Chemie der Herstellung von Biodiesel (Fettsäuremethylester)

Umesterungsverfahren

Die Herstellung von Fettsäuremethylestern erfolgt durch eine Umesterungsreaktion. Als Rohstoff werden Triglyceride (Pflanzenöle, tierische Fette) eingesetzt, die mit Methanol in Fettsäuremethylester umgewandelt werden. Dabei wird Glycerin freigesetzt. Für die Reaktion ist ein alkalischer Katalysator (Natrium- oder Kaliummethylat) erforderlich.

Bei Verwendung von Kaliummethylat ist es möglich bei etwa 30 °C umzuestern. Bei dieser Temperatur kommt es kaum zur Verseifung der Öle und Fette, was den weiteren Verarbeitungsprozess erschweren würde. Zusätzlich kann Kaliumsulfat in Pulverform gewonnen und als Düngemittel verkauft werden. Zur späteren Neutralisation des Kaliummethylates wird Schwefelsäure eingesetzt. Sulfate sind nicht so korrosiv wie Salze anderer starker Mineralsäuren.

Bei Verwendung von Natriummethylat müssen wenigstens Temperaturen von 55 °C während der Umesterungsreaktion eingestellt werden. Bei dieser Temperatur muss der Rohstoff nahezu wasserfrei sein, ansonsten werden etwa 2 bis 3 % des Rohstoffes verseift. Während der anschliessenden Neutralisation wird Salzsäure verwendet. Das entstehende Salz bleibt im Wasser gelöst. Gegen die Chloridkorrosion müssen insbesondere bei den folgenden thermischen Prozessen der Glycerinaufbereitung spezielle korrosionsfeste Stähle eingesetzt werden.

Natriummethylat ist zu wesentlich günstigen Preisen auf dem Markt erhältlich.

Die Umesterungsreaktion ist eine chemische Gleichgewichtsreaktion. Um möglichst eine hohe Ausbeute an Methylester zu erhalten, müssen folgende Dinge beachtet werden:

Temperatur möglichst hoch (begrenzt durch mögliche Verseifung des Rohstoffes und Siedepunkt des Methanols (69°C)
Druck möglichst hoch (Arbeiten unter Normaldruck aus genehmigungstechnischen Gründen und Preis zu hoch für Autoklaven)
Methanol im Überschuss
Glycerin möglichst schnell aus dem Reaktionsgemisch entfernen

Veresterungsverfahren

Used cooking oil mit höherem freien Fettsäuregehalt und reine Fettsäuren können partiell oder völlig mit Methanol verestert werden. Dazu reagieren die Fettsäuren unter Anwesenheit eines sauren Katalysators (Schwefelsäure oder Methansulfonsäure) und Methanol zu Monomethylester. Als Beiprodukt entsteht Wasser.

Die Veresterung ist auch eine chemische Gleichgewichtsreaktion:

Temperatur möglichst hoch (begrenzt durch den Siedepunkt des Methanols (69°C) und Schädigung des Rohstoffes)
Druck möglichst hoch (Arbeiten unter Normaldruck aus genehmigungstechnischen Gründen und Preis zu hoch für Autoklaven)
Methanol im Überschuss
Wasser möglichst schnell aus dem Reaktionsgemisch entfernen

Alternative Herstellungsverfahren für biogenen Dieselkraftstoff

Hydrotreated vegetable oil (HVO)

Pflanzenöle werden unter hoher Temperatur und hohem Druck hydriert. Dabei werden Stickstoff, Schwefel, Aromaten, Sauerstoff aus dem Pflanzenöl abgetrennt. Es entsteht ein reiner Kohlenwasserstoff, der dem Diesel beigemischt werden kann.

Wenn nur die C16 bis C18 Fraktion aus dem Pflanzenöl hydriert werden, können paraffinähnliche Kohlenwasserstoffe, die der Struktur des Kerosin ähneln (CFPP: -40°C), entstehen.

Aus 3,5 t Rapssaat können etwa 1200 Liter HVO hergestellt werden.

Hydroprocessed Esters and Fatty acids (HEFA)

Ähnlich ablaufender Prozess wie beim HVO.

 

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