenerende reaksjonen som oppstår når NaOH eller KOH reagerer med alkoholen.
Råstoffkvalitet og reaksjonsfølsomhet
De kjemiske og fysiske egenskapene til biodiesel varierer med fettsyreprofilen til råstoffet, ettersom vegetabilske oljer er blandinger av triglycerider fra ulike fettsyrer. Frie fettsyrer reagerer med alkalisk materiale og danner såpe i stedet for ester, noe som reduserer mengden base tilgjengelig for transesterifisering. Overskudd av vann kan fremme hydrolyse og dannelse av frie fettsyrer, noe som svekker omdanningen. Forhøyet FFA-innhold kan gjøre forbehandling nødvendig før basekatalysert prosessering, de aktuelle inntakskriteriene avhenger av den valgte prosessen. Syrekatalysert esterifisering er én tilnærming som har vært brukt til dette formålet, og det aktuelle tiltaket avhenger av det spesifikke råstoffet og prosesskonfigurasjonen.
Reaksjonsfullføring og produktspesifikasjoner
Nær fullstendig omdanning av triglycerider til estere er nødvendig for å oppfylle publiserte kvalitetsspesifikasjoner for drivstoff. ASTM D6751-spesifikasjonen for B100, slik den er oppsummert i den offentlige AFDC-tabellen, krever at total glyserol ikke overstiger 0,240 masse-% og fri glyserol ikke overstiger 0,020 masse-%, målt i henhold til ASTM D6584. Ufullstendig omdanning etterlater mono-, di- og triglycerider i drivstoffet, noe som hever total glyserol over disse grensene og medfører risiko for tetting av filtre og motoravleiringer. AFDC-sammendraget angir et generelt minimum for flammepunkt i lukket beholder på 93 °C. For det separate kravet til alkoholkontroll må enten metanolinnholdet ikke overstige 0,2 masse-% eller flammepunktet må være minst 130 °C. Dette er separate krav, ikke konkurrerende versjoner av ett enkelt minimum. Metanol er meget brannfarlig.
Faseseparasjon, blanding og overvåking
Under og etter transesterifisering kan operatørene observere faseatferden direkte: metanol og olje blander seg ikke lett ved starten, og glyserol og metylestere danner adskilte lag ved slutten. Blanding bringer olje, katalysator og alkohol i kontakt med hverandre, mens påfølgende separasjon fjerner den glyserolrike fasen. Den faktiske blandings- og separasjonsordningen avhenger av reaktordesign. Å bekrefte at total glyserol oppfyller spesifikasjonen krever gasskromatografisk analyse i henhold til ASTM D6584. Enklere fysiske eller spektroskopiske metoder finnes som raskere indikatorer, men kan ikke nøyaktig kvantifisere glyserol på de lave nivåene som kreves i ASTM-standarden, og sammenligning med en reaksjon og et produkt som er kjent for å oppfylle ASTM-standardene er nødvendig ved bruk av slike tilnærminger.