Катализ в производстве биодизеля и переэтерификация масел

Замена обычного нефтяного дизельного топлива должна быть технически осуществима, экономически конкурентоспособна, экологически безопасна и доступна по выгодной цене. В этом контексте растительные масла, биоспирты, биогаз и биодизель рассматриваются как самые подходящие варианты

Катализаторы играют важную роль в переэтерификации растительных масел. В настоящее время химические и биологические катализаторы исследуются, и оба типа имеют свои достоинства и недостатки. Ожидается, что в крупномасштабных применениях эти катализаторы будут экономически эффективными и экологически чистыми.

Если катализатор является гомогенным по своей физической форме, он более эффективен, чем гетерогенный катализатор, но его отделение от смеси является серьезной проблемой. Некоторые из гетерогенных катализаторов подвергаются выщелачиванию в жестких условиях реакции.

В последнее время изучаются нанокатализаторы, демонстрирующие высокую эффективность. Наночастицы используются в биологических катализаторах в качестве твердых носителей для иммобилизации липазы. Липаза, иммобилизованная на магнитных наночастицах, оказалась универсальным биокатализатором для производства биодизеля.

Ожидается, что во всем мире спрос на первичную энергию будет расти на 1,6% в год в течение следующего десятилетия. Большая часть первичной энергии, используемой сегодня, поступает из ископаемых видов топлива, таких как сырая нефть (35%), уголь (29%) и природный газ (24%), в то время как ядерные и возобновляемые источники энергии составляют 7 и 5% мирового потребления энергии соответственно.

Таким образом, ископаемое топливо является единственным крупнейшим источником энергии, на долю которого приходится 88% общего мирового потребления энергии. Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива вызывает загрязнение воздуха, которое служит стимулом для исследовательских усилий по поиску альтернативных источников энергии.

Замена обычного нефтяного дизельного топлива должна быть технически осуществима, экономически конкурентоспособна, экологически безопасна и доступна по выгодной цене. В этом контексте растительные масла, биоспирты, биогаз и биодизель рассматриваются как самые подходящие варианты.

Среди этих альтернативных видов топлива биодизельное предлагается в качестве дополнительного топливного источника для дизельных двигателей. Биодизель образуется из моноалкиловых эфиров длинноцепочечных жирных кислот, полученных из растительного масла. Он является возобновляемым, нетоксичным, биоразлагаемым и экологически чистым, и может использоваться в двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных) практически без изменений, благодаря регулируемым физическим и химическим свойствам.

Он также имеет благоприятный шлейф выбросов при сжигании, производя гораздо меньше окиси углерода, двуокиси серы и несгоревших углеводородов по сравнению с дизельным топливом на нефтяной основе.

Одной из основных проблем, стоящих на пути производства биодизеля, является использование подходящего катализатора в соответствии с природой масла. Функциональная эффективность и побочные эффекты катализаторов во время переэтерификации стали предметом обсуждения и, таким образом, получили всесторонний анализ.

В настоящее время биодизель привлекает внимание в качестве жидкого топлива, произведенного в виде модифицированного растительного масла. Биодизель, произведенный из пищевых масел, в настоящее время является более дорогим, чем обычное топливо на основе нефти. Кроме этого, он конкурирует с растительным маслом. Следовательно, необходимо стремиться к использованию несъедобных масел в качестве сырья для биодизеля.

Растения, из которых производят популярные не пищевые масла, рассматриваемые для производства биодизеля, включают, например, ятрофу (Ятрофа куркас), каранджу (Понгамия перистая), кандленат (Тунг молуккский), французский арахис (Пахира), Александрийское лавровое дерево (Калофиллум), семена каучука (Гевея бразильская), финики пустыни (Баланитес египетский), манго морское (Цербера), кротон кенийский, орех бедда (Бибхитаки), ним (Азадирахта индийская), махуа (Мадука длиннолистная), семена табака (Табак обыкновенный), сало китайское (Сапиум салоносный), шелковый хлопок (Хлопковое дерево), жожоба (Симмондсия китайская), Атталея, сычуаньский перец (Зантоксилум Бунге), хлопок (Хлопчатник), Молочай тирукалли.

Также для производства биодизеля рассматриваются и пищевые растения, например, кокос (Кокосовая пальма), соя ( Соя культурная), пальма (Масличная пальма) и канола (Рапс), учитывая их доступность и более низкое содержание свободных жирных кислот, чем в непищевых маслах.

Существует множество вариантов применения растительного масла, например смешивание масла с обычным дизельным топливом, микроэмульсия, термический крекинг (пиролиз) или каталитический крекинг и переэтерификация. Среди перечисленных последняя является наиболее популярным методом. При переэтерификации растительное масло (триглицериды) реагирует с первичным спиртом в присутствии катализатора с образованием биодизеля (алкиловых эфиров жирных кислот). В этом процессе глицерин появляется как побочный продукт.

Переэтерификация состоит из последовательных обратимых шагов. Первый этап - превращение триглицеридов в диглицериды с последующим преобразованием диглицеридов в моноглицериды и глицерин с получением одной молекулы метилового эфира на каждом этапе. Реакции переэтерификации поддерживаются внешними каталитическими системами.

Катализ в переэтерификации

Для активации процесса переэтерификации используются химические или биологические катализаторы. Химический катализатор включает гомогенные агенты (щелочные или кислотные), гетерогенные агенты (твердые кислотные или твердые щелочные катализаторы), гетерогенные нанокатализаторы и сверхкритические флюиды.

Эти катализаторы являются эффективными для доведения процесса до завершенности, хотя реакция требует высокой энергии и громоздкого процесса очистки для получения очищенного конечного продукта. Среди биологических катализаторов иммобилизованные липазы являются наиболее предпочтительными.

Ферментативная переэтерификация имеет экологическое преимущество перед другими методами. Но его основным недостатком является непомерно высокая стоимость.

Переэтерификация является лучшим выбором для производства биодизеля по сравнению с другими существующими методами. Реакция переэтерификации в основном зависит от каталитических систем, основными видами которых является: химическая и биологическая. В каталитической системе на основе химических веществ эффективны гомогенные катализаторы, но этот процесс включает в себя высокое потребление энергии, а также очистку сточных вод от непрореагировавших химических веществ.

В гетерогенных катализаторах участвуют только активные по внешнему виду частицы пористого твердого носителя. В некоторых катализаторах, особенно в СаО, происходит выщелачивание, которое отрицательно влияет на реакцию. Нанотехнологические синтетические протоколы могут помочь спроектировать и модифицировать поверхность катализатора для удовлетворения требований конкретных применений и решить проблемы как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами.

Нанокатализаторы соединяют гомогенные и гетерогенные катализаторы, с образованием твердокислотных или твердофазных их разновидностей. Обычной фильтрации и центрифугирования недостаточно для восстановления материалов после синтеза из-за мельчайших частиц. Катализаторы из магнитных наночастиц могут быть легко восстановлены магнитным полем.

В биологических каталитических системах свободные ферментные катализаторы имеют много преимуществ перед химическими катализаторами, но стоимость производства биодизеля все еще остается высокой из-за дороговизны ферментов и отсутствия возможности повторного их использования. Иммобилизованные ферменты могут быть повторно использованы и, следовательно, должны рассматриваться в первую очередь.

Благодаря эффективной агрегации, покрытые кремнеземом магнитные наночастицы используются в качестве лучшего носителя для иммобилизации ферментов. Техника иммобилизации считается важной, поскольку она предотвращает вымывание ферментов во время реакции. Ковалентное связывание является наилучшим методом иммобилизации ферментов, особенно когда в качестве носителей используются твердые материалы. Информация о взаимодействии между липазой и носителем отсутствует. Это важная область, которую стоит изучать.

Сейчас достигнут прогресс в электрокаталитическом режиме производства биодизеля. Электроды из углеродных квантовых точек (CQD), полученных из биомассы, проводят реакцию переэтерификации на основе электролиза. Благодаря физическим и химическим свойствам CQD, такие электроды могут хорошо работать в электрокаталитических реакторах.

Источник: Баскар Тангарадж, Правин Радж Соломон, Багавати Мунианди, Сринивасан Ранганатан, Лин Лин, Катализ в производстве биодизеля - обзор, Чистая энергия, Том 3, Выпуск 1, март 2019 года, страницы 2–23, https://doi.org/10.1093/ce/zky020