เทคโนโลยีและกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

Page 3 of 10

เทคโนโลยีและกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

การผลิตไบโอดีเซลเมื่อมีส่วนที่เป็นน้ำมันแล้ว จะต้องอาศัยแอลกอฮอล์และตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย การผลิตไบโอดีเซลทางการค้าจำเป็นต้องอาศัยความรู้และเทคโนโลยีต่างๆ เพื่อทำให้การผลิตไบโอดีเซลมีความคุ้มทุนและสามารถผลิตเพื่อจำหน่ายทางการค้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเป็นปฏิกิริยาที่ไขมันหรือน้ำมันทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์เพื่อให้ได้เอสเตอร์และกลีเซอรอลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ ด่าง กรด และเอนไซม์หรืออาจจะไม่ใช้ตัวเร่งปฎิกิริยา ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเริ่มจากการนำน้ำมันที่สกัดได้มาให้ความร้อนจากนั้นเติมแอลกอฮอล์ปฐมภูมิหรือแอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (primary or secondary monohydric aliphatic alcohol) ที่มีคาร์บอน 1-8 อะตอมและมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ เช่น เมทานอล เอทานอล โพรพานอล บิวทานอล และเอทิลแอลกอฮอล์ โดยทั่วไปนิยมใช้เมทานอลและเอทานอลมากที่สุด การใช้เอทานอลมีข้อดีคือ ได้จากพืช ทำให้สามารถหาทดแทนได้และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม การทำปฏิกิริยาต้องนำน้ำมันหรือไขมันมาผสมกับแอลกอฮออล์โดยเติมตัวเร่งปฏิกิริยาทันที จากนั้นนำไปปั่นกวน โดยกำหนดระยะเวลาและอุณหภูมิที่ใช้ เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์จะได้สารละลายแยกเป็น 2 ชั้น ชั้นบนเป็นเอสเตอร์ของกรดไขมันและชั้นล่างเป็นกลีเซอรอล นำชั้นบนไปทำให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการกลั่น แล้วนำไปล้างด้วยน้ำกลั่นเพื่อกำจัดตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหลือ จากนั้นนำไปกรองด้วยโซเดียมซัลเฟตเพื่อกำจัดน้ำหรือนำชั้นบนไปทำให้เจือจางด้วยอีเทอร์แล้วล้างด้วยกรดไฮโดรคลอริกและน้ำกลั่น ตามลำดับ แล้วนำไปดูดน้ำออกด้วยโซเดียมคาร์บอเนตและระเหยตัวทำละลายออก จากนั้นหาปริมาณองค์ประกอบต่างๆ ได้แก่ เอสเตอร์ของกรดไขมันและกรดไขมันชนิดต่างๆ ที่เหลืออยู่ด้วยวิธีการต่างๆ เช่น HPLC,GC, TLC และ NMR (สำหรับหาอัตราส่วนพื้นที่ระหว่างหมู่ methoxy และ methylene proton) (Leung, DYC., and Guo, Y., 2006)

ไบโอดีเซลที่เตรียมจากไตรกลีเซอไรด์ในน้ำมันพืช ไขมันสัตว์ และน้ำมันที่ใช้แล้วจะมีไตรกลีเซอไรด์ซึ่งเป็นไตรเอสเตอร์ของกลีเซอรอลระหว่างกรดไขมัน 3 ตัวกับกรดคาร์บอกซิลิกสายโซ่ตรงยาวที่โมเลกุลเป็นโมโนและไดกลีเซอไรด์มาจากการแทนที่ของกรดไขมัน 2 ตัวและ 1 ตัว ตามลำดับ ที่ตำแหน่งของหมู่ไฮดรอกซิลของกรดคาร์บอกซิลิก ไขมันที่ใช้เป็นวัตถุดิบประกอบด้วยกลีเซอไรด์และกรดไขมันหลายชนิด ซึ่งปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นในการผลิตไบโอดีเซลคือ แอลกอฮอล์ที่นิยมใช้คือ เมทานอลเนื่องจากมีราคาถูกและมีคุณสมบัติที่ดีในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยปกติจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดอย่างสมบูรณ์ สภาวะในการทำปฏิกิริยาและการแยกผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยา การเกิดสบู่เป็นอุปสรรคอย่างหนึ่งในการผลิตไบโอดีเซล ซึ่งเกิดจากไฮดรอกไซด์ของโลหะทำปฏิกิริยากับกรดไขมันอิสระ สบู่ที่เกิดขึ้นจะทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นและทำให้ขั้นตอนในการแยกให้บริสุทธิ์มีความยุ่งยากมากขึ้นและเสียค่าใช้จ่ายสูง นอกจากนี้การทำปฏิกิริยาต้องใช้แอลกอฮอล์ที่มีน้ำน้อย (anhydrous alcohol) คือไม่เกิน0.1-0.3% หรือน้อยกว่าเนื่องจากการมีน้ำจะทำให้เกิดการไฮโดรลิซิสของแอลคิลเอสเตอร์ไปเป็นกรดไขมันอิสระ จากนั้นก็จะเกิดเป็นสบู่ขึ้น ปกติปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้กรดหรือด่างในการเร่งปฏิกิริยาประกอบด้วย 3 ขั้นตอนที่ผันกลับได้ โดยเริ่มจากไตรกลีเซอไรด์ถูกเปลี่ยนเป็นไดกลีเซอไรด์และโมโนกลีเซอไรด์ สุดท้ายเปลี่ยนเป็นแอลคิลเอสเตอร์ 3 โมลและกลีเซอรอล 1 โมล ขั้นตอนที่กำหนดปฏิกิริยาจะแปรเปลี่ยนไปตามเวลาของ 3 ขั้นตอน เริ่มจากการถ่ายเทมวลระหว่างสารตั้งต้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาคือ น้ำมันกับแอลกอฮอล์-ตัวเร่งปฏิกิริยา จากนั้นเกิดปฏิกิริยาเป็นเอสเตอร์ซึ่งเป็นอิมัลชัน ช่วงนี้เป็นช่วงที่กำหนดปฏิกิริยาช่วงที่ 2 โดยการควบคุมแบบไคเนติกส์ในการเกิดผลิตภัณฑ์สุดท้ายเป็นจุดสมดุลที่อยู่ใกล้กับจุดสิ้นสุดปฏิกิริยา (Lotero, E., et al., 2005)

ปริมาณน้ำจะส่งผลต่อปฏิกิริยาที่ใช้กรดมากกว่าปฏิกิริยาที่ใช้ด่าง กล่าวคือวัตถุดิบที่มีน้ำอยู่ 5% ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการใช้กรดจะเหลือ 6% ขณะที่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการใช้ด่างมีถึง 70% ความบริสุทธิ์ของไบโอดีเซลดูจากปริมาณเมทิลเอสเตอร์ (น้ำหนักเอสเตอร์/น้ำหนักผลิตภัณฑ์) ซึ่งค่าที่ได้หมายถึง ความสามารถในการเปลี่ยนไตรกลีเซอไรด์เป็นเมทิลเอสเตอร์ ส่วนค่าการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ หมายถึง น้ำหนักผลิตภัณฑ์/น้ำหนักน้ำมันตั้งต้น ซึ่งค่านี้หมายถึงการเปลี่ยนไปเป็นเมทิลเอสเตอร์ได้มากหรือน้อย (Leung, DYC., and Guo, Y., 2006) ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันจะต้องไม่มีน้ำปะปนมาเนื่องจากโมเลกุลน้ำจะทำลายโมเลกุลของตัวเร่งปฏิกิริยา มีรายงานว่าการกำจัดโมเลกุลของน้ำสามารถใช้เตาอบไมโครเวฟที่ 60°C เป็นเวลา 10 นาทีจากนั้นนำน้ำมันผสมกับเอทานอลที่มีการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา โดยขั้นตอนของการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาจะมีการใช้เตาอบไมโครเวฟเข้ามาช่วยเพื่อกำจัดน้ำออกไป นอกจากนี้การทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันยังใช้ไมโครเวฟช่วยในการปรับปรุงการสกัดและช่วยเร่งปฏิกิริยา โดยลดเวลาในการเกิดผลิตภัณฑ์ซึ่งปกติใช้เวลา 75 นาที เหลือเพียง 4 นาทีเท่านั้น อีกทั้งยังเกิดผลิตภัณฑ์ได้มากที่สุด แต่ต้องมีการควบคุมการใช้ไมโครเวฟไม่ให้ร้อนเกินไปเนื่องจากจะไปทำลายสารประกอบอินทรีย์ เช่น แอลกอฮอล์ เนื่องจากโครงสร้างของแอลกอฮอล์จะมีการจัดเรียงตัวในแนวสนามแม่เหล็กที่เกิดจากคลื่นไมโครเวฟทำให้โมเลกุลมีการหมุนและเกิดความร้อนจากการเสียดสีของการหมุนระหว่างโมเลกุล อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิบริเวณ catalytic site สูง การใช้ไมโครเวฟจึงทำให้เกิดการทำปฏิกิริยากันอย่างมีประสิทธิภาพและช่วยให้การแยกทำได้ดีขึ้นโดยใช้ไมโครเวฟ 2-3 นาที แล้วปล่อยทิ้งไว้ 3 นาที การแยกชั้นจะเกิดได้อย่างสมบูรณ์ การใช้ไมโครเวฟในการแยกชั้นใช้กับการแยกน้ำมันออกจากน้ำเสียจะช่วยให้ปฎิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเกิดได้เร็วและปลอดภัย (Saifuddin, N., and Chua, KH., 2004)