Τα ορυκτά καύσιμα, ειδικότερα το πετρέλαιο, αποτελούν την κύρια πηγή ενέργειας σε όλους τους βασικούς τομείς των ανθρώπινωνδραστηριοτήτων δηλαδή τις μεταφορές, την παραγωγή ηλεκτρισμού, τις βιομηχανικές διεργασίες και την οικιακή κατανάλωση. Ωστόσο, η συνεχώς αυξανόμενη εξάρτηση από τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα εγείρει πολύ βασικά ζητήματα όπως η υποβάθμιση του περιβάλλοντος, η ενεργειακή ασφάλεια και η όξυνση των κοινωνικών ανισοτήτων ιδίως στις μη ανεπτυγμένες χώρες.
Εκτός από αυτά τα προβλήματα , η πιθανή μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων στο εγγύς μέλλον έχει αναγκάσει την κοινωνία μας να αναζητήσει άλλες πηγές ενέργειας που είναι ανανεώσιμες. Από τις διάφορες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η βιομάζα έχει την ιδιότητα να αποτελεί τη μόνη φυσικά ευρισκόμενη πηγή άνθρακα που τα αποθέματά της είναι ικανά έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων
Τα υγρά καύσιμα που προέρχονται από αυτήν, δηλαδή τα βιοκαύσιμα, είναι εναλλακτικά υποκατάστατα της βενζίνης, του ντίζελ και των καυσίμων των αεροσκαφών. Τα σημαντικότερα είναι η αιθανόλη και το βιοντίζελ που κυριαρχούν στην παγκόσμια αγορά υγρών βιοκαυσίμων τα τελευταία χρόνια.
Ωστόσο, το βιοντίζελ είναι το πιο ενεργειακά αποδοτικό βιοκαύσιμο, αφού επιστρέφει περίπου 90% περισσότερη ενέργεια από την ενέργεια που επενδύεται για την παραγωγή του, ενώ η καθαρή ενέργεια που παρέχει η αιθανόλη, είναι μόνο 25%. Το βιοντίζελ είναι αναμίξιμο με το ορυκτό ντίζελ σε διάφορες αναλογίες και διαθέτει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με αυτό όπως: (i) είναι ανανεώσιμο,.(ii) παράγει χαμηλότερες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, (iii) μειώνει τις εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων, (iv) διαθέτει καλές διαλυτικές ιδιότητες, (v) έχει χαμηλή πτητικότητα και (vi) είναι βιοδιασπώμενο και μη τοξικό.
Το βιοντίζελ πρώτης γενιάς μπορεί να παραχθεί από μια μεγάλη ποικιλία κοινών φυτικών ελαίων (π.χ. σόγια, ελαιοκράμβη, ηλίανθος, αραχίδα) και ζωικών λιπών.
Ωστόσο, η διάθεση των εδώδιμων φυτών και λιπών για την παραγωγή βιοντίζελ μπορεί να προκαλέσει έλλειψη βασικών αγαθών ιδίως σε φτωχές χώρες, προκαλώντας σημαντική αύξηση των τιμών των τροφίμων και του νερού.
Επιπλέον, η δέσμευση δασικών εκτάσεων και άλλων σημαντικών οικοτόπων για την καλλιέργεια πρώτων υλών για την παραγωγή βιοντίζελ έχει αρνητικές επιπτώσεις
στην βιοποικιλότητα, την ποιότητα του εδάφους και τις εκπομπές CO2. Ως εκ τούτου, μεγάλος αριθμός μελετών επικεντρώνονται στην ανάπτυξη του βιοντίζελ δεύτερης γενιάς που παράγεται από μη εδώδιμες φυτικές πηγές (π.χ. έλαιο γιατρόφας), έλαια φυκών και απόβλητα της βιομηχανίας βρώσιμων ελαίων.
Η χρήση των απόβλητων μαγειρικών ελαίων (WCO) για την παραγωγή βιοντίζελ είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος αντιμετώπισης των προαναφερθέντων αρνητικών επιπτώσεων που συνδέονται με τα βιοκαύσιμα,ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί το πρόβλημα της διάθεσης των τοξικών ελαιούχων αποβλήτων τα οποία είναι δύσκολο να υποστούν επεξεργασία, ενώ η άμεση απόρριψή τους στο σύστημα αποστράγγισης προκαλεί σοβαρές οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Επειδή τα φυτικά έλαια είναι μια φθηνή πρώτη ύλη, χρησιμοποιούνται σε τεράστιες ποσότητες για την προετοιμασία των φαγητών, με αποτέλεσμα να παράγονται εκατομμύρια γαλόνια WCO την ημέρα. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαία η δημιουργία καλά οργανωμένων δικτύων συλλογής και ανακύκλωσης, τα οποία ωστόσο απαιτούν εκστρατείες ευαισθητοποίησης του κοινού πριν από τη διαδικασία συλλογής. Επιπλέον, η χρήση των WCO ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοντίζελ θα μπορούσε να αποτρέψει την ανακύκλωσή του στο μαγείρεμα, κάτι που εφαρμόζεται από αρκετάκαταστήματα εστίασης. Το λάδι μαγειρέματος που ανακυκλώνεται από ταWCO πιστεύεται ότι προκαλεί καρκίνο εξαιτίας των τοξικών περιεχομένων που παράγονται όταν το λάδι οξειδώνεται κατά τη διάρκεια του τηγανίσματος.
Οι νέες τεχνολογίες επεξεργασίας που αναπτύχθηκαν κατά τα τελευταία έτη επέτρεψαν την παραγωγή βιοντίζελ από ανακυκλωμένα τηγανέλαιαπου όχι μόνο είναι εφάμιλλο με εκείνο που προέρχεται από τα παρθένα φυτικά έλαια αλλά είναι και φθηνότερο, αφού η χρήση των WCO μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής βιοντίζελ κατά 60-90%..
Ο πιο κοινός τρόπος παραγωγής βιοντίζελ είναι η μετεστεροποίηση. Στην αντίδραση αυτή, τα τριγλυκερίδια που υπάρχουν στο έλαιο μετατρέπονται σε αλκυλεστέρες λιπαρού οξέος, FAAE) παρουσία μιας αλκοόλης βραχείας αλύσου, όπως μεθανόλης (μεθυλεστέρας λιπαρού οξέος, FAME) ή αιθανόλης (αιθυλεστέρας λιπαρού οξέος FAEE) και ενός αλκαλικού ή όξινου καταλύτη, ενώ εκτός από το βιοντίζελ παράγεται γλυκερόλη ως υποπροϊόν.
Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια ανασκόπησης της πλειονότητας των μεθόδων παραγωγής βιοντίζελ από WCO με έμφαση στη μετεστεροποίηση. Αρχικά εξετάζονται και συγκρίνονται οι συμβατικές τεχνολογίες που περιλαμβάνουν την ομογενή και ετερογενή κατάλυση (όξινη και βασική). Οι βασικοί καταλύτες είναι γενικά πολύ δραστικοί στην μετεστεροποίηση των τριγλυκεριδίων, αλλά χάνουν την δραστικότητά τους με την παρουσία των FFA που περιέχονται σε υψηλές ποσότητες στα WCO καθώς αντιδρούν με αυτά και παράγουν σάπωνεςΓι αυτό τον λόγο η αλκαλική διαδικασία δεν είναι κατάλληλη όταν χρησιμοποιούνταιWCO ως πρώτη ύλη
Από την άλλη πλευρά, η χρήση όξινων καταλυτών μπορεί να ξεπεράσει αυτά ταπροβλήματα, όμως είναι πολύ διαβρωτικοί και η όλη διαδικασία είναι πολύ αργή.
Η λύση που εφαρμόζεται συνήθως με πολύ καλά αποτελέσματα είναι η διαδικασία τωνδύο σταδίωνόπου αρχικά οι όξινοι καταλύτες μετατρέπουν τα ελεύθερα λιπαρά οξέα που περιέχονται στα WCO σε τριγλυκερίδια τα οποία στην συνέχεια μετατρέπονται σε εστέρες παρουσία βασικών καταλυτών.
Η ομογενής κατάλυση είναι πιο γρήγορη διαδικασία αλλά έχει το μειονέκτημα ότι περιλαμβάνει πολύπλοκα στάδια διαχωρισμού του καταλύτη από τα προϊόντα που δημιουργούν μεγάλες ποσότητες λυμάτων.
Πιο οικονομικά βιώσιμη λύση θεωρείται η χρήση των ετερογενών καταλυτών επειδή μπορούν να διαχωριστούν εύκολα και να επαναχρησιμοποιηθούν πολλές φορές σε συνεχείς διαδικασίες.
Άλλες τεχνολογίες που διερευνώνται είναι η ενζυματική και η μη καταλυόμενη υπερκρίσιμη μετεστεροποίηση. Και οι δύο έχουν υψηλές αποδόσεις σε εστέρες με πρώτη ύλη τα WCO. Ωστόσο, δεν χρησιμοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα λόγω του υψηλού κόστους τους.
Επίσης εξετάζεται η χρήση νέων τεχνολογιών επιτάχυνσης, όπως οι αντιδραστήρες σπηλαίωσης, ταλάντωσης, μικροκυμάτων, η απόσταξη με αντίδραση, οι στατικοί αναμείκτες και οι μικροδομημένοι αντιδραστήρες, διότι μπορούν να ξεπεράσουν τους περιορισμούς μεταφοράς μάζας και θερμότητας, οι οποίες χαρακτηρίζουν τηνμετεστεροποίηση, αυξάνοντας την απόδοση στα τελικά προϊόντα. σε σύγκριση με τις συμβατικές διαδικασίες διαλείπουσας λειτουργίας.
Εκτός από τη μετεστεροποίηση, διερευνήθηκαν και άλλες μέθοδοι για τη μετατροπή των WCO σε βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς, όπως η καταλυτική υδρογονοεπεξεργασία, η οποία παράγει πράσινο και λευκό ντίζελ, η συν-υδρογονοεπεξεργασία των κλασμάτων πετρελαίου με ακατέργαστο φυτικό έλαιο, όπου είναιη περίπτωση του υβριδικού ντίζελ και τέλος η διαδικασία Fischer-Tropsch που περιλαμβάνει την αεριοποίηση των ελαίων και την παραγωγή αερίου σύνθεσης. Όλες αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούν την υπάρχουσα υποδομή των διυλιστηρίων για την παραγωγή υψηλής ποιότητας βιοκαυσίμων από λιπίδια με ελάχιστο κόστος κεφαλαίου. Ωστόσο, μόνο το λευκό ντίζελ είναι τοπίο ανανεώσιμο από αυτά τα βιοκαύσιμα, επειδή παράγεται αποκλειστικά από WCO.
Fossil fuels, oil in particular, are the main stream of energy in all sectors of human life, be it transportation, power generation, industrial processes, and residential consumption. However the continuously increasing dependence on conventional fossil fuels gives rise in fundamental challenges concerning environmental degradation, energy security andmajor disruptions in social structures especially in under developed countries
Apart from these, the probable scarcity of fossil fuels in the near future has forced our society to diversify the energy sources with an emphasis on renewable fuels. Of the various forms of renewable energies, the only current sustainable source of organic carbon is plant biomass. The liquid fuels that are deriving from it, i.e. the biofuels, are alternative substitutes for petrol, diesel or aircraft fuel
Among these, ethanol and biodiesel have gained importance in the global supply of liquid fuels in recent years.
However biodiesel provides one of the best energy returns among renewable fuels. It
returns about 90% more energy than the energy that is invested to produce it, where ethanol, in comparison, only provides about 25% net energy. Biodiesel is miscible with petrodiesel in all ratio and possesses several advantages over it such as: (i) it is
renewable, (ii) it has a closed carbon cycle, (iii) it produces lower greenhouse gases emissions(iv) reduces the emission of particulate matters, (v) possess good solvent
properties (vi) it has low volatility and (vii) it is biodegradable and non-toxic.
First generation biodiesel can be produced from a great variety ofcommon vegetable oils (e.g soybean, rapeseed/canola, sunflower, peanut) and animal fats (usually
tallow).
However there are concerns that biodiesel feedstock may compete with food supply in the long-term bringing considerable rise of food and water prices and thus questioning its sustainability
Additionally, the conversion of forests and other critical habitats for biodiesel feedstocks cultivation has the associated damage on biodiversity, loss of soil quality or land fertility, emissions from carbon stock change and land competition, among others
Hence, most of the studies focus on the development and commercialization of the second -generation biodiesel that is produced from non-edible plant oil source (e.g. jatropha oil), algae oil and waste products of edible oil industry .
The use of waste cooking oils (WCO) can be an effective way of minimizing the above mentioned negative impacts associated with biodiesel production and at the same time of using a hard to treat residue whose direct discharge into the drainage system induces severe environmental impact. WCO as a cheap feedstock is produced around the world and developed countries produce million gallons of waste cooking oil per day. Therefore the establishment of well organized networks of collection and recycling is necessary which it however requires public awareness campaigns preceding the collection process.
Additionally, the use of WCO as feedstock for biodiesel production,could prevent its recycling for cooking, which is being performed by some companies. Cooking oil recycled from WCO is believed to cause cancer because of the toxic contents produced when the oil is oxidized during frying.
The new process technologies developed during the last years made it possible to produce biodiesel from recycled frying oils comparable in quality to that of virgin vegetable oil biodiesel with an added attractive advantage of being lower in price. In fact from an economic point of view the production of biodiesel is very feedstock
sensitive. The use of WCO can reduce biodiesel production costs by 60–90%.
Currentlythe most practical and common way of producing biodiesel is by transesterification. In this reaction, triglycerides present in the oil, are converted into fatty acid alkyl ester (FAAE), in the presence of a short chain alcohol, such as methanol (fatty acid methyl ester, FAME ) or ethanol (fatty acid ethyl ester FAEE) , and a catalyst, such as alkali or acid. The process also yields glycerol as a by product.
In this paper, an attempt has been made to review most of the methods regarding the production of biodiesel from WCO with emphasis on transesterification.First the conventional routes which involve homogenous and heterogeneous catalysis (acidic and basic) are examined and compared. Base catalysts are highly active in the transesterfication of triglycerides. However they face a big challenge in terms of the free fatty acids and water contents in the oil as theylose their activity when they react with them acidsto form soap.On the other hand the employment of acid catalysts can overcome these shortcomings but they can be very corrosive and the process is very slow. In general, a complex two-step process has to be used for theester production from high-acid-value waste cooking oil: using acid catalysts to convert free fattyacids in the first step and base catalysts to convert triglycerides in the second step.
Homogenouscatalysis is a much quicker process but it has the disadvantage of the difficult separation of the catalyst from the products which creates streams of waste water. In this context most promising is the use of heterogeneouscatalysts because they are easily separated and can be reusable many times.
Other possible routes that are being explored is the use of enzymes and the non – catalyzed supercriticalmethod, both of which report of high performance in esters from WCO. However they are not used at an industrial scale becauseof their highercosts
The employment of new accelerating technologies such as cavitational reactors, oscillatory baffled reactors, microwave reactors, reactive distillation, static mixers and microstructured reactors is also being examined, because they can overcome mass and thermal transfer inhibitions, which characterize transesterification, and enhance performance of biodiesel productioncompared with conventional batch tank processes.
Besides transesterification other methods for converting WCO into second generation biofuels have been investigated, such ascatalytic hydroprocessing, which produce green and white diesel,co-hydroprocessing of petroleum fractions with raw vegetable oil which is the case of hybrid diesel and finally the Fischer–Tropsch processwhich comprises oils gasification and the production of synthesis gas. All these methods make use of the existing refineries’ infrastructure for producing high quality biofuels from lipid feedstocks with minimum capital costs. However, only white diesel possesses the most renewable character of them all because it is produced solely from WCO.
Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Main Files
Καταλυτικές μέθοδοι παραγωγής βιοκαυσίμων από χρησιμοποιημένα έλαια - Identifier: 73038
Internal display of the 73038 entity interconnections (Node labels correspond to identifiers)
