Biopolttoaineen valmistusprosessi Jatropaöljystä

Tämä sivu on tietokide alatyypiltään muuttuja. Sivutunniste: Op_fi2625
Moderaattori:Tiia (katso kaikki) Sivun edistymistä ei ole arvioitu. Arvostuksen määrää ei ole arvioitu (ks. peer review).
Lisää dataa {{#opasnet_base_link:Op_fi2625}}

Kysymys

Kuinka jatropasta valmistetaan biopolttoainetta?

Vastaus

Biodieseliä valmistetaan esteröinnillä eli tarkemmin vaihtoesteröinnillä, ennen esteröintiä on öljy puristettava kalasta ja kuljetettava esteröintiin. Esteröinnissä biodiesel erotetaan öljystä alkoholin ja katalyytin avulla.

Perustelut

Biobieselin valmistusprosessi

• Öljynvalmistusprosessi jatropasta on hyvin samankaltainen, kuin muidenkin ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden;
  • Ensimmäisen sukupolven bioetanoli valmistetaan useimmiten sokeriruo'osta tai maissista fermentoimalla eli käyttämällä tärkkelystä. Ensimmäisen sukupolven biodieselin raaka-aineena voidaan käyttää kasvi- ja eläinrasvoja, jotka esteroidaan etanolin tai metanolin avulla dieselmoottoriin sopivan kemiallisen koostumuksen saavuttamiseksi.

Tutkimuksissa on todettu, että jatrophaöljyä voidaan lisätä dieseliin jopa 50 % toimivuuden kärsimättä merkittävästi, mutta tavallisesti kasviöljyn osuus seoksessa on pienempi. Kansainvälisillä markkinoilla eniten kiinnostusta herättänyt vaihtoehto onkin juuri dieselin valmistaminen jatrophaöljystä, joko esterointiprosessin tai muiden tekniikoiden avulla. Vaikka hyvälaatuista jatrophadieseliä voidaan käyttää sellaisenaan useimmissa dieselmoottoreissa, sitä sekoitetaan fossiiliseen dieseliin yleensä 1–20 % .

Valmistuksen alkuvaiheet

Jatrophadieselin valmistus alkaa hedelmien keräämisellä ja siementen irrottamisella hedelmistä. Siemenet puristetaan joko käsikäyttöisillä pikkupuristimilla tai suuremmilla koneistetuilla puristimilla. Käsikäyttöiset puristimet ovat edullisia, mutta niillä saadaan eroteltua korkeintaan 60 % siemenen sisältämästä öljystä. Koneistetuilla puristimilla päästään 75–90 %:n tulokseen, ja moderneilla puristustekniikoilla voitaneen saavuttaa jopa 100 % puristustulos. Puristamisen jälkeen öljy suodatetaan, jotta epäpuhtaudet ja sedimentin murut eivät heikennä öljyn käytettävyyttä tai energiapitoisuutta Jatrophaöljy on puhdasta, joten se soveltuu hyvin poltettavaksi. Jatrophan myrkyt eivät aiheuta päästöjä öljyn palaessa eikä dieselmoottoreista tule rikkidioksidipäästöjä niiden käydessä jatrophasta valmistetulla dieselillä Jatrophaöljyn molekyylissä on 16–18 hiiliatomia, kun niitä fossiilisessa dieselissä on 8–10. Tämä nostaa jatrophaöljyn viskositeettia ja laskee setaanilukua (setaaniluku kertoo palavuudesta, mitä korkeampi se on sitä helpommin polttoaine palaa.) fossiiliseen dieseliin nähden. Jatrophaöljyn setaaniluku on 23–41, joten se on usein parempi kuin rypsin (30–36), maapähkinän (30–41) tai auringonkukan (29–37). FAMEbiodieselin molekyylirakenteen ominaisuuksia on parannettu esteroinnin avulla.

Esteröinti

Biodieseliä valmistetaan esteröinnillä eli tarkemmin vaihtoesteröinnillä. Kasviöljyt ja eläinrasvat koostuvat lähes kokonaan triglyseridejä eli glyserolin triestereistä. Esteröinnissä glyseriini erotetaan katalyytin ja alkoholin avulla öljystä, jolloin glyseroli erottuu astian pohjalle ja öljy jää pinnalle, mistä se voidaan kerätä talteen. Prosessissa käytetään alkoholina metanolia tai etanolia, mutta näistä kahdesta metanoli on käytetympi edullisuutensa takia. Sillä myös saavutetaan vakaampi esteröintireaktio. Lähtöaineiden keskinäinen ainemäärä- eli moolisuhde vaikuttaa merkittävästi esteröintireaktiosta saatavan tuotteiden määrään. Isoin tuotto saadaan, kun metanolia on ylimäärin. Sen ihanteellinen moolisuhde reaktioon on 3:1, mutta reaktio tapahtuu nopeammin, jos se metanolin määrä kaksinkertaistetaan eli moolisuhde nostetaan 6:1, jolloin päästään yli 98 % saantoon. Jos metanolia käytetään reaktiossa alle 67 %, glyseroli ei erotu öljystä ollenkaan.

Esteröinti on hidas prosessi ja ilman katalyyttia se onnistuu vain korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Katalyyttina voidaan käyttää happoa, emäs- tai alkalimetallialkoksidia, joista kaksi jälkimmäistä ovat toimivimpia huoneenlämmössä. Emäskatalyyttina käytetään puhdasta natriumhydroksidia (NaOH) tai kaliumhydroksidia (KOH), joista ensimmäinen on käytetyin edullisuutensa takia. Käytetyin alkoksidi on natriummetoksidi (CH3ONa) ja happokatalyyttina voi olla suolahappo (HCl). Emäskatalyytit ovat käytetympiä teollisissa prosesseissa, koska happopohjaiset ovat syövyttävämpiä sekä katalyyttina ne ovat hitaampia. Katalyyttimääränä käytetään 0,5 – 1 % öljyn massasta, jolloin biodieselin saanto on noin 94 – 99 %. Kun käytetään katalyyttina natrium- tai kaliumhydroksidia, se liuotetaan suoraan metanoliin.

Ihanteellinen lämpötila normaalissa ilmanpaineessa esteröintireaktiolla on 60 – 70 ºC, joka on lähellä metanolin kiehumispistettä (65 ºC). Tällöin aikaa kuluu noin tunti, jos katalyyttina käytetään kaliumhydroksidia. Erotettu öljy on pestävä ja neutralisoitava ennen kuin siitä voidaan tehdä käyttökelpoista biodieseliä. Ennen vesipesua biodieselin pH on noin 9, mutta pesun jälkeen sen pH on 7 – 8. Pesulla myös saadaan erotettua biodieselistä mahdolliset saippuan, metanolin ja katalyytin jäämät. Pesun jälkeen puhdistettu biodiesel kuivataan, jolloin sen viskositeetti on suunnilleen sama kuin petrodieselillä. Toinen reaktiotuote glyseroli voidaan myös puhdistaa saippuasta ja reagoimattomasta katalyytistä, ja se onnistuu neutraloimalla se hapolla.

Jatropan esterointiprosessissa öljyyn lisätään 15 painoprosenttia alkoholia ja prosessin katalyytteinä käytetään emästä tai happoa. Prosessissa alkoholi korvaa glyserolin kasviöljymolekyylissä (3 öljymolekyyliä + 1 glyseroli -> 3 öljyä + 1 alkoholi). Lopputuloksena on metyyliesteri eli biodiesel, jota syntyy noin 92 % alkuperäisen jatrophaöljyn painosta.Kemiallisesti lopputuote on monoalkyyliesteri (C19H36O2). Öljyn jalostaminen biodieseliksi nostaa lopputuotteen energia-arvoa, mutta alkuperäinen energiamäärä vähenee, ellei sivutuotteena syntyvälle glyserolille ole käyttöä.

Thaimaalaisessa Kasetsartin yliopistossa tehdyn tutkimuksen mukaan jatrophasta valmistetun FAME-biodieselin elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt ovat noin 77 % fossiilisen dieselin päästöjä alhaisemmat. Jatrophadieselin valmistukseen käytetystä energiasta 40 % kului esterointiprosessiin, 23 % kasteluun ja 22 % lannoitteisiin. Elinkaarianalyysi ei kuitenkaan kerro koko totuutta jatrophadieselin aiheuttamista kasvihuonekaasutaseen muutoksista. Viljelystä johtuvilla maankäyttömuutoksilla voi olla valmistusprosessiin verrattuna moninkertainen merkitys biodieselin tuotannon aiheuttamiin kasvihuonekaasutaseen muutoksiin, sillä erilaisten kasvipeitteiden hiilensidontakyvyt vaihtelevat merkittävästi ja maanmuokkaus voi aiheuttaa muutoksia myös muiden kasvihuonekaasujen sidonnassa ja päästöissä Jatrophan puristamoiden ja öljyn käsittelykeskusten sijoittamisesta on monenlaisia mielipiteitä. Mikäli siemenet puristetaan paikallisesti lähellä kasvin tuottajia, siemenkakkujen käyttö jatrophaviljelmien lannoitteena on helposti toteutettavissa. Toisaalta pienten puristamojen teho ei ole yleensä kovin hyvä, jolloin osa öljystä jää hyödyntämättä.

Mikäli öljy esteroidaan lähellä tuottajia, prosessin sivutuotteena syntyvää glyserolia voidaan käyttää paikallisesti. Toisaalta jalostusasemien keskittäminen voi parantaa dieselin laatua, ja suurten glyserolimäärien hyödyntäminen on helpompaa, jos niitä voidaan myydä eteenpäin esimerkiksi kosmetiikkateollisuudelle. Toisin kuin runsaan vesipitoisuutensa takia helposti pilaantuvan öljypalmun siemenet, jatrophan siemenet säilyvät hyvin kuivattuina jopa 3 kk. Siementen säilyvyys ei siis aseta merkittäviä rajoitteita tuotantolaitosten sijoittelulle.

Avainsanat

Biopolttoaineet, ilmasto, jatropa

Katso myös

• Kenyan jatropha final report, N.D.Mortimer, 2011 [1]

Aiheeseen liittyviä tiedostoja

<mfanonymousfilelist></mfanonymousfilelist>