JP4543177B2 - Method for producing fatty acid alkyl ester - Google Patents

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Description

本発明は、脂肪酸アルキルエステル(「脂肪酸エステル」とも言う。)の製造方法に関する。より詳しくは、バイオディーゼル燃料として使用する脂肪酸アルキルエステルの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a fatty acid alkyl ester (also referred to as “fatty acid ester”). More specifically, the present invention relates to a method for producing a fatty acid alkyl ester used as a biodiesel fuel.

一般に「BDF」と略称されるバイオディーゼル燃料は、植物性油脂、動物性油脂又はこれらの廃油脂(例えば、廃食油)の主成分である脂肪酸トリグリセリド(「脂肪酸グリセリド」とも言う。)をエステル交換又は加水分解して得られる脂肪酸をアルコールでエステル化する方法などによって得られる脂肪酸エステルからなる燃料である。この燃料は、ディーゼル機関を有する車両、船舶、農工業機械、発電機等に使用可能である。   Biodiesel fuel generally abbreviated as “BDF” is a transesterification of vegetable oil, animal oil or fatty acid triglyceride (also referred to as “fatty acid glyceride”), which is the main component of these waste oils (for example, waste cooking oil). Or it is the fuel which consists of fatty acid ester obtained by the method of esterifying the fatty acid obtained by hydrolysis with alcohol. This fuel can be used for vehicles having diesel engines, ships, agricultural and industrial machinery, generators, and the like.

このバイオディーゼル燃料は、軽油に比べてその排気ガス中の黒鉛や酸性雨の原因となる硫黄酸化物が少なく、浮遊粒子状物質(PM)の発生も少ないため、環境負荷を軽減できるという利点やバイオマス資源由来の燃料であるので、地球上の炭素バランスを崩さないという利点を有することなどから、既に化石燃料の代替としての利用が始まっている。また、油脂類から脂肪酸エステルを工業的に製造する方法も幾つか開発されており、この方法は、概ねアルカリ触媒法、酸触媒法、リパーゼ酵素法に大別できる。   Compared to light oil, this biodiesel fuel has less sulfur oxides that cause graphite and acid rain in its exhaust gas, and generates less suspended particulate matter (PM). Since it is a fuel derived from biomass resources, it has already been used as an alternative to fossil fuels because it has the advantage of not disrupting the global carbon balance. In addition, several methods for industrially producing fatty acid esters from fats and oils have been developed, and this method can be roughly divided into an alkali catalyst method, an acid catalyst method, and a lipase enzyme method.

アルカリ触媒法は、油脂にメタノールと塩基性触媒を加えてエステル交換反応を行うことにより、目的の脂肪酸メチルエステルを得る方法である。この方法は、比較的穏やかな温度・圧力条件で反応を進行させることができるが、精製段階でアルカリ触媒の除去工程が必要となる。また、原料油脂中の遊離脂肪酸とアルカリ触媒が反応してアルカリセッケンを生成したり、原料油脂中の水が触媒機能を低下させたりして、エステル収率の低下を招くなどの問題を抱えている。   The alkali catalyst method is a method for obtaining a target fatty acid methyl ester by adding a methanol and a basic catalyst to an oil and fat and conducting a transesterification reaction. This method allows the reaction to proceed under relatively mild temperature and pressure conditions, but requires a step of removing the alkali catalyst in the purification step. In addition, the free fatty acid in the raw oil and fat reacts with the alkali catalyst to produce alkali soap, and the water in the raw oil and fat reduces the catalytic function, resulting in a decrease in ester yield. Yes.

酸触媒法は、アルカリ触媒法のようなアルカリセッケンの生成は起こらないが、前記アルカリ触媒法同様に、原料油脂中の水分によって触媒機能が低下し、また、反応速度も遅いため、この方法単独で工業的製法とすることは困難である。   The acid catalyst method does not generate alkali soap like the alkali catalyst method, but, like the alkali catalyst method, the catalytic function is lowered by the moisture in the raw oil and fat, and the reaction rate is also slow. Therefore, it is difficult to make an industrial process.

リパーゼ酵素法は、リパーゼ酵素の触媒作用によって、原料油脂をバイオディーゼル燃料へ変換する方法であり、生産物の中和が不要であり、原料中の遊離脂肪酸の影響を受けないなどの利点があるが、メタノール添加量の制御が不可欠であり、反応速度が遅く、コストも高いなどの問題を抱えている。   The lipase enzyme method is a method of converting raw oils and fats to biodiesel fuel by the catalytic action of the lipase enzyme, and there is an advantage that neutralization of the product is unnecessary and it is not affected by free fatty acids in the raw material. However, control of the amount of methanol added is essential, and there are problems such as slow reaction rate and high cost.

これらの製法に対し、本願発明者は、無触媒条件下で脂肪酸エステルを製造する技術を提案している。例えば、特許文献1では、原料油脂を、高温・高圧の超臨界状態又は亜臨界状態のアルコールを溶媒に用いてエステル交換反応及びエステル化反応を行うことによって、脂肪酸エステル組成物を無触媒で製造する技術を提案している。この技術では、脂肪酸アルキルエステルとグリセリンとが反応して脂肪酸モノグリセリドに戻る逆反応が存在するため、脂肪酸アルキルエステル生成方向へ反応を傾けるために大過剰量のアルコールを用いる必要があり、また温度・圧力の条件も厳しく、改良の余地があった。   For these production methods, the present inventor has proposed a technique for producing a fatty acid ester under non-catalytic conditions. For example, in Patent Document 1, a fatty acid ester composition is produced without a catalyst by performing a transesterification reaction and an esterification reaction using raw material fats and oils in a supercritical or subcritical alcohol at a high temperature and high pressure as a solvent. The technology to do is proposed. In this technology, there is a reverse reaction in which the fatty acid alkyl ester and glycerin react to return to the fatty acid monoglyceride. Therefore, it is necessary to use a large excess of alcohol to tilt the reaction in the direction of fatty acid alkyl ester formation, Pressure conditions were severe and there was room for improvement.

また、本願発明者は、特許文献2や非特許文献1において、前記特許文献1の改良技術を提案している。より詳しくは、脂肪酸トリグリセリドを含む原料油脂と水を共存させて加水分解し、前記脂肪酸トリグリセリドから脂肪酸とグリセリンを得る第1工程と、この第1工程の生成物にアルコールを添加し、所定の温度・圧力条件で前記生成物中の脂肪酸を脂肪酸アルキルエステルに変換する第2工程(即ち、エステル化工程)と、から構成される製造方法(以下、「無触媒・二段階方法」と称する)を提案している。   The inventor of the present application has proposed an improved technique of Patent Document 1 in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1. More specifically, hydrolysis is performed by coexisting raw material fats and oils containing fatty acid triglycerides and water to obtain fatty acids and glycerin from the fatty acid triglycerides, and alcohol is added to the product of the first step, and a predetermined temperature is obtained. A second process (that is, an esterification process) for converting a fatty acid in the product into a fatty acid alkyl ester under pressure conditions (hereinafter referred to as “non-catalytic / two-stage process”). is suggesting.

この無触媒・二段階方法では、第1工程後に、グリセリンを分離除去することにより第2工程での逆反応を有効に阻止し、かつ第1工程から得られた脂肪酸中の水分を除去しておくことで、第2工程のエステル化反応をより優勢に進行させることができるため、脂肪酸アルキルエステルを効率良く製造できる。この方法は、特に、水や遊離脂肪酸を含む廃油などの原料油脂を用いる脂肪酸アルキルエステルの工業的製法として有用な技術である。   In this non-catalytic two-step method, after the first step, glycerin is separated and removed to effectively prevent the reverse reaction in the second step, and water in the fatty acid obtained from the first step is removed. Since the esterification reaction in the second step can proceed more preferentially, the fatty acid alkyl ester can be produced efficiently. This method is particularly useful as an industrial process for producing fatty acid alkyl esters using raw oils and fats such as waste oil containing water and free fatty acids.

加えて、特許文献3には、トリグリセリドとカルボン酸エステルとをエステル交換反応させて得られてくるトリアセチン(グリセリントリアセタート)などのトリグリセリドとカルボン酸エステルとからなる燃料を製造する技術が開示されている。即ち、アルコールを溶媒として用いない脂肪酸アルキルエステルの製造技術が開示されている。
特開2000−204392号公報。 PCT国際公開 WO03/106604号公報。 特開2004−149742号公報。 Journal of the Japan Institute of Energy,Vol.84,413−419(2005)。
In addition, Patent Document 3 discloses a technique for producing a fuel comprising a triglyceride such as triacetin (glycerin triacetate) obtained by subjecting a triglyceride and a carboxylic acid ester to an ester exchange reaction and a carboxylic acid ester. ing. That is, a technique for producing a fatty acid alkyl ester that does not use alcohol as a solvent is disclosed.
JP 2000-204392 A. PCT International Publication WO 03/106604. JP 2004-149742 A. Journal of the Japan Institute of Energy, Vol. 84, 413-419 (2005).

BDFに有用である脂肪酸アルキルエステルの製法に係わる従来技術は、上記したように、概ね、アルコールを溶媒とするエステル化反応やエステル交換反応に基づいている。アルコール溶媒系では、例えば、アルコールを超臨界条件とすることで、原料油脂中の遊離脂肪酸に対してもエステル化反応を進行させることができるが、脂肪酸トリグリセリドをグリセロールへ変換する反応に時間がかかるという課題を抱えている。また、アルコール溶媒を用いない上記特許文献3に開示された技術については、原料油脂の主成分が脂肪酸トリグリセリドである場合は有用であるが、原料油脂の主成分が遊離脂肪酸からなる場合(例えば、ダーク油)は、対応が困難である。   As described above, conventional techniques related to a method for producing a fatty acid alkyl ester useful for BDF are generally based on esterification reaction or transesterification reaction using alcohol as a solvent. In the alcohol solvent system, for example, by making alcohol a supercritical condition, the esterification reaction can proceed even for free fatty acids in the raw oil and fat, but it takes time to convert fatty acid triglycerides to glycerol. I have a problem. In addition, the technique disclosed in Patent Document 3 that does not use an alcohol solvent is useful when the main component of the raw material fat is a fatty acid triglyceride, but the main component of the raw material fat is a free fatty acid (for example, Dark oil) is difficult to handle.

今後、脂肪酸アルキルエステルの製造技術を実用化するに当たり、広範な種類の原料油脂に対応可能であること、反応工程の簡略化、反応条件(例えば、温度、圧力)の緩和、反応効率の向上、触媒の使用回避、燃料に不適な副産物(例えば、水、グリセリンなど)の発生の抑制又は防止、ひいては最終燃料組成物の高品位化が今後の重要な技術的課題となっている。   In the future, when the production technology for fatty acid alkyl esters is put to practical use, it will be possible to handle a wide variety of raw oils and fats, simplify the reaction process, relax reaction conditions (eg, temperature and pressure), improve reaction efficiency, Avoiding the use of a catalyst, suppressing or preventing the generation of byproducts (for example, water, glycerin, etc.) unsuitable for fuel, and, consequently, improving the quality of the final fuel composition are important technical issues in the future.

そこで、本発明は、前記技術的課題の解決を図り、工業生産により適する脂肪酸アルキルエステルの製造方法、より詳しくは、溶媒としてアルコール溶媒を用いない反応系であって、反応効率が良く、かつ広範な原料油脂にも対応できる脂肪酸アルキルエステルの新規製造方法を提供することを主目的とする。   Therefore, the present invention aims to solve the above technical problem and to produce a fatty acid alkyl ester that is more suitable for industrial production. More specifically, the present invention is a reaction system that does not use an alcohol solvent as a solvent, has high reaction efficiency, and a wide range. The main object is to provide a novel method for producing a fatty acid alkyl ester that can be applied to various raw oils and fats.

本願発明者は、従来から脂肪酸アルキルエステルの製造技術の主流になっているアルコール溶媒を用いる方法から発想を大きく転換して、脂肪酸アルキルエステルの工業生産を想定したより有利な製造方法の鋭意研究を行った。その結果、脂肪酸や脂肪酸グリセリドに対して、超臨界又は亜臨界の条件のカルボン酸エステルあるいはカルボン酸を反応させて、エステル化反応やエステル交換反応を進行させることにより、目的の脂肪酸アルキルエステルを効率良く得ることができることを突き止めた。   The inventor of the present application has greatly changed the idea from the method using an alcohol solvent, which has been the mainstream in the production technology of fatty acid alkyl esters, and has conducted earnest research on more advantageous production methods assuming industrial production of fatty acid alkyl esters. went. As a result, the fatty acid or fatty acid glyceride is reacted with a carboxylic acid ester or carboxylic acid under supercritical or subcritical conditions, and the esterification reaction or transesterification reaction is advanced, so that the target fatty acid alkyl ester is efficiently produced. I found out that I could get well.

そこで、本発明では、まず、脂肪酸とカルボン酸エステルとの間で、該カルボン酸エステルの超臨界又は亜臨界の条件でエステル化反応を進行させることによって脂肪酸アルキルエステルを製造する方法を提供する。   Therefore, the present invention provides a method for producing a fatty acid alkyl ester by first proceeding an esterification reaction between a fatty acid and a carboxylic acid ester under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid ester.

この製造方法における前記脂肪酸は、原料油脂に存在している遊離脂肪酸を有効に利用することができる。また、この製造方法における前記脂肪酸として、原料油脂から所定工程を経て得られる脂肪酸を利用することもできる。なお、該脂肪酸と前記遊離脂肪酸の両方を用いることもできる。   As the fatty acid in this production method, free fatty acids present in the raw oil and fat can be used effectively. Moreover, the fatty acid obtained through a predetermined process from raw material fats and oils can also be utilized as the said fatty acid in this manufacturing method. Both the fatty acid and the free fatty acid can be used.

原料油脂中の成分から脂肪酸を得る上記所定工程は、とくに狭く限定されることはないが、一例を挙げれば、前記原料油脂中の脂肪酸グリセリドとカルボン酸を、該カルボン酸の超臨界又は亜臨界の条件でエステル交換することによって脂肪酸を得る工程を採用することができる。あるいは、前記原料油脂中の脂肪酸トリグリセリドを超臨界又は亜臨界の条件で加水分解することによって脂肪酸を得る工程を採用できる。   The above-mentioned predetermined step for obtaining a fatty acid from the components in the raw oil and fat is not particularly limited, but for example, the fatty acid glyceride and the carboxylic acid in the raw oil and fat are supercritical or subcritical of the carboxylic acid. A step of obtaining a fatty acid by transesterification under the above conditions can be employed. Or the process of obtaining a fatty acid by hydrolyzing the fatty acid triglyceride in the said raw material fats and oils on supercritical or subcritical conditions is employable.

本発明に係る製造方法の目的物である前記脂肪酸アルキルエステルには、脂肪酸とカルボン酸エステルとの間の上記エステル化反応を進行させることによって得られる脂肪酸アルキルエステルの他に、他の反応経路から得られる脂肪酸アルキルエステルが含まれていてもよい。一例を挙げると、前記原料油脂中の脂肪酸グリセリドとカルボン酸エステルとの間のエステル交換反応で得られる脂肪酸アルキルエステルが含まれていてもよい。   In addition to the fatty acid alkyl ester obtained by advancing the esterification reaction between the fatty acid and the carboxylic acid ester, the fatty acid alkyl ester that is the target product of the production method according to the present invention is from other reaction routes. The resulting fatty acid alkyl ester may be included. If an example is given, the fatty-acid alkylester obtained by the transesterification between the fatty-acid glyceride and carboxylic acid ester in the said raw material fats and oils may be contained.

本製造方法では、上記エステル化反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸相とカルボン酸エステル相の相溶化を行うとよい。この相溶化によって、脂肪酸とカルボン酸エステルのエステル交換反応がより促進されることになるため、工業生産においても有効に活用可能である。   In this manufacturing method, it is good to compatibilize a fatty acid phase and a carboxylic acid ester phase by adding a third component to the esterification reaction system. This compatibilization further promotes the transesterification reaction between the fatty acid and the carboxylic acid ester, and therefore can be effectively used in industrial production.

また、上記エステル交換反応系に対しても第三成分を添加することによって、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸相、あるいは脂肪酸グリセリド相とカルボン酸エステル相の相溶化を行ってもよい。この相溶化によって、エステル交換反応がより促進されることになるため、工業生産において有効である。   Also, the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid phase, or the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid ester phase may be compatibilized by adding a third component to the transesterification reaction system. This compatibilization promotes the transesterification reaction, and is effective in industrial production.

本製造方法におけるエステル化反応やエステル交換反応において利用可能なカルボン酸エステルは、とくに狭く限定されないが、蟻酸メチルなどの蟻酸エステルを利用することも可能である。   The carboxylic acid ester that can be used in the esterification reaction or transesterification reaction in the present production method is not particularly limited, but formic acid esters such as methyl formate can also be used.

なお、本発明において「油脂」とは、脂肪酸グリセリド(脂肪酸トリグリセリド、脂肪酸ジグリセリド、脂肪酸モノグリセリドを含む。)及び脂肪酸のいずれかを少なくとも含むものである。「脂肪酸アルキルエステル」とは、(1)原料油脂中に最初から含まれていた遊離脂肪酸、(2)原料油脂中の成分が何らかの反応を受けて生成した脂肪酸、(3)原料油脂中に含まれる脂肪酸や脂肪酸グリセリドなどが、エステル化反応、あるいはエステル交換反応などを経て得られる脂肪酸エステルを意味する。   In the present invention, “oil / fat” includes at least one of fatty acid glycerides (including fatty acid triglycerides, fatty acid diglycerides, and fatty acid monoglycerides) and fatty acids. “Fatty acid alkyl ester” means (1) a free fatty acid originally contained in the raw oil and fat, (2) a fatty acid produced by a reaction of components in the raw oil and fat, and (3) contained in the raw oil and fat. Means fatty acid ester obtained through esterification reaction or transesterification reaction.

本発明によれば、外部から反応系へ触媒を添加することもなく、脂肪酸アルキルエステルを効率良く製造することができる。また、脂肪酸とカルボン酸エステルとの間で、該カルボン酸エステルの超臨界又は亜臨界の条件でエステル化反応を進行させることによって脂肪酸アルキルエステルを製造する方法では、アルコールを溶媒として用いないため、例えば、従来の脂肪酸とアルコールとをエステル化反応させて脂肪酸アルキルエステルを製造する方法とは異なり、燃料中の組成物として不適な水の発生が反応系において起こらない。   According to the present invention, a fatty acid alkyl ester can be efficiently produced without adding a catalyst from the outside to the reaction system. Further, in the method of producing a fatty acid alkyl ester by proceeding an esterification reaction between a fatty acid and a carboxylic acid ester under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid ester, alcohol is not used as a solvent. For example, unlike the conventional method of producing a fatty acid alkyl ester by esterifying a fatty acid and an alcohol, generation of water unsuitable as a composition in fuel does not occur in the reaction system.

本発明の製造方法に係る反応系では、反応の最終段階に至るまでカルボン酸エステルやカルボン酸が存在することになり、このカルボン酸エステルやカルボン酸が酸触媒機能を発揮するため、反応効率が向上し、ひいては高品位な脂肪酸アルキルエステルを製造することができる。   In the reaction system according to the production method of the present invention, a carboxylic acid ester or a carboxylic acid is present until the final stage of the reaction. Since this carboxylic acid ester or carboxylic acid exhibits an acid catalyst function, the reaction efficiency is high. As a result, a high-quality fatty acid alkyl ester can be produced.

以下、本発明を実施するための好適な形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる製造方法の代表的な実施形態例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Each embodiment shown in the accompanying drawings shows a typical embodiment of the manufacturing method according to the present invention, and the scope of the present invention is not interpreted narrowly.

まず、図1は、本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの基本製造工程(X工程)の概念図、図2は同基本製造工程(X工程)に係わるエステル化反応をより詳しく説明する図である。   First, FIG. 1 is a conceptual diagram of a basic production process (X process) of a fatty acid alkyl ester according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining in more detail an esterification reaction related to the basic production process (X process).

ここで、図2中に示す ,R は、炭化水素基を意味しており、これらR,Rは異種の炭化水素基であったり、 ,R の全部又はいずれか二つが同種の炭化水素基であったりしてもよい。また、 ,R は、その炭素数を狭く限定されることはなく、また、炭素−炭素不飽和結合があってもよく、場合によってはアルコキシ基などの他の官能基が結合していてもよい(以下、他の工程でも同様)。また、カルボン酸エステルに係わるR は、水素又は炭化水素基であって、R が水素の場合は図2のR COOR は蟻酸アルキルエステルを意味し、一方R が炭化水素基の場合は、その炭素数は狭く限定されることはなく、また、R 中に炭素−炭素不飽和結合があってもよく、場合によってはアルコキシ基などの他の官能基が結合していてもよい(以下、他の工程でも同様)。 Here, R 1 and R 3 shown in FIG. 2 mean hydrocarbon groups, and these R 1 and R 3 may be different types of hydrocarbon groups, or all or one of R 1 and R 3 . Two may be the same kind of hydrocarbon groups. Further, R 1 and R 3 are not limited to a narrow number of carbon atoms, and may have a carbon-carbon unsaturated bond. In some cases, other functional groups such as an alkoxy group are bonded. (Hereinafter, the same applies to other steps). In addition, R 2 related to the carboxylic acid ester is hydrogen or a hydrocarbon group. When R 2 is hydrogen, R 2 COOR 3 in FIG. 2 means a formic acid alkyl ester, while R 2 is a hydrocarbon group. In some cases, the number of carbon atoms is not narrowly limited, and there may be a carbon-carbon unsaturated bond in R 2 , and in some cases, other functional groups such as alkoxy groups may be bonded. Good (hereinafter, the same applies to other processes).

図1、図2に示されたX工程に係わる「エステル化反応」は、好適には、カルボン酸エステルを超臨界条件又は亜臨界条件の温度及び圧力として原料油脂を処理することによって進行させることができる。   The “esterification reaction” relating to the step X shown in FIGS. 1 and 2 preferably proceeds by treating the raw oil and fat with the carboxylic acid ester as the temperature and pressure under supercritical or subcritical conditions. Can do.

溶媒であるカルボン酸エステルの「超臨界状態」とは、反応系内の温度がカルボン酸エステルの臨界温度(Tc)以上で、かつ圧力がカルボン酸エステルの臨界圧力(Pc)以上の状態を言う。また、「亜臨界状態」とは、反応系内の温度がカルボン酸エステルの沸点以上で、かつ概ね100〜150℃以上であり、かつ圧力が反応温度におけるカルボン酸エステルの蒸気圧以上で、かつ概ね0.5〜2MPa以上の状態を言う。   The “supercritical state” of the carboxylic acid ester as the solvent means a state in which the temperature in the reaction system is higher than the critical temperature (Tc) of the carboxylic acid ester and the pressure is higher than the critical pressure (Pc) of the carboxylic acid ester. . Further, the “subcritical state” means that the temperature in the reaction system is not less than the boiling point of the carboxylic acid ester and is generally not less than 100 to 150 ° C., and the pressure is not less than the vapor pressure of the carboxylic acid ester at the reaction temperature, and The state of about 0.5-2 MPa or more is said.

カルボン酸エステルとして、例えば、蟻酸メチル、蟻酸エチル、蟻酸プロピル、蟻酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸プロピル、酪酸ブチルなどを用いることができる。なお、主要なカルボン酸エステルの臨界温度(Tc)及び臨界圧力(Pc)を以下の「表1」にまとめた。   Examples of the carboxylic acid ester include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, butyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, methyl butyrate, Ethyl butyrate, propyl butyrate, butyl butyrate and the like can be used. In addition, the critical temperature (Tc) and critical pressure (Pc) of main carboxylic acid esters are summarized in the following “Table 1”.

このエステル化反応の対象となる脂肪酸は、原料油脂中に最初から含まれている遊離脂肪酸、あるいは原料油脂中に含まれる成分(例えば、脂肪酸グリセリド)から所定工程を経て得られてくる脂肪酸のいずれか一方又は両方を利用することができる。なお、本発明に係る製造方法では、この図1、2に示されたエステル化反応工程を必須の基本工程と位置付ける。   The fatty acid that is the target of this esterification reaction is either a free fatty acid contained in the raw material fat or oil from the beginning, or a fatty acid obtained through a predetermined step from a component (eg, fatty acid glyceride) contained in the raw material fat or oil. Either or both can be used. In the production method according to the present invention, the esterification reaction step shown in FIGS. 1 and 2 is positioned as an essential basic step.

本発明では、このエステル化反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸相とカルボン酸エステル相の相溶化を行なうのが望ましい。この相溶化を行うことによって、該エステル化反応の反応を促進させることが可能となるからである。前記第三成分は、脂肪酸相とカルボン酸エステル相の相溶化に寄与する成分が広く利用することができる。例えば、ペンタン、ヘキサンなどのアルカンや石油エーテルなどを挙げることができる。   In the present invention, it is desirable to make the fatty acid phase and the carboxylic acid ester phase compatibilized by adding a third component to the esterification reaction system. This is because the compatibilization can promote the esterification reaction. As the third component, a component that contributes to compatibilization of the fatty acid phase and the carboxylic acid ester phase can be widely used. For example, alkanes such as pentane and hexane and petroleum ether can be used.

次に、図3は、本発明に係る製造方法において利用可能な別の反応経路の例を示す図である。図4は、この反応経路の初段階の工程であるA工程(エステル交換工程)の反応例を示す図である。   Next, FIG. 3 is a figure which shows the example of another reaction path | route which can be utilized in the manufacturing method which concerns on this invention. FIG. 4 is a diagram showing a reaction example of the step A (transesterification step) which is the first step of this reaction path.

まず、この図3及び図4に示されたA工程(エステル交換工程)の目的は、原料油脂中に含まれ得る脂肪酸グリセリド(図3では、脂肪酸トリグリセリドを例示)からX工程(エステル化反応、図1、図2参照)で利用可能な脂肪酸を収得することである。   First, the purpose of the step A (transesterification step) shown in FIG. 3 and FIG. 4 is from the fatty acid glyceride (in FIG. 3, fatty acid triglyceride is exemplified) to the X step (esterification reaction, The fatty acids that can be used in FIG. 1 and FIG. 2 are obtained.

即ち、本発明に係る製造方法において、エステル交換工程であるA工程を採用する場合は、該反応によって得られた脂肪酸(RCOOH)とアセチン(acetin、図4ではトリアセチンを例示)から脂肪酸を分離回収し、続いてこの脂肪酸を図1及び図2に示すX工程において、カルボン酸エステルによって超臨界又は亜臨界条件でエステル化し、目的の脂肪酸アルキルエステルを収得するという反応経路となる(図3参照)。 That is, in the production method according to the present invention, when the step A which is a transesterification step is adopted, the fatty acid is obtained from the fatty acid (R 1 COOH) and acetin (acetin, which is exemplified by triacetin in FIG. 4) obtained by the reaction. 1 and FIG. 2, the fatty acid is then esterified under supercritical or subcritical conditions with a carboxylic acid ester to obtain the desired fatty acid alkyl ester (FIG. 3). reference).

ここで、図4に示すA工程の反応例では、脂肪酸トリグリセリドとカルボン酸との間で、該カルボン酸の超臨界又は亜臨界条件下、いわゆるエステル交換反応を行って、アセチンと脂肪酸(RCOOH)を得る工程が示されている。なお、脂肪酸グリセリドとして、脂肪酸トリグリセリド以外に、脂肪酸ジグリセリド、脂肪酸モノグリセリドも含まれ、アセチンとして、トリアセチン以外に、ジアセチンやモノアセチンも含まれる。 Here, in the reaction example of Step A shown in FIG. 4, a so-called transesterification reaction is performed between the fatty acid triglyceride and the carboxylic acid under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid, and acetin and the fatty acid (R 1 The process of obtaining (COOH) is shown. In addition to fatty acid triglyceride, fatty acid glyceride includes fatty acid diglyceride and fatty acid monoglyceride, and acetin includes diacetin and monoacetin in addition to triacetin.

溶媒であるカルボン酸の「超臨界状態」とは、反応系内の温度がカルボン酸の臨界温度(Tc)以上で、かつ圧力がカルボン酸の臨界圧力(Pc)以上の状態を言う。また、カルボン酸の「亜臨界状態」とは、反応系内の温度がカルボン酸の沸点以上で、かつ概ね200℃以上であり、かつ圧力が反応温度におけるカルボン酸の蒸気圧以上で、かつ概ね2〜3MPa以上の状態を言う。しかし、350℃を超える温度条件では、特に不飽和脂肪酸が熱分解するため、350℃以下、より好ましくは300℃以下の条件が望まれる。なお、以下に主要なカルボン酸の臨界温度(Tc)及び臨界圧力(Pc)を以下の「表2」にまとめた。   The “supercritical state” of the carboxylic acid as the solvent means a state in which the temperature in the reaction system is higher than the critical temperature (Tc) of the carboxylic acid and the pressure is higher than the critical pressure (Pc) of the carboxylic acid. The “subcritical state” of carboxylic acid means that the temperature in the reaction system is not lower than the boiling point of carboxylic acid and is generally not lower than 200 ° C., and the pressure is not lower than the vapor pressure of carboxylic acid at the reaction temperature, and is approximately The state of 2-3 MPa or more is said. However, since unsaturated fatty acids are thermally decomposed particularly under temperature conditions exceeding 350 ° C., conditions of 350 ° C. or less, more preferably 300 ° C. or less are desired. The critical temperatures (Tc) and critical pressures (Pc) of main carboxylic acids are summarized in the following “Table 2”.

以上から、本発明では、A工程(エステル交換反応)とX工程(エステル化反応)をベースとしたバイオディーゼル燃料の二段階超臨界工程を提案できる。例えば、原料油脂に含まれる脂肪酸グリセリドを、超臨界又は亜臨界条件のカルボン酸でエステル交換して得られた脂肪酸を、もともと原料油脂中に共存していた脂肪酸と共に分別し、次に、カルボン酸エステルを用いて、該カルボン酸エステルの超臨界又は亜臨界条件下で前記脂肪酸をエステル化して脂肪酸アルキルエステル(バイオディーゼル燃料)を得る製造方法を提案できる。   From the above, in the present invention, a two-stage supercritical process of biodiesel fuel based on the A process (transesterification reaction) and the X process (esterification reaction) can be proposed. For example, the fatty acid glyceride contained in the raw oil and fat is fractionated together with the fatty acid obtained by transesterification with the supercritical or subcritical carboxylic acid, together with the fatty acid originally coexisting in the raw oil and fat. A production method can be proposed in which an ester is used to esterify the fatty acid under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid ester to obtain a fatty acid alkyl ester (biodiesel fuel).

なお、このような製造方法では、この前記エステル交換反応系(A工程)に第三成分を添加することによって、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸相の相溶化を行なうとよい。この相溶化を行うことによって、該エステル交換反応を促進させることができ、また、その結果、反応処理条件、例えば、処理温度を低減することが可能になるからである。この相溶化に利用可能な第三成分は、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸相の相溶化に寄与する成分が広く対象となる。例えば、ペンタン、ヘキサンなどのアルカンや石油エーテルなどを挙げることができる。   In such a production method, the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid phase may be compatibilized by adding a third component to the transesterification reaction system (step A). This is because by performing the compatibilization, the transesterification reaction can be promoted, and as a result, the reaction treatment conditions, for example, the treatment temperature can be reduced. As the third component that can be used for this compatibilization, components that contribute to compatibilization of the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid phase are widely targeted. For example, alkanes such as pentane and hexane and petroleum ether can be used.

次に、図5は、本発明に係る製造方法において利用可能な他の反応経路の例を示す図である。図6は、この反応経路の初段階の工程であるB工程(加水分解工程)の反応例を示す図である。   Next, FIG. 5 is a figure which shows the example of the other reaction path | route which can be utilized in the manufacturing method which concerns on this invention. FIG. 6 is a diagram illustrating a reaction example of a process B (hydrolysis process) which is a first stage process of the reaction path.

この図5に示されたB工程(加水分解工程)の目的は、上記A工程と同様に、原料油脂中に含まれる脂肪酸グリセリド(図6では、脂肪酸トリグリセリドを例示)を図1のエステル化反応で利用できる脂肪酸へ変換することである。   The purpose of the step B (hydrolysis step) shown in FIG. 5 is to esterify the fatty acid glyceride (in FIG. 6, fatty acid triglyceride is exemplified in FIG. 6) contained in the raw oil and fat as in the above step A. The fatty acids that can be used in

即ち、加水分解工程であるB工程を初段階工程として採用すると、該B工程によって得られる脂肪酸(RCOOH)とグリセリンから脂肪酸だけを分離回収し、続いてこの脂肪酸を図1、2のX工程へ移行させ、超臨界又は亜臨界条件のカルボン酸エステルによってエステル化し、目的の脂肪酸アルキルエステルを収得するという反応経路を提案することができる(図5参照)。 That is, when the B process which is a hydrolysis process is adopted as the initial stage process, only the fatty acid is separated and recovered from the fatty acid (R 1 COOH) and glycerin obtained by the B process, and then this fatty acid is recovered as X in FIGS. It is possible to propose a reaction route that shifts to a process and esterifies with a carboxylic acid ester under supercritical or subcritical conditions to obtain the desired fatty acid alkyl ester (see FIG. 5).

初段階工程である加水分解工程後、原料油脂から生成したグリセリンは水に溶解するため脂肪酸から容易に分離することができる(後述)。このため、次の工程段階であるエステル化反応で生成した脂肪酸エステルとの間での逆反応を抑えることが可能となるので、高純度の脂肪酸アルキルエステルが得られる。   After the hydrolysis process, which is the initial stage process, glycerin produced from the raw oil and fat can be easily separated from the fatty acid because it dissolves in water (described later). For this reason, since it becomes possible to suppress the reverse reaction with the fatty acid ester produced | generated by the esterification reaction which is the next process step, highly purified fatty-acid alkylester is obtained.

ここで、図6に示すB工程の反応例では、原料油脂中に含まれる脂肪酸グリセリドを加水分解して、脂肪酸とグリセリンを得る工程であって、例えば、温度150〜300℃、特に250℃〜300℃、圧力5〜25MPa、特に7〜20MPaの亜臨界水条件で、15〜60分、特に好適には20〜40分実施する。このようなB工程から得られる生成物中には、未反応の脂肪酸トリグリセリドが殆ど残存しないという利点がある。   Here, in the reaction example of the B process shown in FIG. 6, the fatty acid glyceride contained in the raw oil and fat is hydrolyzed to obtain a fatty acid and glycerin, for example, a temperature of 150 to 300 ° C., particularly 250 ° C. to It is carried out under subcritical water conditions of 300 ° C. and a pressure of 5 to 25 MPa, particularly 7 to 20 MPa, and 15 to 60 minutes, particularly preferably 20 to 40 minutes. There is an advantage that almost no unreacted fatty acid triglyceride remains in the product obtained from the step B.

なお、図6中では、脂肪酸トリグリセリドを代表例として示しているが、これに限定する趣旨ではなく、原料油脂中に含まれ得る脂肪酸ジグリセリドや脂肪酸モノグリセリドからも、図6同様に加水分解反応によって脂肪酸を得ることができる。   In FIG. 6, fatty acid triglyceride is shown as a representative example. However, it is not intended to be limited to this, and fatty acid diglyceride and fatty acid monoglyceride that can be contained in the raw oil and fat are also subjected to a fatty acid reaction by hydrolysis reaction as in FIG. 6. Can be obtained.

図6に示す反応式中の「加圧熱水」とは、前記亜臨界水のことを意味するが、それに狭く限定されるのではなく、超臨界水や低温・低圧での亜臨界水を広く包含する。   The “pressurized hot water” in the reaction formula shown in FIG. 6 means the subcritical water, but it is not limited to the subcritical water. Supercritical water or subcritical water at low temperature / low pressure is used. Widely encompass.

この加水分解工程であるB工程から得られる生成物を含む反応溶液を静置すると、油相と水相への相分離が起こる(相分離工程)。この工程により分離された油相には脂肪酸が、一方の水相には副産物であるグリセリンが含まれる。この油相を分離回収することによって、続くエステル化工程であるX工程(図1、図2参照)で使用する脂肪酸を回収することができる。この脂肪酸には、加水分解(図6参照)によって生成した脂肪酸や原料油脂中に当初から含まれていた遊離脂肪酸が含まれている。   When the reaction solution containing the product obtained from the step B which is the hydrolysis step is allowed to stand, phase separation into an oil phase and an aqueous phase occurs (phase separation step). The oil phase separated by this step contains fatty acids and one aqueous phase contains glycerin, a by-product. By separating and recovering this oil phase, it is possible to recover the fatty acid used in the subsequent step X (see FIGS. 1 and 2), which is the esterification step. These fatty acids contain free fatty acids originally contained in fatty acids and raw oils and fats produced by hydrolysis (see FIG. 6).

このような相分離工程によって得られる油相中に水が残留すると、続くX工程において脂肪酸エステルの一部が加水分解を受けて脂肪酸に戻ることから、油相中から可能な限りの水を除去することが好ましい。また、製造プロセス全体のエネルギー効率を考慮すると、加水分解工程(B工程)後の生成物を常温まで冷却することは好ましくない。   If water remains in the oil phase obtained by such a phase separation process, a part of the fatty acid ester undergoes hydrolysis and returns to the fatty acid in the subsequent process X, so as much water as possible is removed from the oil phase. It is preferable to do. In consideration of the energy efficiency of the entire manufacturing process, it is not preferable to cool the product after the hydrolysis step (step B) to room temperature.

そこで、本発明では、この相分離工程を加水分解温度(例えば、250〜300℃)付近で行うように工夫する。これにより、生成物を冷却する必要がなくなり、その後、エステル化反応(図1、図2参照)のために再び加熱するエネルギーも不要となるという利点が得られる。   Therefore, in the present invention, the phase separation step is devised so as to be performed near the hydrolysis temperature (for example, 250 to 300 ° C.). This eliminates the need to cool the product and provides the advantage that the energy for heating again for the esterification reaction (see FIGS. 1 and 2) is then unnecessary.

以上から、本発明では、脂肪酸を含む原料油脂に含まれる脂肪酸グリセリドを、超臨界又は亜臨界条件の水(加圧熱水)で加水分解し、得られた脂肪酸を、もともと油脂中に共存していた脂肪酸と共に分別し、カルボン酸エステルで超臨界又は亜臨界条件下でエステル化して脂肪酸アルキルエステルとするバイオディーゼル燃料の製造方法を提案できる。   From the above, in the present invention, fatty acid glycerides contained in raw fats and oils containing fatty acids are hydrolyzed with supercritical or subcritical water (pressurized hot water), and the resulting fatty acids originally coexisted in the fats and oils. It is possible to propose a method for producing a biodiesel fuel which is fractionated together with the fatty acid, and esterified with a carboxylic acid ester under supercritical or subcritical conditions to obtain a fatty acid alkyl ester.

次に、添付した図7には、X工程(エステル化工程)においてカルボン酸エステルである蟻酸メチル(HCOOCH)を溶媒として用いた場合の二段階反応経路の一例を示している。この反応経路では、X工程のエステル化反応によって、反応系に蟻酸(HCOOH)が生成するため、該蟻酸の酸触媒の効果が期待できる。 Next, FIG. 7 attached shows an example of a two-step reaction path when methyl formate (HCOOCH 3 ), which is a carboxylic acid ester, is used as a solvent in the X step (esterification step). In this reaction route, formic acid (HCOOH) is generated in the reaction system by the esterification reaction in the X step, and thus the effect of the acid catalyst of the formic acid can be expected.

続いて、図8は、本発明に係る製造方法において、脂肪酸アルキルエステルの収率を高めるために利用可能なエステル交換反応工程(C工程)の反応例を示す図である。   Next, FIG. 8 is a diagram showing a reaction example of a transesterification step (step C) that can be used to increase the yield of fatty acid alkyl ester in the production method according to the present invention.

この図8に示されたC工程に係わるエステル交換反応は、本発明の製造方法に係わる反応系に存在している脂肪酸グリセリドを利用し、該脂肪酸グリセリドとカルボン酸エステルとの間で、例えば、該カルボン酸エステルの超臨界又は亜臨界条件下でエステル交換反応を進行させることによって、脂肪酸アルキルエステルを収得する反応である。このC工程は、該脂肪酸アルキルエステルの収率の向上に寄与する反応工程である。   The transesterification reaction related to Step C shown in FIG. 8 utilizes fatty acid glycerides present in the reaction system related to the production method of the present invention, and for example, between the fatty acid glycerides and the carboxylic acid ester, This is a reaction for obtaining a fatty acid alkyl ester by proceeding a transesterification reaction under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid ester. This C process is a reaction process contributing to the improvement of the yield of the fatty acid alkyl ester.

前記エステル交換反応は、上掲の「表1」に示されているように、蟻酸アルキルの臨界温度(Tc):214〜285℃、臨界圧力(Pc):3.5〜6.0、酢酸アルキルの臨界温度(Tc):234〜306℃、臨界圧力(Pc):3.3〜4.7MPaであるので、成分の分解が300℃以上で起こることを考慮すると、カルボン酸エステルの超臨界乃至亜臨界条件である、200℃以上300℃以下、2.0MPa以上15MPa以下が好適である。   As shown in the above-mentioned “Table 1”, the transesterification reaction is carried out using alkyl formate critical temperature (Tc): 214 to 285 ° C., critical pressure (Pc): 3.5 to 6.0, acetic acid. Since the critical temperature (Tc) of alkyl is 234 to 306 ° C. and the critical pressure (Pc) is 3.3 to 4.7 MPa, the supercriticality of the carboxylic acid ester is taken into consideration that decomposition of the components occurs at 300 ° C. or higher. The subcritical conditions of 200 ° C. to 300 ° C. and 2.0 MPa to 15 MPa are preferable.

本発明では、この図8に例示されているエステル交換反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸エステル相の相溶化を行ってもよい。この相溶化を行うことによって、該エステル交換反応を促進させることができ、また、その結果、反応処理条件、例えば、処理温度を低減することが可能になるからである。   In the present invention, the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid ester phase may be compatibilized by adding a third component to the transesterification reaction system illustrated in FIG. This is because by performing the compatibilization, the transesterification reaction can be promoted, and as a result, the reaction treatment conditions, for example, the treatment temperature can be reduced.

この相溶化に利用可能な第三成分は、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸エステル相の相溶化に寄与する成分が広く対象となる。例えば、ペンタン、ヘキサンなどのアルカンや石油エーテルなどを挙げることができる。   As the third component that can be used for this compatibilization, components that contribute to the compatibilization of the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid ester phase are widely targeted. For example, alkanes such as pentane and hexane and petroleum ether can be used.

図9は、この図8のような反応例に代表されるC工程(エステル交換工程)から既述したX工程(エステル化工程)へ至る反応経路の概念をまとめた図である。   FIG. 9 is a diagram summarizing the concept of the reaction route from the C step (transesterification step) represented by the reaction example shown in FIG. 8 to the X step (esterification step) described above.

まず、図4で示されたA工程、即ち脂肪酸グリセリドとカルボン酸との間のエステル交換工程を経て得られる脂肪酸とアセチン(例えば、トリアセチン)を分離する。そして、分離された脂肪酸をX工程(エステル化工程)に導入して、脂肪酸アルキルエステルを収得する(図8参照)。   First, the fatty acid and acetin (for example, triacetin) obtained through the step A shown in FIG. 4, that is, the transesterification step between the fatty acid glyceride and the carboxylic acid are separated. And the isolate | separated fatty acid is introduce | transduced into X process (esterification process), and fatty-acid alkylester is obtained (refer FIG. 8).

一方、分離されたアセチンは、そのままBDFとして利用することも可能であるが(特許文献3参照)、図9に示す反応経路のように、このアセチン(例えば、トリアセチン)をC工程(エステル交換工程)へ導入する。このC工程では、アセチン(即ち、脂肪酸グリセリド)とカルボン酸エステルとの間のエステル交換反応(図8参照)を進行させ、脂肪酸アルキルエステルを収得する。   On the other hand, the separated acetin can be used as BDF as it is (see Patent Document 3), but this acetin (for example, triacetin) is used in the C step (transesterification step) as in the reaction route shown in FIG. ). In this C process, transesterification (refer FIG. 8) between acetin (namely, fatty acid glyceride) and carboxylic acid ester is advanced, and fatty-acid alkylester is obtained.

従って、図9に示すような反応経路では、脂肪酸とカルボン酸エステルとの間のX工程(エステル化工程)を介して得られてくる脂肪酸アルキルエステルに加えて、脂肪酸グリセリドとカルボン酸との間のA工程(エステル交換工程)から生成する脂肪酸グリセリド(アセチン)とカルボン酸エステルとの間でのC工程(エステル交換工程)を経て脂肪酸アルキルエステルを収得することができる(図9参照)。即ち、この反応経路では、反応系からの脂肪酸アルキルエステルの収率を向上させることができる。   Therefore, in the reaction route shown in FIG. 9, in addition to the fatty acid alkyl ester obtained through the X step (esterification step) between the fatty acid and the carboxylic acid ester, between the fatty acid glyceride and the carboxylic acid. The fatty acid alkyl ester can be obtained through the C process (transesterification process) between the fatty acid glyceride (acetin) and the carboxylic acid ester produced from the A process (transesterification process). That is, in this reaction route, the yield of fatty acid alkyl ester from the reaction system can be improved.

以上説明してきた本発明の製造方法に係る反応系では、反応の最終段階に至るまでカルボン酸エステルやカルボン酸が存在することになる。このカルボン酸エステルやカルボン酸は酸触媒機能を有効に発揮するため、反応効率が良く、ひいては高品位な脂肪酸アルキルエステルを製造することができる。   In the reaction system according to the production method of the present invention described above, a carboxylic acid ester or a carboxylic acid is present until the final stage of the reaction. Since this carboxylic acid ester or carboxylic acid effectively exhibits an acid catalyst function, the reaction efficiency is good, and as a result, a high-quality fatty acid alkyl ester can be produced.

<カルボン酸エステルを用いたエステル化反応(X工程)の検証> <Verification of esterification reaction (process X) using carboxylic acid ester>

まず、カルボン酸エステルとして蟻酸メチル(HCOOCH)を用いた。この蟻酸メチルを超臨界条件としてオレイン酸を処理し、エステル化反応が進行するかどうかについて検証した。 First, methyl formate (HCOOCH 3 ) was used as a carboxylic acid ester. Whether or not the esterification reaction proceeds was examined by treating oleic acid with this methyl formate as a supercritical condition.

実験方法。オレイン酸(ナカライ製)と蟻酸メチル(Aldrich製、99%)とをモル比1:2、1:7、1:15の割合で内容積5mLのバッチ型反応管に封入し、350℃で3〜9分間処理した。処理後の反応物から溶媒をエバポレーターで留去し、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により分析した。また、オレイン酸およびオレイン酸メチルについてもGPCにより分析した。尚、分析時のGPCの環境は、次の「表3」の通りである。   experimental method. Oleic acid (manufactured by Nacalai) and methyl formate (manufactured by Aldrich, 99%) were sealed in a batch-type reaction tube having an internal volume of 5 mL at a molar ratio of 1: 2, 1: 7, 1:15, and 3 ° C. at 350 ° C. Treated for ~ 9 minutes. The solvent was distilled off from the reaction product after the treatment with an evaporator and analyzed by gel permeation chromatography (GPC). In addition, oleic acid and methyl oleate were also analyzed by GPC. The GPC environment at the time of analysis is as shown in “Table 3” below.

本検証実験の結果である各モル比における処理後のGPCクロマトグラムを図10に示す。また、これらのピーク面積より求めたオレイン酸メチルの収率を以下の「表4」に、そのグラフを図11にそれぞれ示す。なお、図10において保持時間13分付近に見られるピークは、元の試料に含まれる不純物であると考えられる。   FIG. 10 shows the GPC chromatogram after treatment at each molar ratio, which is the result of this verification experiment. Further, the yield of methyl oleate determined from these peak areas is shown in “Table 4” below, and the graph thereof is shown in FIG. Note that the peak seen in the vicinity of the retention time of 13 minutes in FIG. 10 is considered to be an impurity contained in the original sample.

考察。蟻酸メチルのモル分率が大きいほど、また処理時間が長くなるほどオレイン酸の量が減少し、得られるオレイン酸メチルの量が増加する傾向にあることがわかった。ただし、いずれのモル比の溶液に関しても、6分間の処理と9分間の処理における収率の差はほんのわずかであり、6分の処理でかなり反応が完結しているものと考えられる。これより、カルボン酸エステルである蟻酸メチルを溶媒として脂肪酸を処理すると、エステル化反応が進行することが明らかとなった。   Consideration. It was found that the amount of oleic acid decreased and the amount of methyl oleate obtained increased as the molar fraction of methyl formate increased and the treatment time increased. However, the difference in yield between the treatment for 6 minutes and the treatment for 9 minutes is very small for any molar ratio of the solution, and it is considered that the reaction is considerably completed after the treatment for 6 minutes. From this, it was clarified that the esterification reaction proceeds when the fatty acid is treated using methyl formate, which is a carboxylic acid ester, as a solvent.

<超臨界カルボン酸を用いた原料油脂のエステル交換反応(A工程)の検証> <Verification of transesterification reaction of raw oil and fat using supercritical carboxylic acid (step A)>

本検証実験では、カルボン酸として酢酸(CHCOOH)を用いた。この酢酸を超臨界条件として菜種油及びオレイン酸を処理し、上記A工程に係わるエステル交換反応が進行するかどうかについて検証した。 In this verification experiment, acetic acid (CH 3 COOH) was used as the carboxylic acid. The rapeseed oil and oleic acid were treated using this acetic acid as a supercritical condition, and it was verified whether or not the transesterification reaction related to the above step A proceeded.

実験方法。内容積5mLのバッチ型反応管に菜種油1.4mLと酢酸3.6mL(モル比1:42)を封入し、270℃で9分間処理した。次に、処理後の液体に上蒸留水を加えて撹拌し、遠心分離した後、水層を除去した。この操作をもう一度繰り返した後、エバポレーターで不要物を留去し、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)により分析した。また、オレイン酸2.2mLと酢酸2.8mL(モル比1:7)ついても同様の操作を行った。なお、HPLCによる分析時の環境は、次の「表5」の通りである。   experimental method. A batch type reaction tube having an internal volume of 5 mL was filled with 1.4 mL of rapeseed oil and 3.6 mL of acetic acid (molar ratio 1:42) and treated at 270 ° C. for 9 minutes. Next, the distilled water was added to the liquid after the treatment, and the mixture was stirred and centrifuged, and then the aqueous layer was removed. After repeating this operation once more, unnecessary substances were distilled off by an evaporator and analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). The same operation was performed for 2.2 mL of oleic acid and 2.8 mL of acetic acid (molar ratio 1: 7). The environment at the time of analysis by HPLC is as shown in Table 5 below.

添付した図12にHPLCのクロマトグラムを示す。この図12に示されているように、菜種油の処理では、反応中間体であるジグリセリドの他に、脂肪酸と見られるピークが見られた。これは、菜種油に含まれる脂肪酸トリグリセリドと酢酸との間で、図13に示されたエステル交換反応(A工程の一例)が進行したものと考えられる。これに対して、オレイン酸の処理系では、未処理のものとあまり変化がなく、反応がほとんど起こらなかったと考えられる。   Attached FIG. 12 shows an HPLC chromatogram. As shown in FIG. 12, in the treatment of rapeseed oil, in addition to the diglyceride that is a reaction intermediate, a peak that is considered to be a fatty acid was observed. This is considered that the transesterification reaction (an example of A process) shown by FIG. 13 advanced between the fatty acid triglyceride and acetic acid contained in rapeseed oil. On the other hand, in the oleic acid treatment system, there was not much change from the untreated one, and it is considered that the reaction hardly occurred.

<反応系における相溶化の検証> <Verification of compatibilization in reaction system>

本実施例3では、本発明に係る製造方法の反応系における相溶化について検証した。以下の「表6」に示す混合系を常温・常圧条件下で作成し、その溶解状態を観察した。更に、各混合系を一晩冷蔵庫(5℃)で冷却し、溶解状態の変化を観察した。本実施例3に関する実験結果を図面代用写真である図14〜図21に示した。   In Example 3, the compatibilization in the reaction system of the production method according to the present invention was verified. The mixed system shown in the following "Table 6" was created under normal temperature and normal pressure conditions, and the dissolved state was observed. Furthermore, each mixed system was cooled overnight in a refrigerator (5 ° C.), and changes in the dissolved state were observed. The experimental results relating to Example 3 are shown in FIGS.

(1)蟻酸メチル+菜種油(1:1)について。
常温では、ほぼ溶解したが、白い沈殿が少量底に残っているのが観察された(図14参照)。これを冷蔵庫(5℃)で一晩冷却すると、黄金色の上層と、無色透明な下層とに分かれた。両層の高さの比はおよそ4:1であった(図15参照)。
(1) About methyl formate + rapeseed oil (1: 1).
Although it was almost dissolved at room temperature, it was observed that a small amount of white precipitate remained on the bottom (see FIG. 14). When this was cooled overnight in a refrigerator (5 ° C.), it was divided into a golden upper layer and a colorless and transparent lower layer. The height ratio of both layers was approximately 4: 1 (see FIG. 15).

(2)蟻酸メチル+菜種油+ペンタン(1:1:0.1)について。
常温ではほぼ完全に溶解した(図16参照)。これを冷蔵庫(5℃)で一晩冷却すると、薄い黄金色の上層と、無色透明な下層とに分かれた。両層の高さの比はおよそ8:1であった(図17参照)。
(2) About methyl formate + rapeseed oil + pentane (1: 1: 0.1).
It dissolved almost completely at room temperature (see FIG. 16). When this was cooled overnight in a refrigerator (5 ° C.), it was divided into a light golden upper layer and a colorless and transparent lower layer. The ratio of the heights of both layers was approximately 8: 1 (see FIG. 17).

(3)蟻酸メチル+菜種油+ヘキサン(1:1:0.1)について。
常温ではほぼ完全に溶解した(図18参照)。これを冷蔵庫(5℃)で一晩冷却すると、薄い黄金色の上層と、無色透明な下層とに分かれた。両層の高さの比はおよそ8:1であった(図19参照)。
(3) About methyl formate + rapeseed oil + hexane (1: 1: 0.1).
It was almost completely dissolved at room temperature (see FIG. 18). When this was cooled overnight in a refrigerator (5 ° C.), it was divided into a light golden upper layer and a colorless and transparent lower layer. The ratio of the heights of both layers was approximately 8: 1 (see FIG. 19).

(4)蟻酸メチル+菜種油+石油エーテル(1:1:0.1)について。
常温ではほぼ完全に溶解した(図20参照)。これを冷蔵庫(5℃)で一晩冷却すると、薄い黄金色の上層と、無色透明な下層とに分かれた。両層の高さの比はおよそ8:1であった(図21参照)。以上の(1)〜(4)の結果を次の「表7」にまとめた。
(4) About methyl formate + rapeseed oil + petroleum ether (1: 1: 0.1).
Dissolved almost completely at room temperature (see FIG. 20). When this was cooled overnight in a refrigerator (5 ° C.), it was divided into a light golden upper layer and a colorless and transparent lower layer. The height ratio of both layers was approximately 8: 1 (see FIG. 21). The results of the above (1) to (4) are summarized in the following “Table 7”.

この結果からわかるように、蟻酸メチルと油脂(菜種油)の混合系は二相で沈殿物を生じている。一方、第三成分を添加した系ではいずれも一相となっており、超臨界条件又は亜臨界条件下においても良好なエステル交換反応が期待できる。このため反応条件の緩和を達成することができる。例えば、反応温度を350℃から300℃以下に下げることが充分に期待できる。   As can be seen from this result, the mixed system of methyl formate and oil (rapeseed oil) has a two-phase precipitate. On the other hand, the systems to which the third component is added are all in one phase, and a good transesterification reaction can be expected even under supercritical conditions or subcritical conditions. For this reason, relaxation of reaction conditions can be achieved. For example, it can be sufficiently expected that the reaction temperature is lowered from 350 ° C. to 300 ° C. or less.

本発明は、バイオディーゼル燃料として好適に使用可能な高品位な脂肪酸アルキルエステルを無触媒で効率良く製造する技術として利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a technique for efficiently producing a high-quality fatty acid alkyl ester that can be suitably used as a biodiesel fuel without using a catalyst.

本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの基本製造工程(X工程)の概念図である。It is a conceptual diagram of the basic manufacturing process (X process) of the fatty-acid alkylester which concerns on this invention. 同基本製造工程に係わるエステル化反応をより詳しく説明する図である。It is a figure explaining the esterification reaction concerning the basic manufacturing process in more detail. 本発明に係る製造方法において利用可能な反応経路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the reaction path | route which can be utilized in the manufacturing method which concerns on this invention. 同反応経路の初段階工程の一例であるA工程(エステル交換工程)の反応例を示す図である。It is a figure which shows the reaction example of A process (transesterification process) which is an example of the first step of the reaction path. 本発明に係る製造方法において利用可能な他の反応経路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the other reaction path | route which can be utilized in the manufacturing method which concerns on this invention. 同反応経路の初段階工程であるB工程(加水分解工程)の反応例を示す図である。It is a figure which shows the reaction example of B process (hydrolysis process) which is the first step of the same reaction path | route. X工程(エステル化工程)においてカルボン酸エステルである蟻酸メチル(HCOOCH)を溶媒として用いた場合の二段階反応経路の一例を示す図である。X Step methyl formate is a carboxylic acid ester in (esterification step) (HCOOCH 3) is a diagram showing an example of a two-step reaction pathway in the case of using as the solvent. 本発明に係る製造方法において、脂肪酸アルキルエステルの収率を高めるために利用可能なエステル交換反応工程(C工程)の反応例を示す図である。In the manufacturing method which concerns on this invention, it is a figure which shows the reaction example of the transesterification process (C process) which can be utilized in order to raise the yield of a fatty-acid alkylester. C工程(エステル交換工程)からX工程(エステル化工程)に至る反応経路の概念をまとめた図である。It is the figure which put together the concept of the reaction pathway from C process (transesterification process) to X process (esterification process). 実施例1に係る検証実験の結果である各モル比における処理後のGPCクロマトグラムである。2 is a GPC chromatogram after treatment at each molar ratio as a result of a verification experiment according to Example 1. FIG. GPCクロマトグラム(図10)のピーク面積より求めたオレイン酸メチルの収率のグラフである。It is a graph of the yield of methyl oleate calculated | required from the peak area of GPC chromatogram (FIG. 10). 実施例2に係る検証実験の結果であるHPLCクロマトグラムである。3 is an HPLC chromatogram that is a result of a verification experiment according to Example 2. FIG. 菜種油に含まれる脂肪酸トリグリセリドと酢酸との間でのエステル交換反応(A工程)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of transesterification (A process) between the fatty acid triglyceride contained in rapeseed oil, and acetic acid. 実施例3に係る検証実験の混合系区分(1)の常温での観察結果を示す図面代用写真である。10 is a drawing-substituting photograph showing an observation result at normal temperature of the mixed system classification (1) in the verification experiment according to Example 3. FIG. 同混合系区分(1)の一晩冷却後の観察結果を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the observation result after overnight cooling of the mixed system division (1). 実施例3に係る検証実験の混合系区分(2)の常温での観察結果を示す図面代用写真である。10 is a drawing-substituting photograph showing an observation result at normal temperature of the mixed system classification (2) in the verification experiment according to Example 3. FIG. 同混合系区分(2)の一晩冷却後の観察結果を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the observation result after overnight cooling of the mixed system division (2). 実施例3に係る検証実験の混合系区分(3)の常温での観察結果を示す図面代用写真である。10 is a drawing-substituting photograph showing an observation result at normal temperature of the mixed system classification (3) in the verification experiment according to Example 3. FIG. 同混合系区分(3)の一晩冷却後の観察結果を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the observation result after overnight cooling of the mixed system division (3). 実施例3に係る検証実験の混合系区分(4)の常温での観察結果を示す図面代用写真である。10 is a drawing-substituting photograph showing an observation result at normal temperature of the mixed system classification (4) in the verification experiment according to Example 3. FIG. 同混合系区分(4)の一晩冷却後の観察結果を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the observation result after overnight cooling of the same mixed system division (4).

符号の説明Explanation of symbols

X工程 (脂肪酸とカルボン酸エステルの)エステル化工程
A工程 (脂肪酸グリセリドとカルボン酸の)エステル交換工程(初段階工程)
B工程 (脂肪酸グリセリドの)加水分解工程(初段階工程)
C工程 (脂肪酸グリセリドとカルボン酸エステルの)エステル交換工程
X process (fatty acid and carboxylic acid ester) esterification process A process (fatty acid glyceride and carboxylic acid) transesterification process (first stage process)
Process B (fatty acid glyceride) hydrolysis process (first stage process)
C process (transesterification process of fatty acid glyceride and carboxylic acid ester)

Claims (11)

脂肪酸とカルボン酸エステルとの間で、該カルボン酸エステルの超臨界又は亜臨界の条件でエステル化反応を進行させることによって脂肪酸アルキルエステルを製造する方法。   A method for producing a fatty acid alkyl ester by allowing an esterification reaction to proceed between a fatty acid and a carboxylic acid ester under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid ester. 前記脂肪酸は、原料油脂に存在する遊離脂肪酸であることを特徴とする請求項1記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the fatty acid is a free fatty acid present in the raw material fat. 前記脂肪酸は、原料油脂から所定工程を経て得られる脂肪酸であることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。 The fatty acid method according to claim 1 or 2, characterized in that the fatty acids obtained through predetermined steps from the raw material oils and fats. 前記所定工程は、前記原料油脂中の脂肪酸グリセリドとカルボン酸との間で、該カルボン酸の超臨界又は亜臨界の条件でエステル交換反応を行うことによって脂肪酸を得る工程であることを特徴とする請求項3記載の製造方法。   The predetermined step is a step of obtaining a fatty acid by performing a transesterification reaction between the fatty acid glyceride and the carboxylic acid in the raw material fat under supercritical or subcritical conditions of the carboxylic acid. The manufacturing method of Claim 3. 前記所定工程は、前記原料油脂中の脂肪酸グリセリドを、超臨界又は亜臨界の条件で加水分解することによって脂肪酸を得る工程であることを特徴とする請求項3記載の製造方法。   4. The method according to claim 3, wherein the predetermined step is a step of obtaining a fatty acid by hydrolyzing a fatty acid glyceride in the raw material fat under supercritical or subcritical conditions. 前記脂肪酸アルキルエステルには、前記原料油脂中の脂肪酸グリセリドとカルボン酸エステルとの間のエステル交換反応で得られる脂肪酸アルキルエステルが含まれることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の製造方法。 The fatty acid alkyl ester includes a fatty acid alkyl ester obtained by a transesterification reaction between a fatty acid glyceride and a carboxylic acid ester in the raw material fat and oil, according to any one of claims 1 to 5. The manufacturing method as described. 前記エステル化反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸相とカルボン酸エステル相の相溶化を行うことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 6 , wherein the fatty acid phase and the carboxylic acid ester phase are compatibilized by adding a third component to the esterification reaction system. 前記エステル交換反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸相の相溶化を行うことを特徴とする請求項4記載の製造方法。   The method according to claim 4, wherein the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid phase are compatibilized by adding a third component to the transesterification reaction system. 前記エステル交換反応系に第三成分を添加することによって、脂肪酸グリセリド相とカルボン酸エステル相の相溶化を行うことを特徴とする請求項6記載の製造方法。   The method according to claim 6, wherein the fatty acid glyceride phase and the carboxylic acid ester phase are compatibilized by adding a third component to the transesterification reaction system. 前記カルボン酸エステルは、蟻酸エステルであることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の製造方法。 The carboxylic acid ester, A process according to any one of claims 1 9, characterized in that the formic acid ester. 前記蟻酸エステルは、蟻酸メチルであることを特徴とする請求項10記載の製造方法。
The manufacturing method according to claim 10 , wherein the formic acid ester is methyl formate.
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