Bionafta (FAME) - náhrada za fosilní naftu

  Členové skupiny:
Doc. Ing. František Skopal, CSc.
Ing. Martin Hájek, Ph.D.
Ing. Petr Kutálek

Ing. Jaroslav Kocík


Bionafta

Bionafta se používá jako náhrada za ropná paliva pro vznětové motory (diesely). Slovem bionafta jsou označovány nízkomolekulární estery vyšších mastných kyselin s nízkomolekulárním alkoholem: FAME (Fatty Acid Methyl Ester). Výroba bionafty je v podstatě bezodpadová technologie, neboť všechny vedlejší produkty se dají dále využít. Surovinou pro výrobu bionafty jsou olejnaté plodiny (obnovitelný zdroj). Ve světové produkci převládá olej ze sóji (hlavně Spojené státy americké), mezi dalšími pak palmový olej, olej ze slunečnice, řepky atd. Při výrobě se ze suchých semen lisuje olej. Odpadem při lisování olejnin jsou výlisky (šroty), které se dále využívají pro výrobu krmných směsí a přírodních hnojiv. V posledních několika letech se kvůli neustále zvyšujícím se cenám olejnatých plodin hledají nové zdroje surovin, např.: použité fritovací oleje, odpadní živočišné tuky, aj.

V posledních letech výrazně vzrůstá význam bionafty (výroba pro jednotlivé země v EU) jako paliva pro vznětové motory. Aby bylo bionaftu možné použít jako palivo musí splňovat evropskou normu které udává její přesné složení: EN 14214:2003.pole

Hlavními výhodami bionafty je zejména její obnovitelnost, vynikající biologická odbouratelnost (za 28 dnů je degradováno 95% bionafty oproti 40 % ropné nafty), nízký obsah emisí a vysoká mazací schopnost. Bionafta je mastnější nežli motorová nafta, přídavek bionafty do motorové nafty snižuje opotřebení motoru. Čistá bionafta je netoxické ekologické palivo, které neobsahuje síru, polyaromatické látky ani halogeny. Poskytuje nulový efekt oxidu uhličitého, protože všechen uhlík obsažený v biomase byl do ní vázán fotosynteticky při růstu rostlin. Navíc lze bionaftu vyrábět z vlastních zdrojů státu (pěstování olejnin), který je pak méně závislý na importu ropy.

Jednou z nevýhod bionafty je ekonomická náročnost výrobního procesu (nejdražší je vstupní rostlinný olej). Další nevýhodou je, že při kontaktu s větším množstvím vody vznikají z bionafty mastné kyseliny, které mohou způsobit korozi palivového systému. Bionafta má také schopnost uvolňovat organické usazeniny v palivovém systému a tím se zanáší palivový filtr.

Nejčastějším způsobem výroby bionafty je transesterifikace olejů nízkomolekulárním alkoholem za homogenní katalýzy. Jako alkohol je nejvíce používán methanol (uveden v reakci), event. ethanol. Použití ostatních alkoholů (propanol, butanol ...) je také možné, ale problematické. Transesterifikace se provádí za homogenní bazické katalýzy (KOH, NaOH), ale jako katalyzátor je možno použít i kyselinu (nevíce H2SO4). Výhodou tohoto způsobu výroby je nenáročnost na výrobní zařízení a snadné provedení. Nevýhodou je nemožnost získání katalyzátoru zpět z reakce (ztráta katalyzátoru vznikem mýdel při bočné reakci - zmýdelnění oleje). Na výrobu bionafty lze použít téměř všechny druhy rostlinných olejů včetně odpadních rostlinných olejů (použité fritovací oleje) a živočišných tuků. Nejdůležitějšími parametry pro reakci jsou: molární poměr methanol/olej, typ a množství katalyzátoru, teplota a čas reakce, intenzita míchání a složení vstupního rostlinného oleje (zejména množství volných mastných kyselin a vody). Míchání je velmi důležitý parametr protože olej a methanol jsou nemísitelné kapaliny a reakce probíhá rozhraní jejich fází (čím větší mezifázový povrch tím je reakce rychlejší).
Nejčastějšími podmínkami výroby je teplota 60-70 °C, molární poměr alkohol/olej 6:1, cca 1% katalyzátoru vůči oleji a čas reakce 60-90 minut. Poté následuje separace bionafty od ostatních produktů (velmi často pomocí centrifugy) a sušení.

Existují další tři metody výroby, ale ty jsou zatím spíše ve vývojové sféře.

Reakce:řepka

transesterifikace, reakční schéma

Každý olej i tuk má jiné zastoupení hydrofóbních zbytků mastných kyselin (Ri), což určuje i jeho fyzikálně-chemické vlastnosti.


Čím se zabýváme

Výroba bionafty

Na našem pracovišti se zabýváme téměř 20 let zásaditě katalyzovanou transesterifikací (cca 1 hm% KOH na hmotnost oleje) provedenou methanolem a v poslední několika letech i ethanolem. Reakce probíhá v nadbytku aldelickakoholu a teploty 60 °C pro methanol, resp. 30 °C pro ethanol. Transesterifikace je ukončena neutralizací přebytečného katalyzátoru pomocí plynného oxidu uhličitého, tím vzniká hydrogenuhličitan draselný, který již nemá katalytické účinky. Po oddestilování alkoholu z celé reakční směsi (za zvýšené teploty a sníženého tlaku) se bionafta od všech ostatních složek (glycerol, mýdla, voda ...) odděluje sedimentací. Oddestilovaný alkohol je možno znovu využít při výrobě. Sedimentaci lze urychlit přídavkem optimálního množství vody (na hodiny oproti desítkám hodin bez přídavku vody). Byly nalezeny optimální reakční podmínky jednostupňové transesterifikace vedoucí k maximálnímu výtěžku a kvalitě bionafty ve vsádkovém reaktoru s emulgačním zařízením (provedené jak methanolem tak i ethanolem). Viz schéma výroby.

V současnosti zkoumáme možnosti ovlivnění sedimentace (přídavek různých látek, teplota, intenzita míchání ...) tak aby došlo k jejímu zrychlení a splnění normy a zároveň se snažíme vypracovat matematický model popisující sedimentaci. láhve
Zabýváme se také samotným studiem transesterifikační reakce, zejména jaký vliv má obsah volných mastných kyselin a vody (přítomných v surovinách) na kvantitu a kvantitu produktů: bionafty i glycerolové fáze.
Bylo také zahájeno studium problematiky kontinuální výroby bionafty s homogenní katalyzátorem a příprava bionafty pomocí heterogenních katalyzátorů.

Část výsledného výzkumu je již převedena do výroby bionafty z řepkového oleje a methanolu ve firmě ABC Brancouse.

Zhodnocení vedlejších produktů

Zabýváme se dalšími úpravami vedlejšího produktu (glycerolové fáze) vznikající při výrobě bionafty. Cílem je získat jednotlivé její složky v lépe využitelné formě (glycerol, mastné kyseliny nebo jejich deriváty, draselno-fosforečné hnojivo). Z glycerolové fáze jsme schopni získat cca 85% glycerol s hlavní nečistotou zejména vodou a směs mastných kyselin s estery (bionafta) nebo pouze směs mastných kyselin. Některé postupy byly vyřešeny a patentovány. Byla již laboratorně vyřešena přeměna glycerolu z vhodně upravené glycerolové fáze na dihydroxiaceton pomocí inhibovaných enzymů.

Analytické metody

Zabýváme se analýzou kvality vstupních surovin (olej, methanol, katalyzátor) i produktů chromatogrampři výrobě bionafty. Mnoho z používaných analytických metod bylo vyvinuto na našem pracovišti, např.: gradientová chromatografická metoda na stanovení složek bionafty důležitých pro splnění EU normy. Také byla vytvořena jednoduchá, velmi levná a ekologicky šetrná metoda na stanovení volného glycerolu.

Zároveň zdokonalujeme současné a vytváříme nové analytické metody.


Co nabízíme

Na našem pracovišti je možné analyzovat kvalitu vstupních produktů (olej, methanol, katalyzátor) při výrobě bionafty. Máme vybavení na určení většiny parametrů bionafty podle normy a můžeme analyzovat složky vedlejšího produktu glycerolové fáze.
Je možno spolupracovat na jakémkoliv tématu týkajícím se bionafty: zdokonalení stávající technologií a výzkum nových např.: hledání a testování nových typů heterogenních katalyzátorů, hledání a testování produkce bionafty z netradičních zdrojů, využití vedlejších produktů, nové analytické metody atd.


Odkazy

Česky: Anglicky:
   
 
 

Publikace

Výsledky naší práce jsou publikovány v mezinárodních časopisech a konferencích nebo jsou patentovány. Také bylo na toto téma obhájeno mnoho diplomových a disertačních prací.

v mezinárodních časopisech patenty diplomové a disertační práce

Pokud Vás téma obnovitelných zdrojů a zejména biopaliv zajímá a chtěli by jste s námi spolupracovat nebo potřebujete další informace, neváhejte kohokoliv z výzkumné skupiny kontaktovat.

Katedra fyzikální chemie