Production de biodiesel - Biodiesel production

La production de biodiesel est le processus de production du biocarburant , le biodiesel , par le biais des réactions chimiques de transestérification et d' estérification . Cela implique la réaction de graisses et d'huiles végétales ou animales avec des alcools à chaîne courte (généralement du méthanol ou de l' éthanol ). Les alcools utilisés doivent être de faible poids moléculaire. L'éthanol est le plus utilisé en raison de son faible coût, cependant, des conversions plus importantes en biodiesel peuvent être atteintes en utilisant le méthanol. Bien que la réaction de transestérification puisse être catalysée par des acides ou des bases, la réaction catalysée par une base est plus courante. Cette voie a des temps de réaction et un coût de catalyseur inférieurs à ceux de la catalyse acide. Cependant, la catalyse alcaline présente l'inconvénient d'une grande sensibilité à la fois à l'eau et aux acides gras libres présents dans les huiles.

Étapes du processus

Les principales étapes nécessaires à la synthèse du biodiesel sont les suivantes :

Prétraitement des matières premières

Les matières premières couramment utilisées dans la production de biodiesel comprennent la graisse jaune (huile végétale recyclée), l'huile végétale « vierge » et le suif . L'huile recyclée est traitée pour éliminer les impuretés de la cuisson, du stockage et de la manipulation, telles que la saleté, les aliments carbonisés et l'eau. Les huiles vierges sont raffinées, mais pas à un niveau de qualité alimentaire. Le dégommage pour éliminer les phospholipides et autres matières végétales est courant, bien que les processus de raffinement varient. L'eau est éliminée car sa présence lors de la transestérification catalysée par une base entraîne la saponification (hydrolyse) des triglycérides, produisant du savon à la place du biodiesel.

Un échantillon de la matière première nettoyée est ensuite testé par titrage par rapport à une solution de base standardisée, pour déterminer la concentration d' acides gras libres présents dans l'échantillon d'huile végétale. Les acides sont ensuite soit éliminés (généralement par neutralisation), soit estérifiés pour produire du biodiesel (ou des glycérides).

Réactions

La transestérification catalysée par une base fait réagir les lipides (graisses et huiles) avec l'alcool (généralement du méthanol ou de l' éthanol ) pour produire du biodiesel et un coproduit impur, le glycérol . Si l'huile de base est utilisée ou a une teneur élevée en acide, l' estérification catalysée par un acide peut être utilisée pour faire réagir les acides gras avec l'alcool pour produire du biodiesel. D'autres méthodes, telles que les réacteurs à lit fixe, les réacteurs supercritiques et les réacteurs à ultrasons, renoncent ou diminuent l'utilisation de catalyseurs chimiques.

Purification du produit

Les produits de la réaction comprennent non seulement le biodiesel, mais aussi les sous-produits du savon, du glycérol, de l'alcool en excès et des traces d'eau. Tous ces sous-produits doivent être éliminés pour répondre aux normes, mais l'ordre d'élimination dépend du processus.

La densité du glycérol est supérieure à celle du biodiesel, et cette différence de propriété est exploitée pour séparer la majeure partie du coproduit du glycérol. Le méthanol résiduel est généralement récupéré par distillation et réutilisé. Les savons peuvent être éliminés ou transformés en acides. L'eau résiduelle est également éliminée du carburant.

Réactions

Transestérification

Les graisses et huiles animales et végétales sont composées de triglycérides , qui sont des esters formés par les réactions de trois acides gras libres et de l'alcool trihydrique, le glycérol . Dans le processus de transestérification, l'alcool ajouté (généralement, le méthanol ou l' éthanol ) est déprotoné avec une base pour en faire un nucléophile plus fort . Comme on peut le voir, la réaction n'a pas d'autres apports que le triglycéride et l'alcool. Dans des conditions normales, cette réaction se déroulera soit extrêmement lentement, soit pas du tout, de sorte que la chaleur, ainsi que des catalyseurs ( acide et/ou base ) sont utilisés pour accélérer la réaction . Il est important de noter que l'acide ou la base ne sont pas consommés par la réaction de transestérification, ce ne sont donc pas des réactifs, mais des catalyseurs. Les catalyseurs courants pour la transestérification comprennent l'hydroxyde de sodium , l'hydroxyde de potassium et le méthoxyde de sodium .

Presque tout le biodiesel est produit à partir d'huiles végétales vierges en utilisant la technique catalysée par une base car c'est le procédé le plus économique pour traiter les huiles végétales vierges, ne nécessitant que des températures et des pressions basses et produisant un rendement de conversion supérieur à 98% (à condition que l'huile de départ soit faible en humidité et acides gras libres). Cependant, le biodiesel produit à partir d'autres sources ou par d'autres méthodes peut nécessiter une catalyse acide, qui est beaucoup plus lente. Étant donné qu'il s'agit de la méthode prédominante pour la production à l'échelle commerciale, seul le processus de transestérification catalysée par une base sera décrit.

Les triglycérides ( 1 ) sont mis à réagir avec un alcool tel que l'éthanol ( 2 ) pour donner des esters éthyliques d'acides gras ( 3 ) et de glycérol ( 4 ) :

Transestérification des triglycérides avec de l'éthanol.png
R 1 , R 2 , R 3  : Groupe alkyle

L'alcool réagit avec les acides gras pour former l'ester monoalkylique (biodiesel) et le glycérol brut. La réaction entre le biolipide (graisse ou huile) et l'alcool est une réaction réversible, donc un excès d'alcool doit être ajouté pour assurer une conversion complète.

Mécanisme de transestérification catalysée par une base

Voir aussi : transestérification

La réaction de transestérification est catalysée par une base. N'importe quelle base forte capable de déprotoner l'alcool fonctionnera (par exemple NaOH, KOH, méthoxyde de sodium , etc.), mais les hydroxydes de sodium et de potassium sont souvent choisis pour leur coût. La présence d'eau provoque une hydrolyse basique indésirable , la réaction doit donc être maintenue au sec.

Dans le mécanisme de transestérification, le carbone carbonyle de l'ester de départ (RCOOR 1 ) subit une attaque nucléophile par l'alcoxyde entrant (R 2 O − ) pour donner un intermédiaire tétraédrique, qui soit redevient le matériau de départ, soit passe au produit transestérifié ( RCOOR 2 ). Les différentes espèces existent en équilibre et la distribution du produit dépend des énergies relatives du réactif et du produit.

Mécanisme général de transestérification.png

Méthodes de production

Processus supercritique

Une autre méthode de transestérification sans catalyseur utilise du méthanol supercritique à des températures et des pressions élevées dans un processus continu. A l'état supercritique, l'huile et le méthanol sont en une seule phase, et la réaction se produit spontanément et rapidement. Le processus peut tolérer l'eau dans la matière première, les acides gras libres sont convertis en esters méthyliques au lieu du savon, de sorte qu'une grande variété de matières premières peut être utilisée. L'étape d'élimination du catalyseur est également supprimée. Des températures et des pressions élevées sont nécessaires, mais les coûts énergétiques de production sont similaires ou inférieurs aux voies de production catalytique.

Réacteurs en ligne et batch à ultra et haut cisaillement

Les réacteurs en ligne ou en batch à ultra et haut cisaillement permettent la production de biodiesel en continu, semi-continu et en mode batch. Cela réduit considérablement le temps de production et augmente le volume de production.

La réaction a lieu dans la zone de cisaillement à haute énergie du mélangeur à ultra et à haut cisaillement en réduisant la taille des gouttelettes des liquides non miscibles tels que l'huile ou les graisses et le méthanol. Par conséquent, plus la taille des gouttelettes est petite, plus la surface est grande, plus le catalyseur peut réagir rapidement.

Méthode du réacteur à ultrasons

Dans la méthode du réacteur à ultrasons, les ondes ultrasonores amènent le mélange réactionnel à produire et à effondrer des bulles en permanence ; cette cavitation assure simultanément le mélange et le chauffage nécessaires à la réalisation du processus de transestérification. L'utilisation d'un réacteur à ultrasons pour la production de biodiesel peut réduire considérablement le temps et les températures de réaction, ainsi que l'apport d'énergie. En utilisant de tels réacteurs, le processus de transestérification peut fonctionner en ligne plutôt que d'utiliser le traitement par lots qui prend du temps. Les appareils à ultrasons à l'échelle industrielle permettent de traiter plusieurs milliers de barils par jour.

Méthode catalysée par la lipase

De nombreux travaux de recherche se sont récemment concentrés sur l'utilisation d'enzymes comme catalyseur pour la transestérification. Les chercheurs ont découvert que de très bons rendements pouvaient être obtenus à partir d'huiles brutes et usagées en utilisant des lipases . L'utilisation de lipases rend la réaction moins sensible à une teneur élevée en acides gras libres, ce qui est un problème avec le procédé standard de biodiesel. Un problème avec la réaction de lipase est que le méthanol ne peut pas être utilisé car il inactive le catalyseur de lipase après un lot. Cependant, si l'acétate de méthyle est utilisé à la place du méthanol, la lipase n'est pas inactivée et peut être utilisée pour plusieurs lots, ce qui rend le système lipase beaucoup plus rentable.

Acides gras volatils issus de la digestion anaérobie des flux de déchets

Les lipides ont suscité une attention considérable en tant que substrat pour la production de biodiesel en raison de leur durabilité, de leur non-toxicité et de leurs propriétés écoénergétiques. Cependant, pour des raisons de coût, l'attention doit être portée sur les sources de lipides non comestibles, en particulier les microorganismes oléagineux. De tels microbes ont la capacité d'assimiler les sources de carbone d'un milieu et de convertir le carbone en matériaux de stockage des lipides. Les lipides accumulés par ces cellules oléagineuses peuvent ensuite être transestérifiés pour former du biodiesel.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes