Produkcja biodiesla i oleju jadalnego z nasion rzepaku cz.1

W niniejszym wpisie zostanie przybliżona metoda produkcji biodiesla z nasion rzepaku, co jest na chwilę obecną najpopularniejszą metodą, rozprzestrzenioną na skalę przemysłową. Jedną z ważniejszych kwestii w technologii produkcji jest sposób pozyskiwania oleju z nasion roślin oleistych. Wpływa on na właściwości oraz wydajność ekstrakcji oleju. Produkcja oleju z nasion rzepaku składa się z kilku etapów: oczyszczanie, wstępne przygotowanie nasion, kondycjonowanie, rozdrabnianie, prażenie, tłoczenie na zimno lub gorąco, ekstrakcja oraz filtracja. Jakość nasion rzepaku ma wpływ na wszystkie powyższe etapy, zaś za jakość nasion odpowiada technologia produkcji rzepaku, czyli praca rolnika. Na chwilę obecną można zaobserwować, iż gospodarstwa rolne coraz częściej zaczynają samodzielnie tłoczyć olej z nasion rzepaku, a także z czarnuszki, słonecznika, gorczycy czy lnu, co sprawia, iż rolnicy prowadzą przetwórstwo w celach konsumpcyjnych lub przemysłowych poprawiając swoją dochodowość na poziomie małych i średnich gospodarstw, a także nieustannie rozwijając się. Do zwiększenia produkcji biodiesla, a także olejów jadalnych z nasion rzepaku przyczynia się zwiększona świadomość ekologiczna konsumentów, w tym o odnawialnych źródłach energii.

Produkcja oleju z nasion rzepaku

Otrzymanie odpowiedniego jakościowo oleju służącego do dalszej produkcji biodiesla zależy od ilości uszkodzonych nasion rzepaku (głównie chodzi o połówki nasion), stopnia dojrzałości nasion, a także od czasu i warunków magazynowania. Na początek należy nasiona oczyścić, czyli usunąć zanieczyszczenia jak piasek, żwir, łodygi, nasiona chwastów oraz łuszczyny. Nasiona rzepaku muszą być także poddane procesowi suszenia, w celu obniżenia zawartości wody. Następnym krokiem jest kondycjonowanie nasion, które dzieli się na wstępne i zasadnicze. Kondycjonowanie przeprowadza się w celu uzyskania jak największej wydajności, która wpływa na jakość, skład oraz właściwości oleju roślinnego, otrzymywanego po procesie tłoczenia. Po zakończeniu kondycjonowania, jeszcze przed tłoczeniem oleju, nasiona poddaje się rozdrabnianiu, dzięki czemu otrzymuje się miazgę nasienną o prawie jednorodnej konsystencji, co w dużym stopniu ułatwia następny etap. Do rozdrabniania wykorzystuje się urządzenia składające się z dwóch walców ułożonych jeden nad drugim: walec rozdrabniający (znajdujący się u góry) oraz walec prasujący (znajdujący się na dole).

Tłoczenie oleju

Tłoczenie oleju może odbywać się metodą ciągłą („na zimno” i na „gorąco”) i okresową. Obie metody różnią się od siebie przebiegiem tłoczenia, wydajnością oraz parametrami otrzymanego oleju. Technologia tłoczenia oleju „na zimno” przebiega przy użyciu prasy ślimakowej (śrubowej). Odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze oraz w układzie jedno- lub dwustopniowym. Metoda ta używania jest przeważnie w małych olejarniach. Ziarna poddane są rozgniataniu i późniejszemu ściskaniu pomiędzy ślimakiem (w kształcie stożka) a ścianką boczną wzmacniającą prasę. Wytłoczony olej wycieka przez cedzidła i wpływa do wanien olejowych. Następnie poddawany jest wstępnej filtracji i przy udziale pomp tłoczony do zbiornika, skąd jest poddawany właściwej filtracji. Pozostałość z nasion po wytoczeniu oleju nazywa się wytłokiem lub makuchem (może być przeznaczony na paszę dla zwierząt). Większą wydajność można osiągnąć używając technologię tłoczenia oleju „na gorąco”, która może również odbywać się w procesie jedno- lub dwustopniowym. W tej metodzie nasiona są wstępnie płatkowane i poddane prażeniu. Dopiero tak przygotowana miazga jest dostarczona do prasy ślimakowej. Wydajność podczas tłocznia w warunkach termicznych zwiększa się, ponieważ podwyższona temperatura zmniejsza napięcie powierzchniowe i lepkość oleju, co z kolei pomaga w jego mechanicznym wytłaczaniu. Dalszy tok postępowania odbywa się analogicznie jak w metodzie na „zimno”.

Ekstrakcja i oczyszczanie surowego oleju

Zanim wytłoki zostaną wykorzystane do przerobu na paszę poddaje się je ekstrakcji rozpuszczalnikiem w celu odzyskania z nich dodatkowej ilości oleju (makuchy zawierają około 15-20% tłuszczu). Proces ekstrakcji odbywa się w ekstraktorach, gdzie wytłoki są przemywane rozpuszczalnikiem. Najczęściej używanymi rozpuszczalnikami są węglowodory, które rozpuszczają się w tłuszczach. Mieszanka oleju i rozpuszczalnika jest filtrowana oraz poddana odparowaniu, aby usunąć rozpuszczalnik. Wydajność takiego procesu jak ekstrakcja chemiczna jest wysoka i wynosi ok. 98%. Po ekstrakcji uzyskuje się olej surowy, poekstrakcyjny oraz śrutę rzepakową. Nierozpuszczalne zanieczyszczenia, znajdujące się w surowym oleju można usunąć używając filtrów płytowych lub zjawiska sedymentacji. Podczas stosowania sedymentacji występują duże straty oleju, więc korzystniejszym, z punktu wydajności, procesem jest filtracja, w której tworzy się placek filtracyjny (usuwany okresowo ręcznie lub automatycznie). Zanieczyszczenia rozpuszczalne w oleju surowym usuwa się używając procesu rafinacji.

Reakcja transestryfikacji kwasów tłuszczowych

Proces transestryfikacji może mieć zróżnicowaną wydajność, na co mogą wpływać następujące czynniki: czas reakcji, czystość substratów, stosunek molowy alkoholu do triglicerydów, rodzaj alkoholu, rodzaj katalizatora, warunki reakcji (temperatura, ciśnienie, intensywność mieszania) oraz stopień odrafinowania oleju roślinnego (w tym zawartość wody w oleju). Alkoholem najczęściej stosowanym w tej reakcji jest metanol (rzadziej etanol), ponieważ ma niską cenę, wysoką reaktywność oraz jego obecność cechuje się ograniczeniem hydrolizy i tworzenia niepożądanego mydła. Można także stosować inne alkohole o krótkich łańcuchach od C₁ do C₄. Ze względu na higroskopijny charakter metanolu, jego zanieczyszczeń, takich jak wilgotność i wilgoć z powietrza, może on zmniejszać skuteczność katalizatora, obniżając wydajność powstającego biodiesla. Proces transestryfikacji można zintensyfikować za pomocą wykorzystania następujących dodatkowych operacji: wykorzystanie ultradźwięków, zastosowanie energii mikrofalowej oraz zastosowanie współrozpuszczalników.

Rola katalizatorów w procesie transestryfikacji

W celu osiągnięcia wysokiej wydajności i przyśpieszenia procesu otrzymywania estrów w procesie transestryfikacji olejów roślinnych w łagodnych warunkach reakcji, konieczny jest katalizator. W zależności od wybranej technologii oraz od właściwości reagentów stosowanych w procesie wyróżnia się katalizatory homogeniczne (zasadowe i kwasowe), które są częściej wykorzystywane przy produkcji biodiesla oraz katalizatory heterogeniczne. Gdy przeprowadzana transestryfikacja jest jednostopniowa, to stosuje się jeden rodzaj katalizatora, a gdy jest dwustopniowa, to w I etapie stosuje się katalizator kwaśny a następnie w II etapie alkaliczny. Większość dużych zakładów produkujących biodiesla wykorzystują homogeniczne katalizatory zasadowe. Są to związki alkaliczne, które obejmują sole metali alkalicznych (w roztworze alkoholu) lub częściej wodorotlenki sodu (najczęściej wykorzystywane ze względu na niskie koszty) lub potasu (możliwość zagospodarowania odpadu jako nawóz). Z kolei katalizatory heterogeniczne można stosować, w celu pominięcia uciążliwych operacji jednostkowych, związanych z rozdziałem faz, wywołanych obecnością mydeł. Dzięki takiemu typowi katalizatorów można uzyskać niższe koszty produkcji biodiesla oraz wyższą czystość. Katalizatory mogą być wielokrotnie wykorzystane (rozdzielanie w hydrocyklonach) przez dłuższy czas i nie ma jego strat. Poniżej na rysunkach 1 i 2 przedstawiono kolejno uproszczony schemat ilustrujący proces produkcji biopaliw FAME przy użyciu katalizatora homogenicznego i heterogenicznego.

Rys.1 Uproszczony schemat ilustrujący proces produkcji biopaliw FAME przy użyciu katalizatora homogenicznego. Opracowanie własne na podstawie: Klimiuk i in. 2012.

Rys.2. Uproszczony schemat ilustrujący proces produkcji biopaliw FAME przy użyciu katalizatora heterogenicznego. Opracowanie własne na podstawie Klimiuk i in. 2012.

Tłoczenie oleju z nasion rzepaku w gospodarstwie rolnym

Wiadomym jest, że gospodarstwa rolne wykonują najczęściej jedynie jeden etap z zaprezentowanego ciągu procesów prowadzących do otrzymania biodiesla, którym jest tłoczenie oleju z nasion rzepaku, głównie „na zimno” chociaż coraz częściej także „na gorąco”. Tłoczenie oleju może odbywać się w gospodarstwach do produkcji oleju jadalnego lub przemysłowego (np. na sprzedaż jako półprodukt do dalszej obróbki). Produkcja oleju przez gospodarstwa rolne w celu konsumpcyjnym musi spełniać szereg wymogów, do których należy przede wszystkim wysoka jakość nasion rzepaku, które nie powinny być chemiczne dosuszane przed zbiorem oraz ogólnie powinna być znaczne zminimalizowana ilość stosowanych środków ochrony roślin czyli uprawa zrównoważona lub ekologiczna. Tłoczenie oleju w gospodarstwach rolnych odbywa się zazwyczaj w specjalnie zaprojektowanych prasach ślimakowych, gdzie kluczowymi parametrami pracy są: temperatura oraz stosunek częstotliwości obrotów ślimaka do ciśnienia prasy. Po przeprowadzeniu procesu tłoczenia istotne jest aby otrzymany olej schłodzić do temperatury w zakresie od 4 do 10°C i rozlewać w butelki, a także przechowywać w miejscu zaciemnionym. Oleje tak wyprodukowane ulegają naturalnej sedymentacji, zaś nie są poddawane procesowi filtracji jak to się dzieje na skalę przemysłową. W taki sposób oleje w gospodarstwie można przechowywać do 3 miesięcy. Oleje tłoczone przez rolników w celach spożywczych, na małą skalę, w porównaniu do uzyskiwanych w procesie rafinacji posiadają chlorofil, witaminę E, beta karoten, żelazo, wapń, magnez, miedź i fosfor. Należy również dodać, iż oleje tłoczone „na zimno” posiadają właściwości prozdrowotne. Najbardziej popularny jest olej rzepakowy z tzw. pierwszego tłoczenia, gdzie nasiona są tłoczone tylko raz, a w wyniku nacisku olej spływa do specjalnych zbiorników.

 

Źródła:

1. Bart J.C.J., Palmeri N., Cavallaro S., Biodiesel science and technology. From soil to oil, CRC Press, Oxford Cambridge New Delhi, Woodhead Publishing 2010, ISBN 978- 1-84569-776- 1.
2. Chakraborty S., Aggarwal V., Mukherjee D., Koris A., Biomass to biofuel: a review on production technology, Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 2012; 7 Wiley Online, DOI: 10.1002/apj.1642.
3. Instytut Energetyki Odnawialnej (EC BREC IEO), Możliwości wykorzystania odnawianych źródeł energii w Polsce do roku 2050, ekspertyza dla Ministerstwa Gospodarki, Warszawa 2020.
4. Karampinis E., Kourkoumpas D., Grammelis P., Kakaras E., New power production options for biomass and cogeneration, WIREs Energy Environ 2015, 4:471–485, DOI: 10.1002/wene.163.
5. Klimiuk E., Pawłowska M., Pokój T., Biopaliwa Technologie dla zrównoważonego rozwoju, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012, ISBN 978-83-01-17170-4.
6. Luque R., Sze Ki Lin C, Wilson K., and Clark J., Handbook of Biofuels Production Processes and Technologies, Second Edition, Wydawnictwo Elsevier 2016, ISBN: 978-0-08-100456-2.
7. McKone T.E., Nazaroff W.W., Berck P., Auffhammer M.,Lipman T., Torn M.S.,Masanet E., Lobscheid A., Santero N., Mishra U., Barrett A., Bomberg M.,Fingerman K., Scown C., Strogen B., Horvath A., Grand Challenges for Life-Cycle Assessment of Biofuels, Environmental Science & Technology 2011, 45, 1751–1756, DOI: 10.1021/es103579c.
8. Najafpour G. D., Biochemical Engineering and Biotechnology (2 nd Ed.), Elsevier 2015, ISBN 978-0-444-63357-6.