JP2007022988A - Method for producing alkyl ester of fatty acid - Google Patents

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慶一 傳
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裕一郎 東
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical method for producing an alkyl ester of a fatty acid which can be carried out with the use of an inexpensive solid catalyst at an inexpensive operating cost as well. <P>SOLUTION: The method for producing an alkyl ester of a fatty acid by transesterification of oils and fats with an alcohol in the presence of calcium oxide comprises a pretreatment step of adjusting the water content in the oils and fats to ≤0.03 wt.% and the amount of free fatty acids to ≤0.05 wt.% before performing the transesterification and performing the transesterification of the oils and fats treated in the pretreatment step with an alcohol in a fixed catalyst bed reactor filled with calcium oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、脂肪酸アルキルエステルの製造方法に関する。さらに詳しくは、植物等由来の油脂、又はこれを利用するレストラン、食品工場、一般家庭等から廃棄される廃食用油を好適な原料として、アルコールとのエステル交換反応により脂肪酸アルキルエステルを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a fatty acid alkyl ester. More specifically, a method for producing a fatty acid alkyl ester by a transesterification reaction with an alcohol using a fat or oil derived from a plant or the like, or a waste edible oil discarded from a restaurant, a food factory, a general household, or the like using the same. About.

脂肪酸アルキルエステルは、油脂化学工業において油脂製品、例えば各種界面活性剤等の原料として重要である。したがって、その製造プロセスは油脂化学工業における川上プロセスとして最も重要なプロセスの1つである。   Fatty acid alkyl esters are important as a raw material for oil and fat products, for example, various surfactants, in the oil and fat chemical industry. Therefore, the manufacturing process is one of the most important processes as upstream processes in the oil and fat chemical industry.

また、脂肪酸アルキルエステルのなかでも低級アルコールを原料として得られる脂肪酸アルキルエステルは、バイオマス由来のディーゼル燃料として使用可能なことから、石油代替の新エネルギーとして注目されている。   Among fatty acid alkyl esters, fatty acid alkyl esters obtained from lower alcohols as raw materials can be used as biomass-derived diesel fuel, and are thus attracting attention as new energy alternatives to petroleum.

レストラン、食品工場、一般家庭等で使用されて廃棄される食用油(廃食用油)は、凝固剤により処理して土中に埋めたり、家庭用ごみとしてそのまま捨てられ、焼却したりする等の方法により処理されるのが一般的であったが、近年、地球環境浄化の理念の高まりに伴い、これら廃食用油についても有効再利用の動きが活発化している。その一つとして、メタノールとのエステル交換反応により脂肪酸メチルエステルを得て、デイ−ゼル燃料に適した油を製造する試みが始まって久しい。   Cooking oil (waste cooking oil) that is used and disposed of in restaurants, food factories, general households, etc. is treated with a coagulant and buried in the soil, or discarded as household waste and incinerated. Although it is generally treated by a method, in recent years, with the increase in the philosophy of purification of the global environment, the movement of effective reuse of these waste cooking oils has been activated. As one of them, it has been a long time since attempts to produce fatty acid methyl esters by transesterification with methanol to produce oils suitable for diesel fuels have started.

すなわち、食用油に用いられる植物油から得られる脂肪酸メチルエステルは、粘度、比重等の物性や、燃焼性が軽油に類似しており、エンジンの改造をしなくても使用できるバイオデイーゼル燃料としての可能性が古くから指摘されていたが、最近、リサイクル可能なバイオ燃料として脚光を浴び、とくに米国や欧州で広く利用されている。   In other words, fatty acid methyl esters obtained from vegetable oils used as edible oils are similar to diesel oil in physical properties such as viscosity and specific gravity, and flammability, and can be used as biodiesel fuels that can be used without engine modification. Although it has been pointed out for a long time, it has recently been highlighted as a biofuel that can be recycled and is widely used especially in the United States and Europe.

現在、油脂化学工業及びバイオデイーゼル燃料製造において実用化されている、油脂(トリグリセリド)とアルコールとのエステル交換反応のプロセスでは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルコール溶解性のアルカリ触媒が使用されている。得られる脂肪酸アルキルエステルにはこれらのアルカリ触媒が微量に含まれるが、燃料としての用途を考慮するとアルカリ触媒は除去しければならない。そのため、水洗等の排水が発生する方法が採用されているが、この排水処理にコストがかかる。また、アルカリ触媒は、反応後、分層分離して得られる副生グリセリン層にも含まれるが、グリセリン自体、化学品として付加価値があり、精製して化学品用途に供したいところであるため、その精製コストに費用がかかることを容認して精製されている。   In the process of transesterification of fats and oils (triglycerides) and alcohol, which is currently in practical use in the oil and fat chemical industry and biodiesel fuel production, alcohol-soluble alkali catalysts such as sodium hydroxide and potassium hydroxide are used. ing. The fatty acid alkyl ester obtained contains a small amount of these alkali catalysts, but the alkali catalyst must be removed in consideration of the use as a fuel. Therefore, a method of generating wastewater such as water washing is adopted, but this wastewater treatment is costly. In addition, the alkali catalyst is also contained in the by-product glycerin layer obtained by separating the layers after the reaction, but glycerin itself has added value as a chemical product, and is intended to be purified and used for chemical products. It has been refined in view of its cost of purification.

そこで、反応液中にほとんど溶出しない固体触媒の使用が提案されている。エステル交換反応は、酸触媒でも進行することが知られているので、無機及び有機の固体酸触媒が種々提案されている。しかしながら、その活性は、アルカリ触媒に比して格段に小さく、酸触媒を採用した場合、反応工程だけで、エステル水洗及びグリセリン精製を採用する場合と同等かあるいはそれ以上のコストがかかるため、実用化には至っていない。   Therefore, the use of a solid catalyst that hardly elutes in the reaction solution has been proposed. Since the transesterification reaction is known to proceed even with an acid catalyst, various inorganic and organic solid acid catalysts have been proposed. However, its activity is much smaller than that of an alkali catalyst, and when an acid catalyst is used, the cost of the reaction is only equal to or higher than that of the case of employing ester water washing and glycerin purification. It hasn't arrived.

一方、活性が大きいアルカリ固体触媒の使用も提案されている(特許文献1、2参照)。特許文献1、2には、アルコール不溶性の、アルカリ土類金属を含む水酸化物、酸化物及び複合酸化物、例えば、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、チタン酸カルシウム等のアルカリ土類金属化合物が開示されている。
特開2001−271090号公報 特開2002−294277号公報
On the other hand, the use of an alkali solid catalyst having high activity has also been proposed (see Patent Documents 1 and 2). Patent Documents 1 and 2 disclose alcohol-insoluble, alkaline earth metal-containing hydroxides, oxides, and composite oxides, for example, alkaline earth metal compounds such as calcium oxide, calcium hydroxide, and calcium titanate. Has been.
JP 2001-271090 A JP 2002-294277 A

しかしながら、特許文献1の方法では、90〜240℃という高い反応温度条件下で反応を行うため、メタノールやエタノール等の沸点の低い低級アルコールを使用する場合には加圧条件が必要とされる。従って、使用できる反応容器も限定されるため経済的ではない。また、特許文献2の方法で使用するペロブスカイト型複合酸化物は、コストがかかる複雑な工程を経て得られるため、より経済的に脂肪酸アルキルエステルを製造し得る方法の開発が望まれる。   However, in the method of Patent Document 1, since the reaction is carried out under a high reaction temperature of 90 to 240 ° C., a pressurizing condition is required when using a lower alcohol having a low boiling point such as methanol or ethanol. Therefore, since the reaction container which can be used is also limited, it is not economical. Moreover, since the perovskite type complex oxide used in the method of Patent Document 2 is obtained through a complicated process that is costly, development of a method capable of producing a fatty acid alkyl ester more economically is desired.

本発明の課題は、前記従来技術に鑑みて、安価な固体触媒を用い、しかも安価な運転費用で実施することのできる、実用的な脂肪酸アルキルエステルの製造方法を提供することにある。   In view of the prior art, an object of the present invention is to provide a practical method for producing a fatty acid alkyl ester that can be carried out using an inexpensive solid catalyst and at low operating costs.

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討した結果、原料として使用する油脂類中に含まれる水分量及び遊離脂肪酸量を調整し、固定触媒層反応器を用いることにより、安価な酸化カルシウムを固体触媒として使用し、低級アルコールの沸点以下の温度でも効率よく十分な反応効率で脂肪酸アルキルエステルが得られることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have adjusted the amount of water and free fatty acid contained in fats and oils used as raw materials, and by using a fixed catalyst layer reactor, it is inexpensive. It has been found that fatty acid alkyl esters can be obtained with sufficient reaction efficiency efficiently and at a temperature below the boiling point of the lower alcohol using calcium oxide as a solid catalyst.

本発明は、酸化カルシウムの存在下で油脂とアルコールとのエステル交換反応を行って脂肪酸アルキルエステルを製造する方法であって、エステル交換反応を行う前に、油脂中の水分量を0.03重量%以下、遊離脂肪酸量を0.05重量%以下に調整する前処理工程を有し、該前処理工程により処理した油脂とアルコールとのエステル交換反応を、酸化カルシウムを充填した固定触媒層反応器中で行う、脂肪酸アルキルエステルの製造方法に関する。   The present invention is a method for producing a fatty acid alkyl ester by performing a transesterification reaction between fat and alcohol in the presence of calcium oxide, and before performing the transesterification reaction, the water content in the fat and oil is 0.03% by weight or less. , Having a pretreatment step of adjusting the amount of free fatty acid to 0.05% by weight or less, and performing a transesterification reaction between the fat and alcohol treated in the pretreatment step in a fixed catalyst layer reactor filled with calcium oxide. The present invention relates to a method for producing a fatty acid alkyl ester.

本発明により、安価な固体触媒を用い、しかも安価な運転費用で経済的に脂肪酸アルキルエステルを製造することができる。   According to the present invention, a fatty acid alkyl ester can be produced economically by using an inexpensive solid catalyst and at low operating costs.

本発明の脂肪酸エステルは、油脂とアルコールのエステル交換反応により得られる。   The fatty acid ester of the present invention is obtained by a transesterification reaction between fats and alcohols.

本発明により得られる脂肪酸アルキルエステルは、ディーゼル燃料として使用するためには液状であることが好ましい。かかる観点から、本発明において原料として用いる油脂は、好ましくは炭素数が10〜18、より好ましくは炭素数が12〜18の、飽和又は不飽和の脂肪族アルキル基を有するトリグリセリドを含むものが望ましい。本発明における油脂の好適例としては、菜種油、ごま油、大豆油、とうもろこし油、パーム油、パパイヤ種子油等の植物油からなる群より選択される1種又は2種以上の混合物が挙げられるが、なかでもパパイヤ種子油がより好ましい。パパイヤ種子油には、動物、人間に対して有毒な成分が含まれており、食用油には供することができない(JOUNAL OF FOOD SCIENCE, Vol.43(1978), P225、Food Chemistry, 22(1986), P259)。従って、ディーゼル燃料等に好適に用いられる脂肪酸アルキルエステルの原料として用いることにより、合理的に利用することができる。   The fatty acid alkyl ester obtained by the present invention is preferably in a liquid state for use as a diesel fuel. From this point of view, the fat used as a raw material in the present invention preferably contains a triglyceride having a saturated or unsaturated aliphatic alkyl group having 10 to 18 carbon atoms, more preferably 12 to 18 carbon atoms. . Preferred examples of the fats and oils in the present invention include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of vegetable oils such as rapeseed oil, sesame oil, soybean oil, corn oil, palm oil, and papaya seed oil. But papaya seed oil is more preferred. Papaya seed oil contains ingredients that are toxic to animals and humans and cannot be used as edible oil (JOUNAL OF FOOD SCIENCE, Vol. 43 (1978), P225, Food Chemistry, 22 (1986) ), P259). Therefore, it can be rationally used by using it as a raw material for fatty acid alkyl esters suitably used for diesel fuel and the like.

また、燃料用原料としては、牛脂等の動物油も極めて重要であるので、所望により動物油由来のトリグリセリドが適宜含まれていてもよい。   In addition, animal oil such as beef tallow is extremely important as a fuel raw material, and therefore animal oil-derived triglycerides may be appropriately contained as desired.

本発明で使用する油脂は、未使用のものに限らず廃食用油であってもよく、経済面及び社会的要請面の観点からは、廃食用油が好ましい。本発明における廃食用油とは、レストラン、食品工場、一般家庭等で使用されて廃棄される食用油をいう。   The fats and oils used in the present invention are not limited to unused ones and may be waste edible oils, and waste edible oils are preferred from the viewpoints of economic and social demands. The waste edible oil in the present invention refers to edible oil that is used and discarded in restaurants, food factories, general households, and the like.

本発明において用いるアルコールとしては、例えば、メチルアルコール(メタノール)、エチルアルコール(エタノール)、プロピルアルコール(プロパノール)、ブチルアルコール(ブタノール)等の炭素数1〜4のアルキルアルコールからなる群より選ばれる1種又は2種以上の混合物が挙げられる。アルコールの純度は、特に限定されないが、水分含有量の少ない方が好ましい。また、炭素数1〜4のアルキルアルコールのなかでは、メチルアルコール及びエチルアルコールが好ましく、脂肪酸アルキルエステルのディーゼル燃料油としての使用を考慮すると、メチルアルコールがより好ましい。   Examples of the alcohol used in the present invention include 1 selected from the group consisting of alkyl alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methyl alcohol (methanol), ethyl alcohol (ethanol), propyl alcohol (propanol), and butyl alcohol (butanol). A seed | species or 2 or more types of mixtures is mentioned. The purity of the alcohol is not particularly limited, but a lower water content is preferable. Further, among the alkyl alcohols having 1 to 4 carbon atoms, methyl alcohol and ethyl alcohol are preferable, and methyl alcohol is more preferable in consideration of use of a fatty acid alkyl ester as a diesel fuel oil.

なお、本発明においては、アルカリ金属の水酸化物を溶解させたアルコールを使用することが好ましい。水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物を溶解させたアルコールを使用することにより、遊離脂肪酸は水酸化物と先行して反応するため、酸化カルシウムに影響を与えることなく、酸化カルシウムの触媒寿命をより一層延ばすことができる。また、水酸化物の触媒作用により反応速度が加速されるため、酸化カルシウム触媒の必要量を低減することもできる。ただし、この場合は、遊離脂肪酸と水酸化物により生成した石鹸が副生するグリセリンに混入し、その除去作業が必要となるため、プロセス全体の中で、経済性と技術的な簡便さの両者を考慮して、当該水酸化物の使用量を選択することが好ましい。   In the present invention, it is preferable to use an alcohol in which an alkali metal hydroxide is dissolved. By using alcohol in which an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide is dissolved, free fatty acid reacts with the hydroxide in advance, so that it can be oxidized without affecting calcium oxide. The catalyst life of calcium can be further extended. Moreover, since the reaction rate is accelerated by the catalytic action of the hydroxide, the required amount of the calcium oxide catalyst can be reduced. However, in this case, soap produced by free fatty acid and hydroxide is mixed with glycerin produced as a by-product, and it is necessary to remove it. Therefore, both economic efficiency and technical simplicity are required in the entire process. In consideration of the above, it is preferable to select the amount of the hydroxide used.

アルコールに溶解させるアルカリ金属の水酸化物の量は、油脂100重量部に対して、0.01〜0.3重量部が好ましい。   The amount of the alkali metal hydroxide dissolved in the alcohol is preferably 0.01 to 0.3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the fats and oils.

本発明における油脂とアルコールのエステル交換反応は、酸化カルシウムの存在下で行う。酸化カルシウムは、油脂及びアルコールに不溶で塩基性固体触媒としては経済的に最も有利な触媒であるものの、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の溶解性触媒に比較して、反応活性が非常に小さい。そのため、実用的に十分な活性を得るためには、反応温度を高くするか、触媒濃度を高くする必要がある。   In the present invention, the transesterification reaction between fat and alcohol is performed in the presence of calcium oxide. Calcium oxide is insoluble in fats and oils and is the most economically advantageous catalyst as a basic solid catalyst, but its reaction activity is very small compared to soluble catalysts such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. . Therefore, in order to obtain practically sufficient activity, it is necessary to increase the reaction temperature or the catalyst concentration.

しかしながら、特許文献1の方法のように、高温条件下での反応は、エネルギー的に不利であるばかりでなく、例えば、最も一般的な燃料である脂肪酸メチルエステルを製造するために、アルコールとしてメタノールを使用する場合には、さらに高圧条件が必要とされる。従って、使用可能な反応器も耐圧器等に限定されるため、いずれにしても経済的ではない。   However, as in the method of Patent Document 1, the reaction under high temperature conditions is not only energetically disadvantageous, but, for example, in order to produce fatty acid methyl ester which is the most common fuel, methanol as alcohol When using, higher pressure conditions are required. Accordingly, usable reactors are limited to pressure-resistant devices and the like, and in any case, it is not economical.

一方、触媒濃度を高くする方法としては、触媒濃度を可能なかぎり高くできる固定触媒層反応器を使用する方法が当業者に知られており、一般的に固体触媒の開示技術においては、固定触媒層反応器の利用の可能性を推定し示唆しているのが通常である。しかしながら、酸化カルシウムを使用すると触媒活性の低下が著しく、固定触媒層反応器を使用した流通方式の適用は極めて困難である。例えば、特許文献1においても、反応態様はバッチ式で行ってもよいし、流通方式で行ってもよいとされているが、特許文献1において実施例により具体的に示されているのは、粉末触媒を用いた攪拌槽で行うバッチ式、即ち回分式による方法のみである。   On the other hand, as a method for increasing the catalyst concentration, a method using a fixed catalyst layer reactor capable of increasing the catalyst concentration as much as possible is known to those skilled in the art. It is usual to estimate and suggest the possibility of using a bed reactor. However, when calcium oxide is used, the catalytic activity is remarkably lowered, and it is extremely difficult to apply a flow system using a fixed catalyst bed reactor. For example, in Patent Document 1, it is said that the reaction mode may be performed by a batch method or a distribution method, but in Patent Document 1, an example specifically shows that It is only a batch method, that is, a batch method performed in a stirring tank using a powder catalyst.

しかしながら、本発明では、エステル交換反応を行う前に、油脂中の水分量と遊離脂肪酸量を調整する前処理工程を行うことにより、酸化カルシウムを充填した固定触媒層反応器中でエステル交換反応を行っても、効率よく脂肪酸アルキルエステルを製造することができる。前処理工程を行うことにより、原料中の水分により酸化カルシウムが水酸化カルシウム微粒子に分解されるのが抑制され、酸化カルシウムの消費が低減されるだけでなく、酸化カルシウムと遊離脂肪酸から生成する石鹸による酸化カルシウムの触媒活性の低下も抑制されているものと推定される。   However, in the present invention, the transesterification reaction is carried out in a fixed catalyst layer reactor filled with calcium oxide by performing a pretreatment step for adjusting the water content and the free fatty acid content in the fat and oil before performing the transesterification reaction. Even if it goes, a fatty-acid alkylester can be manufactured efficiently. By performing the pretreatment step, the decomposition of calcium oxide into calcium hydroxide fine particles due to moisture in the raw material is suppressed, and not only the consumption of calcium oxide is reduced, but also the soap produced from calcium oxide and free fatty acids It is presumed that the decrease in the catalytic activity of calcium oxide due to is suppressed.

上記観点より、前処理工程では、油脂中の水分量を、0.03重量%以下、好ましくは0.01重量%以下に、遊離脂肪酸量を0.05重量%以下、好ましくは0.02重量%以下に、調整する。   From the above viewpoint, in the pretreatment step, the water content in the fat is adjusted to 0.03% by weight or less, preferably 0.01% by weight or less, and the free fatty acid content is adjusted to 0.05% by weight or less, preferably 0.02% by weight or less.

デイーゼル燃料の原料として最適と考えられているパーム油等の植物油は、通常、0.2重量%程度の水分と、2.5〜3重量%程度の遊離脂肪酸を含有している。また、廃食用油は劣化しており、通常、0.2重量%程度の水分と0.5〜2重量%程度の遊離脂肪酸を含んでいる。そのため、本発明においては、これらの油脂に前処理工程を施し、水分量と遊離脂肪酸量を所定の範囲内に調整しなければならない。   Vegetable oils such as palm oil, which are considered to be optimal as raw materials for diesel fuel, usually contain about 0.2% by weight of water and about 2.5 to 3% by weight of free fatty acids. In addition, waste cooking oil is deteriorated and usually contains about 0.2% by weight of water and about 0.5-2% by weight of free fatty acids. Therefore, in the present invention, these oils and fats must be subjected to a pretreatment step, and the water content and free fatty acid content must be adjusted within a predetermined range.

油脂中の水分量及び遊離脂肪酸を調整する方法は特に限定されないが、例えば、アルカリ水を添加し、生成した石鹸を含む水層を除去することにより、また、200℃程度の温度条件下、減圧(2〜5mmHg)下でスチームを吹き込むことにより、遊離脂肪酸を除去し、さらに減圧により、水分を除去して、水分量及び遊離脂肪酸量を低減する方法が挙げられる。かかる方法により、二酸化炭素等も除去されるため、炭酸カルシウムの生成も抑制することができる。   The method for adjusting the amount of water and free fatty acids in fats and oils is not particularly limited. For example, by adding alkaline water and removing the aqueous layer containing the generated soap, the pressure is reduced under a temperature condition of about 200 ° C. A method of removing free fatty acid by blowing steam under (2 to 5 mmHg) and further removing moisture by reducing pressure to reduce the amount of water and the amount of free fatty acid can be mentioned. Since carbon dioxide and the like are removed by such a method, the production of calcium carbonate can also be suppressed.

また、遊離脂肪酸量を低減する他の方法として、固体酸触媒のもと油脂中の遊離脂肪酸をアルコール大過剰の条件でエステル化する方法があるが、この場合は、エステルの生成と同時に生成する水を除去する必要がある。水より沸点の低いアルコールを使用した場合は、水のみを除去することが容易ではなく、たとえば分子ふるい法による脱水等の複雑な工程が必要となることがある。   As another method for reducing the amount of free fatty acids, there is a method in which free fatty acids in fats and oils are esterified under conditions of a large excess of alcohol under a solid acid catalyst. Water needs to be removed. When an alcohol having a boiling point lower than that of water is used, it is not easy to remove only water, and a complicated process such as dehydration by a molecular sieving method may be required.

本発明において使用される固定触媒層反応器は、触媒粒子が反応器から外部へ、また外部から反応器へ移動しない状態で、触媒層が充填された形態を有するものであれば特に限定されない。エステル交換反応は、回分式及び連続式のいずれであってもよいが、酸化カルシウムの消費が低減される本発明では、安価な酸化カルシウムを、実用上、合理的な周期で補給しながら連続的にエステル交換反応を行うことができる。   The fixed catalyst layer reactor used in the present invention is not particularly limited as long as it has a form in which the catalyst particles are packed in a state where the catalyst particles do not move from the reactor to the outside and from the outside to the reactor. The transesterification reaction may be either a batch type or a continuous type. However, in the present invention in which the consumption of calcium oxide is reduced, inexpensive calcium oxide is continuously supplied while being replenished in a practically reasonable cycle. A transesterification reaction can be performed.

酸化カルシウムは、反応器中の不溶解物の蓄積を防止する観点からは、不溶解物の担体に担持した酸化カルシウムよりも、純度が、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上の酸化カルシウムが好ましく、また同様の観点から、1〜5mm程度の大きさの顆粒状の酸化カルシウムが好ましい。   From the viewpoint of preventing accumulation of insoluble matter in the reactor, calcium oxide has an purity of preferably 90% or more, more preferably 95% or more, compared to calcium oxide supported on the carrier of insoluble matter. Calcium is preferable, and from the same viewpoint, granular calcium oxide having a size of about 1 to 5 mm is preferable.

固定触媒層反応器に供給する油脂及びアルコールの量は、経済的観点から、連続式では、油脂基準の液空間速度が0.1〜10/hrとなるように調整することが好ましく、貯槽周りに反応器を設置し反応液を循環させる回分式の場合は、反応液と触媒との接触効率を上げる観点から、油脂基準の液空間速度が10〜20/hrとなるように調整することが好ましい。アルコールの使用量は、油脂100重量部に対して、15〜35重量部が好ましい。ここで、油脂基準の液空間速度とは、単位時間あたり供給する油脂の容積(供給容積速度)を反応器容積(触媒層容積)で除した値で定義され、その単位は、(油脂供給速度:容積/hr)/(触媒層容積)=1/hrとなる。   The amount of oil and alcohol supplied to the fixed catalyst layer reactor is preferably adjusted so that the liquid space velocity based on oil and fat is 0.1 to 10 / hr in the continuous type from the economical viewpoint, and the reaction is performed around the storage tank. In the case of a batch system in which a reactor is installed and the reaction liquid is circulated, it is preferable to adjust the liquid space velocity based on fats and oils to be 10 to 20 / hr from the viewpoint of increasing the contact efficiency between the reaction liquid and the catalyst. As for the usage-amount of alcohol, 15-35 weight part is preferable with respect to 100 weight part of fats and oils. Here, the liquid space velocity based on fat / oil is defined by a value obtained by dividing the volume of fat / oil to be supplied per unit time (supply volume velocity) by the volume of the reactor (catalyst layer volume). : Volume / hr) / (catalyst layer volume) = 1 / hr.

反応温度は、常圧下で簡便に反応を行う観点からは、使用するアルコールの沸点付近(±2℃程度)か沸点よりも低い温度であることが好ましい。本発明の方法では、55〜90℃の温度であっても、効率よく反応を行うことができるため、沸点の低いメタノールを使用して脂肪酸メチルエステルを製造する場合であっても、系内を加圧することなく、エステル交換反応を進行させることができる。   The reaction temperature is preferably near the boiling point (approximately ± 2 ° C.) or lower than the boiling point of the alcohol to be used from the viewpoint of performing the reaction simply under normal pressure. In the method of the present invention, since the reaction can be carried out efficiently even at a temperature of 55 to 90 ° C., even in the case of producing a fatty acid methyl ester using methanol having a low boiling point, The transesterification reaction can proceed without increasing the pressure.

油脂とアルコールのエステル交換反応により、主に、目的とする脂肪酸アルキルエステルと副生するグリセリンからなる混合物が得られるが、例えば、反応終了後、反応混合物の静置や遠心分離器の使用により、比重差を利用して反応混合物を相分離させることによって、脂肪酸アルキルエステルを容易に分離することができる。   By a transesterification reaction between fat and alcohol, a mixture composed mainly of the desired fatty acid alkyl ester and glycerin as a by-product is obtained.For example, after completion of the reaction, by leaving the reaction mixture or using a centrifuge, The fatty acid alkyl ester can be easily separated by phase-separating the reaction mixture using the specific gravity difference.

本発明により得られる脂肪酸アルキルエステルは、アルカリ成分の混入が低減されているため、少量の水による水洗等の精製で、ディーゼル燃料等の軽油代替燃料に供することができる。また、副生したグリセリン中には、水酸化カルシウムが含まれているが、この水酸化カルシウムは硫酸で中和することにより硫酸カルシウム沈澱物となるので、グリセリンから容易に除去することができる。そのため、副生したグリセリンも簡便な操作で再利用することができる。   Since the fatty acid alkyl ester obtained by the present invention has reduced mixing of alkali components, the fatty acid alkyl ester can be used as an alternative to light oil such as diesel fuel by purification such as washing with a small amount of water. In addition, glycerin produced as a by-product contains calcium hydroxide. This calcium hydroxide becomes a calcium sulfate precipitate when neutralized with sulfuric acid, and can be easily removed from glycerin. Therefore, glycerin produced as a by-product can be reused by a simple operation.

実施例1
一般家庭、レストラン等より収集した標準的廃食用油を準備した。廃食用油の水分は0.2重量%、遊離脂肪酸量は0.6重量%であった。
Example 1
Standard waste cooking oil collected from ordinary households and restaurants was prepared. The waste edible oil had a water content of 0.2% by weight and a free fatty acid content of 0.6% by weight.

〔前処理工程〕
廃食用油に、200℃、2〜5mmHgの条件下、廃食用油100重量部に対して2重量部のスチームを吹き込んで、遊離脂肪酸を除去した。スチームの供給停止後、同条件で、脱水を行なった。得られた廃食用油の水分は0.01重量%、遊離脂肪酸量は0.02重量%であった。
[Pretreatment process]
Free fatty acids were removed by blowing 2 parts by weight of steam into 100 parts by weight of waste edible oil under the conditions of 200 ° C. and 2 to 5 mmHg. After stopping the steam supply, dehydration was performed under the same conditions. The obtained edible oil had a water content of 0.01% by weight and a free fatty acid content of 0.02% by weight.

〔エステル交換反応〕
前処理した廃食用油とメタノールを、下記の反応条件で触媒を充填した固定触媒層反応器にそれぞれのポンプで供給し、エステル交換反応を行った。
〔反応条件〕
反応器:全容積 70ml、触媒層容積 50ml
触媒:矢橋工業(株)提供の酸化カルシウム(純度95%)
無定形粒子で1mm角程度の顆粒状をふるいで選択採取し、46gを反応器に充填
反応温度:熱交換器で60℃に制御
廃食油供給量:45g/hr(油脂基準の液空間速度 1/hr)
メタノール供給量:9g/hr
[Transesterification]
The pretreated waste edible oil and methanol were supplied to each of the fixed catalyst bed reactors filled with the catalyst under the following reaction conditions, and transesterification was performed.
[Reaction conditions]
Reactor: total volume 70ml, catalyst bed volume 50ml
Catalyst: Calcium oxide provided by Yabashi Kogyo Co., Ltd. (purity 95%)
Select and collect 1mm square granules with amorphous particles, and fill 46g into the reactor. Reaction temperature: Controlled to 60 ° C with heat exchanger Waste cooking oil supply: 45g / hr (Liquid space velocity based on fat and oil 1 / hr)
Methanol supply amount: 9g / hr

反応は24時間継続し、廃食用油とメタノールの供給開始から5時間ごとに生成液をサンプリングした。サンプルを静置して分層し、上層中に含まれる脂肪酸アルキルエステルの含有率は、サンプルからメタノールをトッピング除去した後に、ガスクロマトグラフィーにより測定した。また、下層のグリセリン層は、24時間後、一括して加熱し、メタノールトッピング除去して、その重量を求めた。なおメタノールトッピング後は、メタノールによりグリセリン中に溶解されていたエステルや油分が分離するためこれを除いている。得られたグリセリン層を、硫酸で中和し、沈澱物(硫酸カルシウム)の重量から、水酸化カルシウム含有量を推定した。また、触媒として充填した酸化カルシウムについては、反応終了後、ヘキサンで洗浄後乾燥して、減少量及び反応器に充填した酸化カルシウムの量(46g)に対する減少率(減少量/46×100)を算出した。結果を表1に示す。   The reaction continued for 24 hours, and the product liquid was sampled every 5 hours from the start of the supply of waste edible oil and methanol. The sample was allowed to stand and separated, and the content of fatty acid alkyl ester contained in the upper layer was measured by gas chromatography after removing the topping of methanol from the sample. The lower glycerin layer was heated 24 hours later, and methanol topping was removed to determine its weight. In addition, after methanol topping, since the ester and oil which were melt | dissolved in glycerol with methanol isolate | separate, this is removed. The obtained glycerin layer was neutralized with sulfuric acid, and the calcium hydroxide content was estimated from the weight of the precipitate (calcium sulfate). In addition, for calcium oxide filled as a catalyst, after the reaction is completed, washed with hexane and dried, the reduction amount and the reduction rate (reduction amount / 46 × 100) with respect to the calcium oxide amount (46 g) charged in the reactor Calculated. The results are shown in Table 1.

比較例1
廃食用油を、前処理せずにエステル交換反応に供した以外は、実施例と同様にして、脂肪酸アルキルエステルを製造した。サンプルの分析結果を表1に示す。
Comparative Example 1
Fatty acid alkyl esters were produced in the same manner as in the Examples except that the waste edible oil was subjected to a transesterification reaction without being pretreated. Table 1 shows the analysis results of the samples.

Figure 2007022988
Figure 2007022988

以上の結果より、実施例1では、酸化カルシウムの減少率が小さく、経済的にも定期的に補給可能な範囲であるため、脂肪酸アルキルエステルの連続生産が可能であることが分かる。これに対して、比較例1では、酸化カルシウムの減少率が大きく、反応率も低下している。   From the above results, it can be seen that in Example 1, the rate of decrease in calcium oxide is small and within a range that can be periodically replenished economically, and therefore it is possible to continuously produce fatty acid alkyl esters. On the other hand, in Comparative Example 1, the reduction rate of calcium oxide is large and the reaction rate is also reduced.

本発明により得られる脂肪酸アルキルエステルは、石油代替の新エネルギーとして注目されているディーゼル燃料等として好適に用いることができる。   The fatty acid alkyl ester obtained by the present invention can be suitably used as a diesel fuel that is attracting attention as a new energy substitute for petroleum.

Claims (4)

酸化カルシウムの存在下で油脂とアルコールとのエステル交換反応を行って脂肪酸アルキルエステルを製造する方法であって、エステル交換反応を行う前に、油脂中の水分量を0.03重量%以下、遊離脂肪酸量を0.05重量%以下に調整する前処理工程を有し、該前処理工程により処理した油脂とアルコールとのエステル交換反応を、酸化カルシウムを充填した固定触媒層反応器中で行う、脂肪酸アルキルエステルの製造方法。   A method for producing a fatty acid alkyl ester by performing a transesterification reaction between fat and alcohol in the presence of calcium oxide, and before performing the transesterification reaction, the water content in the fat and oil is 0.03% by weight or less, and the free fatty acid content. Of the fatty acid alkyl ester, having a pretreatment step of adjusting the content of the oil and fat to 0.05% by weight or less, and performing a transesterification reaction between the fat and alcohol treated in the pretreatment step in a fixed catalyst layer reactor filled with calcium oxide. Production method. 前処理工程に供する油脂が廃食用油又はパパイヤ種子油である請求項1記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the fat and oil to be used in the pretreatment step is waste edible oil or papaya seed oil. アルカリ金属の水酸化物を溶解させたアルコールをエステル交換反応に供する請求項1又は2記載の製造方法。   The production method according to claim 1 or 2, wherein an alcohol in which an alkali metal hydroxide is dissolved is subjected to a transesterification reaction. 油脂とアルコールとを、油脂基準の液空間速度が0.1〜10/hrとなるように、固定触媒層反応器に連続的に供給してエステル交換反応を行う請求項1〜3いずれか記載の製造方法。   The production according to any one of claims 1 to 3, wherein the fat and alcohol are continuously supplied to the fixed catalyst layer reactor so that the liquid space velocity based on the fat and oil becomes 0.1 to 10 / hr to perform the transesterification reaction. Method.
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