Vad reaktionen är och varför den är viktig
Transesterifiering är den kemiska process som utgör kärnan i biodieselproduktionen. En triglyceridmolekyl, den strukturella enheten i vegetabiliska oljor, animaliska fetter och återvunna fetter, reagerar med en kortkedjig alkohol och frigör tre mono-alkylestermolekyler och en molekyl glycerol. När metanol används är de producerade estrarna fettsyrametylestrar (FAME), praktiskt taget all kommersiell produktion i dag använder metanol, även om produktion från andra alkoholer är möjlig och biodiesel definieras mer brett som en mono-alkylfettsyraester. Reaktionen är viktig eftersom den reducerar viskositeten hos obehandlade oljor till nivåer som lämpar sig för dieselmotorer, obehandlade oljor och fetter orsakar långsiktiga motoravlagringar och andra problem även vid låga koncentrationer.
Molekylär stökiometri
Den balanserade reaktionen kräver att en mol triglycerid reagerar med tre mol alkohol och ger tre mol ester och en mol glycerol. Detta är grundläggande molekylär stökiometri, inte ett driftsrecept. Eftersom reaktionen är reversibel och jämvikten inte automatiskt gynnar fullständig omvandling, används alkoholen i praktiken vanligtvis i molart överskott. Att förskjuta jämvikten mot produktsidan, genom att justera molarförhållande, temperatur eller andra parametrar, är en central designfaktor, men de specifika förhållanden som används beror på reaktortyp, råvarukvalitet och processdesign snarare än ett enskilt universellt värde.
Katalysatorns roll och val
Eftersom alkoholen är sparsamt löslig i oljefasen krävs en katalysator för att främja lösligheten och göra det möjligt för reaktionen att fortlöpa med rimlig hastighet. Starka mineraliska baser såsom natriumhydroxid och kaliumhydroxid är de vanligaste katalysatorerna i kommersiella anläggningar. Hydroxidkatalysatorer reagerar med alkoholen och bildar alkoxidspecies som deltar i transesterifieringen. Syrakatalysatorer såsom svavelsyra kan också användas, särskilt för att förestera fria fettsyror i råvaror med hög FFA-halt, även om syrakatalyserad transesterifiering generellt sett är långsammare. Det finns intresse för direkt användning av natrium- eller kaliumalkoxidkatalysatorer eftersom detta undviker den vattengenererande reaktion som uppstår när NaOH eller KOH reagerar med alkoholen.
Råvarukvalitet och reaktionskänslighet
De kemiska och fysikaliska egenskaperna hos biodiesel varierar med fettsyraprofilen hos råvaran, eftersom vegetabiliska oljor är blandningar av triglycerider från olika fettsyror. Fria fettsyror reagerar med alkaliskt material och bildar tvål snarare än ester, vilket minskar den mängd bas som finns tillgänglig för transesterifiering. Överskott av vatten kan främja hydrolys och bildning av fria fettsyror, vilket underminerar omvandlingen. Förhöjd FFA-halt kan göra förbehandling nödvändig innan baskatalyserad bearbetning, lämpliga intagskriterier beror på den valda processen. Syrakatalyserad förestring är ett tillvägagångssätt som har använts för detta ändamål, och lämplig åtgärd beror på den specifika råvaran och processkonfigurationen.
Reaktionens fullständighet och produktspecifikationer
Nästan fullständig omvandling av triglycerider till estrar är nödvändig för att uppfylla publicerade bränslekvalitetsspecifikationer. ASTM D6751-specifikationen för B100, såsom sammanfattad i AFDC:s offentliga tabell, kräver att totalt glycerin inte överstiger 0,240 massprocent och att fritt glycerin inte överstiger 0,020 massprocent, uppmätt enligt ASTM D6584. Ofullständig omvandling lämnar mono-, di- och triglycerider i bränslet, vilket höjer den totala glycerinhalten över dessa gränser och riskerar att orsaka filterigensättning och motoravlagringar. AFDC:s sammanfattning anger en allmän minsta flampunkt vid sluten kopp på 93 °C. För det separata kravet på alkoholkontroll får metanol antingen inte överstiga 0,2 massprocent, eller så måste flampunkten vara minst 130 °C. Dessa är separata krav, inte konkurrerande versioner av ett enda minimikrav. Metanol är mycket brandfarlig.
Fasavskiljning, blandning och övervakning
Under och efter transesterifiering kan operatörer direkt observera fasbeteendet: metanol och olja blandas inte lätt i början, och glycerol och metylestrar bildar separata skikt i slutet. Blandning bringar oljan, katalysatorn och alkoholen i kontakt, medan efterföljande avskiljning avlägsnar den glycerolrika fasen. Den faktiska blandnings- och avskiljningsanordningen beror på reaktordesign. För att bekräfta att totalt glycerin uppfyller specifikationen krävs gaskromatografisk analys enligt ASTM D6584. Enklare fysikaliska eller spektroskopiska metoder finns som snabbare indikatorer, men kan inte noggrant kvantifiera glycerol vid de låga nivåer som ASTM-standarden föreskriver, och jämförelse med en reaktion och en produkt som är kända för att uppfylla ASTM-standarderna krävs när sådana metoder används.