Odborné články
Využití kafilerního tuku k výrobě biopaliva
Abstrakt
Kafilerní tuk byl podroben transesterifikaci za různých podmínek. Průběh transesterifikace kafilerního tuku byl porovnáván s transesterifikací vepřového sádla za stejných podmínek. Byly zjištěny významné rozdíly mezi transesterifikací kafilerního tuku a sádla. Optimální přebytek methanolu pro transesterifikaci sádla byl třicetinásobek (w/w) zatímco pro kafilerní tuk pouze desetinásobek. Optimální koncentrace kyseliny sírové byla 1 % pro sádlo, 2,5 % pro kafilerní tuk. Optimální doba reakce i optimální teplota byla shodná pro oba případy. Složení mastných kyselin kafilerního tuku i sádla je podobné, nikoliv identické, přitom však má kafilerní tuk mnohem vyšší obsah volných kyselin, čímž si vysvětlujeme rozdíly v průběhu reakce.
Úvod
Rezervy ropy jsou stále ještě vysoké a je pravděpodobné, že budou v budoucnu nalezeny ještě další, nové zdroje. Přesto však dostupnost ropy klesá, zatímco spotřeba roste. Tak se stalo, že v r. 2006 došlo k tzv. ropnému zlomu. Spotřeba od té doby stoupá rychleji než těžba a dochází k trvalému růstu ceny ropy 1. Z tohoto důvodu roste potřeba vývoje nových typů paliv. Většina nových zdrojů je buď málo účinná (energie větru a slunce), nebo snižuje dostupnost potravinářských zdrojů (biodiesel a bioethanol vyráběné z potravinářských surovin) 2. Přitom je však biodiesel a bioethanol prozatím jediným alternativním zdrojem pohonných hmot pro silniční dopravu.
Biodiesel se nejčastěji vyrábí transesterifikací sojového oleje 2;3, palmového oleje 3;4 případně oleje z rýžových slupek 5. Konkurence mezi potravinami a biopalivem vedla ke snaze o využití některých nepotravinářských surovin, jako např. oleje z defektních kávových zrn 6 nebo odpadního oleje z restaurací 7.
Všechny tyto zdroje mají nedostatky. Využití palmového a sojového oleje odčerpává významnou potravinářskou surovinu, defektních kávových zrn je vzhledem k předpokládané spotřebě transesterifikovaných tuků velmi málo a odpadní oleje z restaurací jsou rovněž surovinou dostupnou jen v omezeném množství, navíc jsou zdroje velmi rozptýlené. Další možností je pěstování olejotvorné řasy Rhodotorula glutinis 8. Vzhledem k nákladům na kultivaci by však transesterifikace oleje z rhodotoruly byla schopná konkurovat ropě až když cena ropy stoupne nejméně na dvojnásobek současné ceny.
Na druhé straně je zde k disposici odpadní kafilerní tuk v poměrně velkém množství, soustředěný v malém počtu kafilerií a dostupný jako surovina pro transesterifikaci bez omezení. Cena tohoto odpadu je taková, že již při dnešních relacích dovoluje výrobu biopaliva v ceně srovnatelné s cenou ropných produktů. V porovnání s obvyklými surovinami pro transesterifikace má kafilerní tuk dvě nevýhody – obsahuje poměrně vysoké množství volných kyselin (tj. má vysoké číslo kyselosti) a má vysoký bod tuhnutí, dokonce vyšší než ostatní živočišné tuky.
Vzhledem k vlastnostem kafilerního tuku nelze využít dosavadní zkušenosti z transesterifikace jiných tuků, ať rostlinných nebo živočišných, a je proto nutné vyvinout pro tento proces nový postup. Tím se zabývá Výzkumný ústav potravinářský Praha v projektu podporovaném Ministerstvem zemědělství ČR grant.č. QG60079. Základem je předpoklad, že volné mastné kyseliny přítomné v kafilerním tuku mohou být esterifikovány obvyklou kysele katalyzovanou reakcí za podmínek velmi podobných s reakčními podmínkami za nichž probíhá transesterifikace. Určujícím faktorem transesterifikace je přebytek jednoduchého alkoholu, nejčastěji (stejně jako v našem případě) methanolu, přičemž koncentrace kyseliny může být poměrně nízká. Esterifikace volných kyselin probíhá stejným způsobem, jen s tím rozdílem, že obvykle vyžaduje vyšší koncentraci kyseliny, protože kyselina v tomto případě rovněž odebírá z prostředí vodu. Esterifikace volných mastných kyselin, v souladu s mechanismy organických reakcí, neprobíhá v alkalickém prostředí. Proto alkalicky katalyzovaná transesterifikace se týká pouze té části mastných kyselin, které jsou ve formě glyceridů.
Zabývali jsme se proto především tranesterifikací/esterifikací v kyselém prostředí a stanovili optimální přebytek methanolu, optimální dávku kyseliny jako katalyzátoru, optimální dobu reakce a optimální teplotu.
Materiál a metody
Kafilerní tuk jsme získali jako dar od firmy Agris Medlov s.r.o., ČR. Tuk je v tomto závodě získáván z vepřových a hovězích karkasů s malým množstvím ostatních kadaverů. Tuková tkáň je nasekána na kusy o velikosti cca 5 cm a dále zahřívána na 135°C po dobu 20 minut za tlaku 3kg/cm2. Potom je tlak uvolněn, čímž dojde k odpaření veškeré vody. Potom je tuk vytaven za tlaku 300 kg/cm2 při 80°C. Při uvolnění tlaku je tuk tekutý, ale tuhne při 40-50°C.
Vepřové sádlo jsme získali z České zemědělské university v Praze.
Transesterifikaci jsme prováděli v 500 ml baňkách pod zpětným chladičem. 5 g tuku jsme dispergovali ve zvoleném objemu methanolu za přídavku zvoleného množství kyseliny sírové za směs jsme zahřívali na zvolenou teplotu po zvolenou dobu. Reakci jsme zastavili ochlazením v ledové vodě. Při tom se vytvořily dvě vrstvy z nichž dolní obsahuje nezreagovaný tuk, kyselinu sírovou a glycerin a horní transesterifikovaný tuk a methanol. Horní vrstvu jsme oddělili a oddestilovali methanol. Pro analytické účely jsme pak methylestery extrahovali diethyletherem. Extrakt byl opakovaně promýván vodou a konečně vysušen pevným suchým síranem sodným. Diethylether byl oddestilován a suché methylestery byly použity jako hrubý výtěžek. Pro přesné stanovení methylesterů jsme použili plynovou chromatografii, metodu podle Bannona a sp. 9.
Plynový chromatograf Hewlett-Packard model 6890N byl použit pro analyzu tuků i transesterifikovaných tuků.
Výsledky a diskuse
Teoretický výtěžek transesterifikace (všechny mastné kyseliny v tuku byly převedeny na methylestery) jsme získali výpočtem ze složení tuku. Pro kafilerní tuk to bylo 808 mg transesterifikovaného tuku z 1 g, u sádla to bylo 964 mg/g. Složení mastných kyselin obou tuků jsme stanovili plynovou chromatografií.
Výsledek transesterifikace závisí na relativní reaktivitě alkoholu a samozřejmě i přebytku v reakční směsi. Kafilerní tuk a sádlo vykazují v tomto směru rozdílné výsledky. Zatímco pro transesterifikaci kafilerního tuku postačí desetinásobný přebytek methanolu, transesterifikace sádla vykazuje maximum při třicetinásobném přebytku, jak ukazuje obrázek 1.
Kysele katalyzovaná transesterifikace také, samozřejmě, závisí na koncentraci kyseliny, která je v případě transesterifikace pouhým katalyzátorem, ale v případě esterifikace volných kyselin také odebírá z prostředí vodu. Obr. 2 opět ukazuje výrazný rozdíl mezi optimální koncentrací kyseliny sírové pro transesetrifikaci sádla a kafilerního tuku. Tento rozdíl lze beze zbytku vysvětlit přítomností volných mastných kyselin v kafilerním tuku.
Zatímco přebytek methanolu a koncentrace kyseliny ovlivňují polohu rovnováhy reakce (koncentrace kyseliny pouze v případě kafilerního tuku – esterifikace volných kyselin), doba reakce a teplota určují rychlost s jakou této rovnováhy bude dosaženo. Obrázek 3 ukazuje, že v měřeném rozsahu doby reakce (3 – 9 hodin) konverze pro sádlo a kafilerní tuk při třicetinásobném přebytku methanol konstantně stoupá, kafilerní tuk při desetinásobném přebytku methanolu dosahuje konečného stupně konverze po cca sedmi hodinách.
Také závislost dosažení rovnovážné konverze na teplotě vykazuje monotónní průběh, v tomto případě pro oba tuky, jak je zřejmé z obr. 4.
Závěr
Na základě předložených výsledků je zřejmé, že kafilerní tuk může sloužit jako výhodný materiál pro transesterifikaci. Z literatury 5 je zřejmé, že tuk skladovaný po delší dobu a tuk z jatečního odpadu zvláště obsahuje značné množství volných mastných kyselin. To potvrzují nejen výsledky pravidelných analýz v kafilériích, ze které máme tuto surovinu, ale také průběh kysele katalyzovaná transesterifikace, jak je popsán v této práci.
Závěrem lze tedy konstatovat, že kafilerní tuk vhodný pro výrobu biopaliva transesterifikací. Je k tomu vhodný svými vlastnostmi, tím, že se nejedná o materiál vhodný pro potravinářskou výrobu I tím, že je dostupný ve velkém množství soustředěný na malý počet lokalit.
Poděkování: Autoři děkují Národní agentuře pro zemědělský výzkum za podporu této práce, (grant. č. QG60079).
Literatura
- Annonymous: Life after oil cash. http://www.lifeafteroilcrash.net , staženo 3.4.2008.
- Stein K.: Journal of the American Dietetic Association,107, 1870-1878, 2007.
- Muiyappa P.R., Brammer S.C., Noureddini H.: Bioresource Technology, 56,19-24, 1996.
- Carter C., Finley W., Fry J., Jackson D., Willis L.: Eur.J.Lipid Sci. Technol., 109, 307-314,2007.
- Zullaikah S., Chao Chin Lai, Ramjan-Vali S., Hsu Ju: Bioresource Technology, 96,1889-1896, 2005.
- Oliveira L.S., Franca A.S., Camargos R.R.S., Feraz V.P.: Bioresource Technology, 99, 3244-3250, 2008.
- Canakci M.: Bioresource Technology, 98,183-190, 2007.
- Feiyan Xue Xu, Hui Luo, Tiawei Tan, Process Biochem. 41, 1899-1902, 2006.
- Bannon C.D., Craske J.D., Hilliker A.E.: JAOAC 62, 1501-1507, 1985.
Autoři: Jiří Kučera, Alexandra Prošková, Zdenka Kopicová ,
Food Research Institute Prague, Radiová 7, 102 31 Praha 10 – Hostivař
Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Spotřeba biopaliv v EU v loňském roce poklesla
Podpora obnovitelných zdrojů energie v agrárním sektoru
Biopaliva pro motorová vozidla: produkce, cena, legislativa
Zobrazit ostatní články v kategorii Kapalná biopaliva, Obnovitelné zdroje energie
Datum uveřejnění: 20.7.2009
Poslední změna: 18.7.2009
Počet shlédnutí: 12490
Citace tohoto článku:
KUČERA, Jiří: Využití kafilerního tuku k výrobě biopaliva. Biom.cz [online]. 2009-07-20 [cit. 2024-12-29]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz-pelety-a-brikety-obnovitelne-zdroje-energie-spalovani-biomasy/odborne-clanky/vyuziti-kafierniho-tuku-k-vyrobe-biopaliva>. ISSN: 1801-2655.
Komentáře:
|
|
|
|
|