Ετερογενής κατάλυση αντιδράσεων μετεστεροποίησης και εστεροποίησης

Στον τομέα της ετερογενούς κατάλυσης των αντιδράσεων μετεστεροποίησης και εστεροποίησης έχουν γίνει σημαντικά βήματα από ινστιτούτα και ερευνητές αλλά και από την καρδιά της επιστημονικής ομάδας της AGROENERGY στο ΕΜΠ. Κύριος στόχος των προσπαθειών είναι η δημιουργία και ανάπτυξη καταλυτικών συστημάτων που θα λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, θα εξασφαλίζουν ικανοποιητικούς χρόνους αντίδρασης, αλλά το κυριότερο θα μπορούν να διαχειρίζονται λίπη και έλαια χαμηλής ποιότητας, με υψηλά ποσοστά οξύτητας και υγρασίας. Το μεγάλο ενδιαφέρον ξεκίνησε με τη χρήση του καταλύτη Amberlyst της Rohm & Hass, ο οποίος παρουσίασε πολύ καλά αποτελέσματα στην μετατροπή των ελεύθερων λιπαρών οξέων και των τριγλυκεριδίων σε βιοντίζελ στη θερμοκρασία των 65 - 75^οC . Η ιδέα αυτή, όμως, εγκαταλείφθηκε μετά από μερικά χρόνια λόγω της δυσκολίας στο να επιτευχθεί απόδοση σε εστέρες πάνω από το 80-90%.

 

 

Από τη συγκεκριμένη μελέτη προκύπτει ότι το νικέλιο παρουσίασε ιδιαίτερα υψηλή δραστικότητα, άρα θα μπορούσε να είναι ένας αποτελεσματικός καταλύτης για την αλκοόλυση. Το οξείδιο και το ανθρακικό άλας του ψευδάργυρου ήταν επίσης αποτελεσματικά. Εντούτοις, η τάση τους για διάλυση, ειδικά παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων ελευθέρων λιπαρών οξέων, μειώνει τις δυνατότητές τους. Οι μισοί από τους ζεόλιθους που μελετήθηκαν και δεν είχαν υποστεί κάποια προ-επεξεργασία, παρά τις υψηλότερες ενεργές επιφάνειες που κατείχαν, δεν ήταν τόσο αποτελεσματικοί όσο το νικέλιο και το παλλάδιο. Αντίθετα, οι αντιδράσεις με ζεόλιθους που υπέστησαν προ-επεξεργασία στους 500^oC για 4 h παρουσίασαν αυξημένη δραστικότητα.

 

Η καρδιά της επιστημονικής ομάδας της AGROENERGY ανέπτυξε (στο ΕΜΠ) διεργασίες παραγωγής βιοντίζελ με νέους ετερογενείς καταλύτες, με σκοπό, όπως ειπώθηκε, το χαμηλό κόστος παραγωγής βιοντίζελ, χρησιμοποιώντας ως πρώτες ύλες κάθε είδος φυτικού ελαίου και ζωικού λίπους.

 

Μία από τις νέες διεργασίες αφορά στην απ΄ ευθείας παραγωγή βιοντίζελ σε ένα στάδιο από οποιαδήποτε πρώτη ύλη που περιέχει τριγλυκερίδια, οποιασδήποτε ποιότητας και μορφής, όπως φυτικά λάδια [μπρούτα, όξινα (π.χ. 10 wt.%), υπερόξινα (π.χ. 60 wt.%), απόβλητα λάδια κακής ποιότητας, χρησιμοποιημένα και τηγανισμένα λάδια κ.ά.] και απόβλητα ζωικά λίπη, με τη βοήθεια ενός συγκεκριμένου ετερογενούς στερεού βασικού καταλύτη ο οποίος δεν επηρεάζεται από την παρουσία οξύτητας και υγρασίας στην πρώτη ύλη σε οποιεσδήποτε συγκεντρώσεις, και το σχηματισμό αμέσως μετά την αντίδραση σχετικά καθαρών προϊόντων [βιοντίζελ και διαυγούς υψηλής ποιότητας γλυκερίνης σε σχέση με τη γλυκερίνη που προκύπτει ως απόβλητο από τις συμβατικές διεργασίες]. Η διεργασία αυτή αποτελεί μοναδική περίπτωση παγκοσμίως, αναπτύχθηκε στις αρχές του 2003 στο εργαστήριο μας στο ΕΜΠ και έχει ήδη σχεδιαστεί σε ημιπιλοτική κλίμακα με σκοπό την άμεση κατασκευή πιλοτικής μονάδας δυναμικότητας 1000 τόνων βιοντίζελ το χρόνο, ώστε να είμαστε σε θέση να περάσουμε στη βιομηχανική της εφαρμογή.

 

Σε συνδυασμό με τη διεργασία αυτή αναπτύχθηκε και η θερμική μετεστεροποίηση απουσία καταλύτη (θερμική - μη καταλυτική μέθοδος).

 

Άλλη διεργασία αφορά στην εστεροποίηση των ελεύθερων λιπαρών οξέων (παραγωγή μεθυλεστέρων, δηλαδή βιοντίζελ) όξινων και υπερόξινων χρησιμοποιημένων και αποβλήτων φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών, αποβλήτων λιπών, ολεϊνών, ελεύθερων λιπαρών οξέων κ.ά. με τη βοήθεια ενός ετερογενούς όξινου στερεού καταλύτη. Η διεργασία αυτή αναπτύχθηκε σε πιλοτική και έχει σχεδιαστεί σε βιομηχανική κλίμακα από την AGROENERGY.

 

Στα πλαίσια της ενζυμικής παραγωγής βιοντίζελ, η καρδιά της επιστημονικής ομάδας της AGROENERGY έχει πραγματοποιήσει στο ΕΜΠ πειράματα μετεστεροποίησης ραφιναρισμένων και μη ραφιναρισμένων φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών με τη χρήση ειδικού ενζύμου ως βιοκαταλύτη, σε χαμηλές θερμοκρασίες (35^ο- 40^οC) και με στοιχειομετρικές μοριακές αναλογίες μεθανόλης/ελαίου (1:1 σε κάθε στάδιο της αντίδρασης). Το ένζυμο που χρησιμοποιήθηκε ήταν η λιπάση Β του μικροοργανισμού Candida Αntarctica.