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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Oleochemie und betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäureniedrigalkylestern durch
Umesterung von Triglyceriden mit hohem Gehalt an freien Fettsäuren.
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Die
Herstellung von Fettsäureniedrigalkylestern,
also Estern von Monocarbonsäuren
mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen mit aliphatischen C
1-C
6 Alkoholen, durch Umesterung von tierischen
Fetten und pflanzlichen Ölen
mittels unterschiedlicher Katalysatoren ist aus dem Stand der Technik
hinreichend bekannt. So beschreibt z.B. die DE 4324875 A1 ein Niederdruckverfahren
zur Umesterung unter Einsatz von Statikmischern. Aus den Druckschriften
US 2004254387 A1 und
WO 04/103934 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen man fettsäurereiche
Triglyceride mit Schwefelsäure
umestert. In der
US
2002035282 A1 wird vorgeschlagen, die Umesterung in Gegenwart
von Carbonaten als Katalysatoren durchzuführen. Gemäß der Lehre der WO 01/088072
A1 wird die Umesterung im Gegenstrom mit gasförmigem Methanol durchgeführt. In
der
US 6,822,105 wird
vorgeschlagen, hohe Fettsäureanteile
im Öl zunächst mit
Glycerin zu verestern, damit anschließend eine Niederdruckumesterung
stattfinden kann. Gemäß der Lehre
der WO 03/087279 A2 wird die Umesterung von Triglyceriden in Gegenwart
methanolischer Alkalilösungen
durchgeführt.
Das Verfahren, zumal bei den extrem kurzen Verweilzeiten, ist aber
auf säurehaltige Öle nicht
anwendbar.
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In
der Schrift „Kinetics
of transesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as treated
in supercritical methanol",
D. Kusdiana, S. Saka, Fuel, Volume 80, Issue 5, April 2001, p 693-698
wird vorgeschlagen, die Umesterung bei Temperaturen oberhalb von
350 °C durchzuführen, wobei
das molare Methanol/Triglycerid-Verhältnis Molverhältnis oberhalb
von 42 liegen sollte. Gemäß der Lehre
der Schrift „Response
Surface Modeling of Interesterification of Crude and refined corn
oil with methanol: Proceedings of the world conference on oilseed
processing utilization, AOCS Press, 2001, p. 192-196" lassen sich fettsäurerei che
Triglyceride nur mit sehr viel Alkoholat als Katalysator umsetzen,
da der Katalysator durch die freie Fettsäure deaktiviert wird.
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Die
Verfahren des Stands der Technik zeichnen sich jedoch alle durch
schwerwiegende Nachteile aus. So gelingt die Umesterung von Glyceridgemischen,
die über
einen hohen Gehalt an freien Fettsäuren verfügen, ohne vorherige Aufarbeitungsschritte
nur unvollständig,
da der alkalische Katalysator mit großer Geschwindigkeit verseift
wird.
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Die
komplexe Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat folglich darin bestanden,
ausgehend von tierischen, vorzugsweise aber pflanzlichen Triglyceriden
mit hohem, gegebenenfalls auch künstlich
erhöhtem
Anteil an freien Fettsäuren
(Säurezahlen
im Bereich von 3 bis 20) Fettsäureniedrigalkylester über den
Weg der alkalikatalysierten Umesterung herzustellen, ohne dass eine
Reaktion der freien Fettsäure
mit dem alkalischen Katalysator stattfindet. Gleichzeitig sollten
auch unerwünschte
Begleitstoffe, wie z.B. Schleimstoffe vollständig umgesetzt werden, um auf
diese Weise qualitativ bessere Ester, beispielsweise mit niedrigeren
Farbzahlen herstellen zu können.
Letztlich sollte das Verfahren auch einen Weg aufzeigen, wie im
Verlauf der Entfernung von nicht-umgesetzten Alkohol sowohl die
Verseifung als auch eine Rückreaktion
verhindert werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäureniedrigalkylestern
durch alkali-katalysierte Umesterung von Triglyceriden mit Säurezahlen
im Bereich von 3 bis 20 mit aliphatischen C1-C6 Alkoholen, welches sich dadurch auszeichnet,
dass man
- (a) ein Volumenverhältnis Alkohol
: Triglycerid von 0,25 bis 0,70 einstellt, sowie
- (b) die Umesterung über
einen Zeitraum von 0,5 bis 3 h,
- (c) bei Temperaturen von mindestens 225 °C und
- (d) Drücken
von mindestens 40 bar durchführt.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass Öle
mit Fettsäureanteil
mit alkoholischen Alkalihydroxiden umgeestert werden können, ohne
dass eine Verseifung der freien Fettsäure mit der Alkalibase stattfindet, sofern
ein Volumenverhältnis
Alkohol zu Triglycerid von etwa 0,3 bis 0,7 eingestellt wird, was
etwa einem maximalen molaren Verhältnis von 3 Mol Alkohol zu
1 Mol Fettsäure
im Öl entspricht.
Es handelt sich hierbei um einen Einstufenprozess, d.h. Vorveresterungen,
Entsäuerungsschritte
und dergleichen müssen
nicht stattfinden. Dem Rohöl
kann sogar noch Fettsäure
zugesetzt werden, damit etwaige Abfallströme oder Seitenströme auch
eingesetzt und verwertet werden können, ohne dass die Umesterung
dadurch beeinträchtigt
wird. Wichtig sind weiterhin die An der Alkalidosierung und die
Temperatur im Reaktionsprozess. Temperaturen unter 220 °C und Drücke unterhalb
von 40 bar wirken sich negativ auf das Umesterungsergebnis aus.
Ab 230 °C
findet beispielsweise eine Umesterung von 90 statt, wenn man eine
Verweil- oder Reaktionszeit von 0,5 bis 2 h einstellt. Ein weiterer
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Qualität
des entstehenden Methylesters gegenüber den Prozessen des Stands
der Technik erheblich verbessert wird. Insbesondere Beiprodukte
wie Schleimstoffe, werden vollständig
umgesetzt bzw. zersetzt und tauchen so im Methylester nicht auf
und ermöglichen
eine bessere Farbqualität.
Schließlich
findet bei der anschließenden
Alkoholentfernung weder eine Verseifung noch eine Rückreaktion
statt.
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Ausgangsstoffe
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Die
Auswahl der Ausgangsstoffe ist für
das erfindungsgemäße Verfahren
wenig kritisch. Grundsätzlich können Triglyceride
der Formel (I) eingesetzt werden,
in der
R
1CO, R
2CO und R
3CO unabhängig
von einander für
Acylreste mit 6 bis 22, vorzugsweise 12 bis 18 Kohlenstoffatomen
und 0 oder 1 bis 3 Doppelbindungen stehen. Diese Stoffe können tierischer
oder pflanzlicher Herkunft sein, wobei letztere insofern bevorzugt
sind, als dass sie die höhere
kommerzielle Bedeutung besitzen und häufig herstellungsbedingt schon
hohe Säurezahlen
besitzen. Typische Beispiele sind Kokosöl, Palmöl, Palmkernöl, Sonnenblumenöl oder Rapsöl sowie
beliebige Gemische. Die Triglyceride können herstellungsbedingt Anteile
an Mono- und Diglyceriden enthalten, die typisch in Summe jedoch
unter 30 und vorzugsweise unter 15 Gew.-% liegen. Bezüglich der
Menge an freien Fettsäuren
können
die Ausgangsstoffe Säurezahlen
im Bereich von 3 bis 20 und vorzugsweise 5 bis 15 sowie unabhängig davon
einen Wassergehalt von weniger als 0,2 Gew.-% aufweisen. In diesem
Sinne ist es – wie
schon eingangs erläutert – auch möglich, den Gehalt
an freien Fettsäuren
künstlich
zu erhöhen,
um beispielsweise Seitenströme
aus anderen Verfahren noch sinnvoll zu verwerten – was der Ökonomie
des Verfahrens einen zusätzlichen
Vorteil verleiht.
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Als
Alkohole kommen die aliphatischen C1-C6 Alkohole, vorzugsweise Ethanol, Propanol
und natürlich insbesondere
Methanol in Frage. Wenn also von Niedrigalkylestern die Rede ist,
so sind damit die C1-C6 Alkylester
gemeint.
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Durchführung des
Verfahrens
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Wenn
im Rahmen der Erfindung ausschließlich von Umesterung die Rede
ist, so sei an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass damit auch die Veresterung der Anteile an freien Fettsäuren in
den Ausgangsstoffe eingeschlossen ist.
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Ein
kritischer Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das Volumenverhältnis Alkohol
: Triglycerid dar, welches 0,25 bis 0.70 und vorzugsweise 0,3 bis
0,6 betragen sollte. Als Katalysator wird üblicherweise eine 1 bis 30
Gew.-%ige Lösung
eines Alkalihydroxids, vorzugsweise Kaliumhydroxid im Umesterungsalkohol,
vorzugsweise in Methanol eingesetzt, wobei die Einsatzmenge 0,03
bis 0,2, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Alkalihydroxidlösung – bezogen
auf die Menge Triglycerid – betragen
sollte. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Katalysatorlösung bei
Temperaturen oberhalb von 230 °C
zuzudosieren. Gegenüber
niedrigeren Dosiertemperaturen lässt
sich auf diese Weise mit einer geringeren Katalysatormenge der gleiche
Gleichgewichtsumsatz erzielen.
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Die
Anmelderin hat im Übrigen
gefunden, dass der Prozess sensitiv gegenüber Wasseranteilen ist. Bei Wasseranwesenheit
von > 1 Gew.-% bezogen
auf des Einsatzöl
wird die Umesterungsreaktion deutlich verlangsamt, die Veresterungsreaktion
nahezu gestoppt. Es empfiehlt sich daher, das Alkalihydroxid in
einer wasserfreien alkoholischen Lösung zuzugeben und den Wassergehalt
im Reaktionssystem insgesamt auf maximal 1 Gew.-% zu begrenzen.
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Schließlich wird
das Verfahren üblicherweise
bei Temperaturen im Bereich von 225 bis 270, vorzugsweise 230 bis
250 °C und
Drücken
im Bereich von 40 bis 75, vorzugsweise 50 bis 70 bar durchgeführt, wobei sich
Verweilzeiten im Bereich von 0,75 bis 2 h bewährt haben. Alle übrigen Parameter
sind dem Fachmann wohl vertraut, so dass er sie einstellen kann,
ohne dazu besondere Angaben zu erhalten oder gar erfinderisch tätig werden
zu müssen.
Das Verfahren und die Einflussgrößen werden
zudem nachfolgend durch Ausführungsbeispiele
veranschaulicht.
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Beispiel 1
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 4 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
1,2 g KOH) wurden in einen Parr-Autoklaven gegeben, der für Temperaturen bis
250 °C und
Drücke
bis 80 bar ausgelegt war. Das Gemisch wurde unter starkem Rühren auf
230 °C aufgeheizt.
Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine Stunde bei einer
Temperatur von 230 °C
und einem Druck von 50 bar durchgeführt. Nach dem Abkühlen wurden
Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass keine TG = Triglycerid
und DG = Diglyceride vorhanden sind, wohl aber MG = Monoglyceride,
von 10 %, es hatte sich 90 % Methylester gebildet (alle Gehalte werden
in Flächenprozent
angegeben). Die Säurezahl
war auf 1,2 gefallen. Während
der Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 2
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Einfluss der Temperatur
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 4 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
1,2 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde unter starkem
Rühren
auf 210 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 210 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 nur 76 % des dort bestimmten Umsatzes erhalten wurden. Die Säurezahl
war auf 3 gefallen. Während der
Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 3
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Einfluss der Temperatur
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 4 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
1,2 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde unter starkem
Rühren
auf 190 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 190 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 nur 30 % des dort bestimmten Umsatzes. Die Säurezahl war auf 4,6 gefallen.
Während
der Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 4
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Einfluss der
Katalysatormenge
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 2 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
0, 6 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde
unter starkem Rühren
auf 230 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 230 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 der gleiche Umsatz erhalten wurde. Die Säurezahl war auf 1,3 gefallen.
Während
der Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 5
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Einfluss der
Katalysatormenge
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 1 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
0,3 g KOH) werden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wird unter
starkem Rühren
auf 230 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 230 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 nur 77 % des dort bestimmten Umsatzes erhalten wurde. Die Säurezahl
war auf 2,8 gefallen. Während der
Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 6
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Einfluss der Wassermenge
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol, 6,5 ml VE Wasser und 2 g einer gesättigten
Kaliumhydroxid-Lösung
(entspricht 0, 6 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde
unter starkem Rühren
auf 230 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine Stunde
bei einer Temperatur von 230 °C
und einem Druck von 50 bar durchgeführt. Nach dem Abkühlen wurden
Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 nur 80 % Umsatz erhalten wurde. Die Säurezahl war nur auf 8 gefallen.
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Beispiel 7
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Einfluss der Reaktionszeit
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 4 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
1,2 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde unter starkem
Rühren
auf 230 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
halbe Stunde bei einer Temperatur von 230 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 der gleiche Umsatz bei der Umesterung erhalten wurde. Die Säurezahl
war nur auf 4,3 gefallen.
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Beispiel 8
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Einfluss der Reaktionszeit
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
13), 195 ml Methanol und 4 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
1,2 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde unter starkem
Rühren
auf 230 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion für 15 Minuten
bei einer Temperatur von 230 °C
und einem Druck von 50 bar durchgeführt. Nach dem Abkühlen wurden
Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 nur 45 % Umsatz bei der Umesterung erhalten wurde. Die Säurezahl
war nur auf 9 gefallen.
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Beispiel 9
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Einfluss der Temperatur
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
16), 195 ml Methanol und 2 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
0, 6 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde
unter starkem Rühren
auf 240 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 240 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 der gleiche Umsatz erhalten wurde. Die Säurezahl war auf 3,4 gefallen.
Während
der Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 10
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Einfluss von
Temperatur- und Katalysatormenge
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
16), 195 ml Methanol und 1 g einer gesättigten Kaliumhydroxid-Lösung (entspricht
0, 6 g KOH) wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch wurde
unter starkem Rühren
auf 240 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurde die Reaktion eine
Stunde bei einer Temperatur von 240 °C und einem Druck von 50 bar
durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel
1 der gleiche Umsatz erhalten wurde. Die Säurezahl war auf 3 gefallen.
Während
der Reaktion hat keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 11
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Einfluss der
Katalysatorzugabentemperatur
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650
ml unbehandeltes Kokosöl
(Startsäurezahl
16), 195 ml Methanol wurden in den Autoklaven gegeben. Das Gemisch
wurde bei starkem Rühren
auf 240 °C
aufgeheizt. Ab Erreichen der Temperatur wurden 1 g einer gesättigten
Kaliumhydroxid-Lösung
(entspricht 0, 6 g KOH) durch eine Bombe in den Autoklaven hineingepresst.
Ab dann wurde die Reaktion eine Stunde bei einer Temperatur von
240 °C und
einem Druck von 50 bar durchgeführt.
Nach dem Abkühlen
wurden Proben gezogen für
GC und Säurezahlbestimmung.
Der Versuch nach GC-Auswertung
zeigte, dass im Vergleich zu Beispiel 1 der Umsatz um 5 % gesteigert
werden konnte. Die Säurezahl
war auf 1,4 gefallen. Während
der Reaktion hatte keine Verseifung des Katalysators stattgefunden.
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Beispiel 12 bis 20
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Versuche im Rohrreaktor
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nachfolgenden Versuche wurden in einem Rohrreaktor (mit und ohne
eingebaute Mischelemente) mit einem Volumen von 6 1 durchgeführt, wobei
Volumenströme
zwischen 5 und 6,9 l/h eingestellt wurden. Das eingesetzte Kokosöl besaß eine Säurezahl
von 13,7 und einen Gehalt an gebundenem Glycerin von 12,5 Gew.-%.
Es wurden Produktströme
von 5 – 6,9
l/h eingestellt. Alle Versuche wurden bei einer Temperatur von 240 °C und einem
Druck von 50 bar durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefasst.
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Tabelle
1 Ergebnis
ohne Mischelemente
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Tabelle
2 Ergebnis
mit Statikmischern