JP2009040979A - 液化ジメチルエーテルによるメタノール抽出型バイオディーゼル燃料高速製造方法 - Google Patents
液化ジメチルエーテルによるメタノール抽出型バイオディーゼル燃料高速製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】原料油を、低級アルコールでエステル交換反応を行い低級アルコールの脂肪酸エステルを生成することよりなるバイオディーゼル燃料の製造に際して、液化ジメチルエーテル(DME)を反応系に添加して均一相を形成し、該均一相系にて、原料油のエステル交換反応を行なうことにより、脂肪酸や油脂とメタノールのような低級アルコールとの反応速度を飛躍的に向上させ、効率的な原料油のエステル交換反応を行なう。また、液化ジメチルエーテル(DME)を溶媒として用いることにより、エステル交換反応によって生成した反応溶液からの成分の分離、回収を容易に行い、低環境負荷かつ低コストで、実用上優れた生産効率を有するバイオディーゼル燃料の製造システムを構築した。
【選択図】なし
Description
(2)触媒が、アルカリ触媒、酸触媒、酵素、及びイオン交換樹脂からなる固体触媒のいずれかであることを特徴とする上記(1)に記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(3)エステル交換反応に用いる原料油が、遊離脂肪酸及び水を含む廃油脂類を液化ジメチルエーテルで溶媒抽出を行うことにより脱水処理を行い、次いで、得られた遊離脂肪酸及び廃油脂類を含む液化ジメチルエーテル溶液における遊離脂肪酸を、酸触媒の存在下、均一相にて、低級アルコールによりエステル化反応を行う前処理工程により調製されたものであることを特徴とする上記(1)又は(2)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(4)エステル交換反応工程に続いて、エステル交換反応工程により得られた、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を静置し、グリセリン相と、バイオディーゼル燃料、低級アルコール及び液化ジメチルエーテルからなるバイオディーゼル燃料相とに分離することからなる静置分離工程を設けることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(5)静置分離工程に続いて、静置分離工程において分離したグリセリン相から、液化ジメチルエーテルを抽出溶媒として、低級アルコールを抽出分離することからなるグリセリン相からの低級アルコール抽出分離工程を設けることを特徴とする上記(4)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(6)グリセリン相からの低級アルコール抽出分離工程に続いて、分離した液化ジメチルエーテル及び低級アルコールの混合物を、原料油のエステル交換反応工程へ返送することからなる液化ジメチルエーテル及び低級アルコール返送工程を設けることを特徴とする上記(5)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(7)静置分離工程に続いて、静置分離工程により分離されたバイオディーゼル燃料相を、減圧処理することにより、ジメチルエーテルガスを回収し、更に、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を減圧蒸留により低級アルコールを分離することからなるバイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程を設けることを特徴とする上記(4)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(8)バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程において分離された低級アルコールを、原料油のエステル交換反応工程へ返送することからなるバイオディーゼル燃料相からの低級アルコール返送工程を設けたことを特徴とする上記(7)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(9)バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程に続いて、バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を、水又は湯で洗浄する洗浄工程、及び、該洗浄工程を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を減圧加熱処理により脱水する工程を設けてバイオディーゼル燃料溶液を精製することを特徴とする上記(7)記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(10)バイオディーゼル燃料の製造に用いる低級アルコールが、メタノールであることを特徴とする上記(1)〜(9)のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法や、
(11)バイオディーゼル燃料の製造に用いる原料油が、食用油、廃食用油、又は低品質廃油脂類であることを特徴とする上記(1)〜(10)のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法からなる。
からなる。
(試験方法)
液化DMEを用いることによって、BDF生成反応の反応速度が向上するかどうかを調べるために、図2に示した一連の装置を使用して以下の実験を行った。まず、耐圧ガラスセル(A)に15gのトリオレインを添加し、該セルを氷水に浸して、トリオレインを10℃以下程度に冷却した。その後、バルブ(C)を開いて、ガラスシリンダー(B)中の液化DMEをガラスセル(A)内に導入し、液化DMEがガラスセル(A)に10g入ったところでバルブ(C)を閉めた。次に、温度コントローラー(D)の温度を25℃に設定し、ガラスセル(A)内の溶液が設定温度になるまで加熱攪拌した。
この実験の結果を図3に示す。図3における白矢頭、黒矢頭、白四角、及び、黒四角は、それぞれ、液化DMEを添加した場合のOAME収率、液化DMEを添加した場合のTO残存率、液化DMEを添加しない場合のOAME収率、及び、液化DMEを添加しない場合のTO残存率を表す。図3から分かるように、液化DMEを添加した場合は、反応時間5分でOAME収率が70%を超え、10分ではほぼ80%に達し、30分で82%であった。すなわち、液化DMEを添加した場合は、反応開始から5分間までで、反応の大半が終了していることが示された。さらにいうと、KOH含有メタノールの添加後10秒程度で反応系全体が白濁することから、反応開始から最初の10秒間でOAME生成反応が高速に進行するものと推察される。
(試験方法)
OAME生成反応速度のさらなる向上を目的として、図4に示した一連の装置を使用して次の実験を行った:まず、耐圧ガラスセル(A)に15gのトリオレインを添加し、該セルを氷水に浸して、トリオレインを10℃以下程度に冷却した。その後、バルブ(C)を開いて、ガラスシリンダー(B)中の液化DMEをガラスセル(A)内に導入し、液化DMEがガラスセル(A)に10g入ったところでバルブ(C)を閉めた。次に、温度コントローラー(D)の温度を25℃に設定し、ガラスセル(A)内の溶液が設定温度になるまで加熱攪拌した。
結果を、表1に示す。
(試験方法)
OAME生成反応の副生成物であるグリセリンの溶液から、液化DMEを用いてメタノールを回収し得るかを調べるために、図5に示した一連の装置を使用して以下の実験を行った:まず、メタノール3.2gとグリセリン9.2gを混合して、副生グリセリンモデル溶液を調製した。この副生グリセリンモデル溶液12.4gを、耐圧ガラスセル(A)に添加し、該セルを氷水に浸して、副生グリセリンモデル溶液を10℃以下程度に冷却した。その後、バルブ(C)を開いて、ガラスシリンダー(B)中の液化DMEをガラスセル(A)内に導入し、液化DMEがガラスセル(A)に15g入ったところでバルブ(C)を閉めた。
液化DME相からサンプリングした溶液のメタノール濃度を屈折計にて分析したところ、60wt%であった。仕込みのメタノールが26wt%であることから、液化DME相にメタノールが選択的に抽出され、濃縮されたことが示された。つまり、液化DMEを用いて、副生グリセリンモデル溶液からメタノールの抽出・回収が可能であることが示された。
(試験方法)
上記実施例3において、メタノール3.2gとグリセリン9.2gを含む副生グリセリンモデル溶液から、液化DMEを用いてメタノールを抽出・回収し得ることが示された。そこで、副生グリセリンモデル溶液中に、さらにKOHが含まれている場合も、液化DMEを用いて同様にメタノールを抽出・回収し得るかどうかを調べるために以下の実験を行った。3.82gのメタノール、0.35gのKOH及び8.7gのグリセリンを混合した溶液を副生グリセリンモデル溶液とし、また、用いる液化DMEの量を13.5gとしたこと以外は、上記実施例3と同じ手順で実験を行った。
その結果、液化DME相からサンプリングした溶液のメタノール濃度は70wt%であった。仕込みのメタノールが30wt%であることから、この場合においても液化DMEによってメタノールが濃縮されて回収されたことが示された。すなわち、KOHが混入している副生グリセリンモデル溶液からも、液化DMEを用いたメタノールの抽出・回収が可能であることが示された。
(試験方法)
本発明の製造方法の原料物質として、ゲル状の廃油脂をエーテル化合物(液化DME)で液化処理した物質を用いることができるかを調べるために、図6に示した一連の装置を使用して次の実験を行った:まず、トリオレイン100mLと、脂肪酸系の食用油固化剤3gとを混合して、廃食用油モデルゲルを調製した。廃食用油モデルゲル15gを、耐圧ガラスセル(A)に添加し、該セルを氷水に浸して、廃食用油モデルゲルを10℃以下程度に冷却した。その後、バルブ(C)を開いて、ガラスシリンダー(B)中の液化DMEをガラスセル(A)内に導入し、液化DMEがガラスセル(A)に約13g程度入ったところでバルブ(C)を閉めた。次に、温度コントローラー(D)の温度を25℃に設定し、ガラスセル(A)内の溶液が設定温度になるまで加熱攪拌した。
その結果、上相中のトリオレインは0.0モル%、ジオレインも0.0モル%、モノオレインは1.6モル%、オレイン酸メチルは98.4モル%であった。脂肪酸系の固化剤によってゲル状になった油脂であっても、エーテル化合物(液化DME)による液化処理を行った後、BDF生成反応を行えば、常温という低い温度条件下でも高い反応収率が得られることが示された。
(試験方法)
酸触媒を用いた、遊離脂肪酸及び水を含む油脂類のエステル化反応が液化DMEを利用した均一相系にて効率良く行われるかどうかを調べるために、以下の実験を行った。
まず、遊離脂肪酸40質量部、油脂60質量部及び水2.5質量部からなる原料物質に液化DMEを100質量部添加し、攪拌しながら溶液を25℃に制御した。その溶液に、硫酸含有メタノール溶液を添加して酸エステル交換反応(BDF生成反応)を行った。なお、添加した硫酸含有メタノール溶液の量は、その硫酸の量が上記遊離脂肪酸に対して10wt%であり、そのメタノール量が遊離脂肪酸の20倍モルに相当する量であった。エステル交換反応開始から1時間経過後に反応を停止させ、テトラヒドロフランとヘキサンを添加した。該反応溶液を15分間ほど攪拌した後、2時間程度静置して相分離し、上相を回収して高速液体クロマトグラフにて脂肪酸メチルエステル(BDF)の濃度を測定し、原料物質中の遊離脂肪酸のエステル化率を算出した。
また、上記試験方法(試験1)において、液化DMEを用いないこと以外は同じ手順で行った試験(試験2):上記試験方法において、反応系の温度を35℃に変更したこと以外は同じ手順で行った試験(試験3):上記試験方法において、原料物質中の水の量を1.4質量部とし、かつ、反応系の温度を35℃に変更し、さらに、添加する液化DMEの量を60質量部としたこと以外は同じ手順で行った試験(試験4):についても行い、原料物質中の遊離脂肪酸のエステル化率を算出した。
その結果を以下の表2に示す。
Claims (13)
- 原料油を、触媒の存在下、低級アルコールでエステル交換反応を行い、低級アルコールの脂肪酸エステルを生成することよりなるバイオディ−ゼル燃料の製造方法において、原料油のエステル交換反応工程を液化ジメチルエーテルを反応系に添加して均一相系にて行うことを特徴とするバイオディーゼル燃料の製造方法。
- 触媒が、アルカリ触媒、酸触媒、酵素、及びイオン交換樹脂からなる固体触媒のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- エステル交換反応に用いる原料油が、遊離脂肪酸及び水を含む廃油脂類を液化ジメチルエーテルで溶媒抽出を行うことにより脱水処理を行い、次いで、得られた遊離脂肪酸及び廃油脂類を含む液化ジメチルエーテル溶液における遊離脂肪酸を、酸触媒の存在下、均一相にて、低級アルコールによりエステル化反応を行う前処理工程により調製されたものであることを特徴とする請求項1又は2記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- エステル交換反応工程に続いて、エステル交換反応工程により得られた、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を静置し、グリセリン相と、バイオディーゼル燃料、低級アルコール及び液化ジメチルエーテルからなるバイオディーゼル燃料相とに分離することからなる静置分離工程を設けることを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- 静置分離工程に続いて、静置分離工程において分離したグリセリン相から、液化ジメチルエーテルを抽出溶媒として、低級アルコールを抽出分離することからなるグリセリン相からの低級アルコール抽出分離工程を設けることを特徴とする請求項4記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- グリセリン相からの低級アルコール抽出分離工程に続いて、分離した液化ジメチルエーテル及び低級アルコールの混合物を、原料油のエステル交換反応工程へ返送することからなる液化ジメチルエーテル及び低級アルコール返送工程を設けることを特徴とする請求項5記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- 静置分離工程に続いて、静置分離工程により分離されたバイオディーゼル燃料相を、減圧処理することにより、ジメチルエーテルガスを回収し、更に、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を減圧蒸留により低級アルコールを分離することからなるバイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程を設けることを特徴とする請求項4記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程において分離された低級アルコールを、原料油のエステル交換反応工程へ返送することからなるバイオディーゼル燃料相からの低級アルコール返送工程を設けたことを特徴とする請求項7記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程に続いて、バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離工程を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を、水又は湯で洗浄する洗浄工程、及び、該洗浄工程を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を減圧加熱処理により脱水する工程を設けてバイオディーゼル燃料溶液を精製することを特徴とする請求項7記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- バイオディーゼル燃料の製造に用いる低級アルコールが、メタノールであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- バイオディーゼル燃料の製造に用いる原料油が、食用油、廃食用油、又は低品質廃油脂類であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか記載のバイオディーゼル燃料の製造方法。
- 原料油を、アルカリ触媒の存在下、液化ジメチルエーテルを添加した均一相系にて低級アルコールでエステル交換反応を行う、バイオディーゼル原料油のエステル交換反応手段(A1);エステル交換反応手段により得られた、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を、グリセリン相と、バイオディーゼル燃料、低級アルコール及び液化ジメチルエーテルからなるバイオディーゼル燃料相とに分離するバイオディーゼル燃料を含む反応溶液の静置分離手段(A2);静置分離手段において分離したグリセリン相から、液化ジメチルエーテルを抽出溶媒として、低級アルコールを抽出分離するグリセリン相からの低級アルコール抽出分離手段(B1);グリセリン相から分離した液化ジメチルエーテル及び低級アルコールの混合物を、原料油のエステル交換反応手段へ返送する液化ジメチルエーテル及び低級アルコール返送手段(B2);静置分離手段により分離されたバイオディーゼル燃料相を、減圧処理することにより、ジメチルエーテルガスを回収し、更に、バイオディーゼル燃料を含む反応溶液を減圧蒸留により低級アルコールを分離するバイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離手段(A3);バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離手段において分離された低級アルコールを、原料油のエステル交換反応手段へ返送するバイオディーゼル燃料相からの低級アルコール返送手段(C1);バイオディーゼル燃料相からのジメチルエーテル及び低級アルコール分離手段を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を、水又は湯で洗浄する洗浄手段(A4)、及び、該洗浄手段を経て調製されたバイオディーゼル燃料溶液を減圧加熱処理により脱水する手段(A5)を設けたバイオディーゼル燃料溶液精製手段からなるバイオディーゼル燃料製造システム。
- 攪拌手段を備えた耐圧セル、液化ジメチルエーテル供給手段、アルカリ触媒及び低級アルコール供給手段を供えたことを特徴とするバイオディーゼル燃料の製造における原料油のエステル交換反応装置。
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