Переработка жировых отходов в биодизельное топливо. Принципиальная технологическая схема

Переработка жировых отходов

в биодизельное топливо. Принципиальная технологическая схема

Д.Г. Горохов, М.И. Бабурина, канд. биол. наук, А.Н. Иванкин, доктор хим. наук ГНУ ВНИИ мясной промышленности им. В.М. Горбатова Россельхозакадемии

На сегодняшний день рациональная утилизация жировых отходов в биодизель является нерешенной задачей, поскольку современные технологии неприменимы для переработки сырья переменного состава. Специалисты ВНИИ мясной промышленности им. В.М. Горбатова провели исследования с целью разработки технологии производства биодизеля высокого качества из жировых отходов с максимальным выходом [2-4].

Обременительные жиры

^ Сегодня вместе с ростом пищевого производства, расширением системы общественного питания все острее встает проблема утилизации скапливающихся отработанных масел и жировых отходов. В зависимости от масштаба производства суточный объем удаляемой в отходы жировой массы может составлять от нескольких

килограммов до нескольких десятков тонн в сутки. Образующаяся масса не только забивает канализационную систему, но и наносит существенный вред окружающей среде. Она покрывает тонкой пленкой большие площади водной поверхности, затрудняя доступ кислорода в воду. В результате этого ухудшается жизнедеятельность живых организмов в воде, что в конечном итоге приводит к их гибели.

Жиры и масла запрещается сбрасывать в водоемы. Основным способом их утилизации является вывоз и дальнейшее захоронение [1]. Вывоз одной тонны скапливающихся жировых отходов обходится предприятию порядка 3000 рублей, что сказывается на издержках производства. Ситуацию, тем не менее, можно обернуть в сою пользу.

Сточные воды при наличии в них более 100 мг/л жиров пропускают через жироуловители. Их назначение — отделять и удалять неэмульгированные жиры и растительные масла из сточных вод, образующихся в результате работы предприятий общественного питания, мясомолочной, рыбной промышленности и других производств, загрязняющих сточные

воды жирами. Ежегодно в России на жироуловителях предприятий мясной отрасли скапливается от 20 до 60 тысяч тонн жировых отходов, которые представляют собой смеси, состоящие, в основном, из жиров животного происхождения.

Учитывая значительные накопления бросовых жировых отходов на мясоперерабатывающих предприятиях и весьма существенные затраты на их вывоз с целью утилизации, специалисты ВНИИ мясной промышленности разработали и испытали в условиях лаборатории экологически чистую технологию переработки жировых отходов в жидкое биотопливо.

Исследованием, которое провели специалисты ВНИИ мясной промышленности, установлено, что масса, скапливающаяся на жироловках предприятий мясной промышленности, содержит 4045 % жира, 40-50 % воды и 5-20 % белка. Её кислотное число составляет 40-180 мг КОН/г. Эти параметры были взяты за основу при разработке принципиальной технологической схемы и выборе оптимального количества реактивов.

Технологический процесс заключается в следующем:

На этапе подготовки сырья жировые отходы очищают от механических примесей и отделяют от водобелковой фракции. Из-за высокой окисленности полученный жир можно отнести к техническому. Он обладает темно-коричневым цветом и неприятным запахом.

Непосредственно производство биодизеля состоит из двух стадий. На первой — проводится этери-фикация свободных жирных кислот (СЖК) под воздействием этилового спирта в присутствие гетерогенного кислотного катализатора, который ускоряет алкоголиз СЖК и понижает кислотность полученной

субстанции. Его можно использовать многократно. Лучшую конверсию жиров обеспечил при этом фосфат алюминия — выход моноэфира составил 98 %. На второй стадии проводится трансэтерифи-кация в присутствие гетерогенного основного катализатора и разделение моноэфира на фракции — жидкое биотопливо и глицерин. Наиболее предпочтительным ката-

Специалисты ВНИИ мясной промышленности разработали и испытали в условиях лаборатории экологически чистую технологию переработки жировых отходов в жидкое биотопливо.

Лучшую конверсию жиров обеспечил при этом фосфат алюминия — выход моноэфира составил 98 %.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ / Утилизация отходов

20 % добавки в обычное дизельное топливо без каких-либо изменений в топливной аппаратуре двигателя. Как показал экономический расчет, производство биодизеля из жировых отходов является рентабельным. Для предприятий мясной отрасли цена производимого биодизеля на собственные нужды составляет 10-12 руб./л, оптовая цена на продажу 14 руб./л с уровнем рентабельности в 15 %. Цена бинарной смеси в виде 20 % эфи-ров и 80 % стандартного дизеля для эксплуатации автотранспорта составляет 20 руб./л.

Из проведенных исследований можно сделать выводы о том, что жировые отходы могут быть достаточно легко модифицированы в биодизель высокого качества 2-х

транспортных средств, для автономного электро- и теплоснабжения предприятия.

Что показали лабораторные исследования?

В качестве жировых отходов в лабораторных опытах были использованы образцы жировых фракций с жироловок, содержащие 30-75 % свободных жирных кислот (СЖ1К) и до 0,2 % воды (таблица 1).

Рис. 1. Технологическая схема производства дизельного биотоплива из жировых отходов мясоперерабатывающих предприятий

лизатором может служить алюминат натрия, при котором выход триг-лицеридов составляет 99 %.

Технологическая схема переработки жировых отходов в жидкое биотопливо представлена на рисунке 1.

Аргументы в пользу биодизеля

Полученные в лаборатории ВНИИМПа образцы жидкого биотоплива по качественным характеристикам не уступали по качеству европейскому биодизелю стандарта ЕК 14214, а по некоторым показателям, таким как цетановое число и содержание моноалкило-вых эфиров превосходили его.

Топливо может использоваться в дизельных двигателях автотранспорта предприятия в качестве 1-

Долгосрочный тренд на рынке энергоносителей таков, что цены будут расти, поэтому разработка промышленной технологии утилизации жировых отходов остается актуальной. К тому же она имеет экологическое значение.

стадийным процессом с использованием гетерогенных катализаторов при достижении высокого уровня конверсии. Утилизация жировых отходов мясокомбинатов для производства биодизеля с низкой себестоимостью по данной прогрессивной технологической схеме является перспективной. Долгосрочный тренд на рынке энергоносителей таков, что цены будут расти, поэтому разработка промышленной технологии утилизации жировых отходов остается актуальной. К тому же она имеет экологическое значение.

Технология, предусматривающая комплексную переработку ли-пидного сырья в биодизель с высокими качественными характеристиками, может рассматриваться как способ получения экологически безопасного альтернативного топлива для дизельных двигателей

Для проведения реакции алко-голиза животных жиров в качестве спирта использовали абсолютированный 99,5 % этиловый спирт в молярном соотношении спирт : жир 9:1. Для ускорения алкого-лиза жировых отходов был использован ряд катализаторов таких как ионообменные смолы Лш-berlyst и Во-№ех, М§0, СаО, Л1РО4 и КаЛ102 в количестве 0,2 г/мл. Потребовалось также изучить их каталитическую активность и найти оптимальные параметры применения.

Модификация жиров проводилась при постоянном нагревании 65-70 °С и перемешивании (число оборотов мешалки 1200 об/мин) в течение 150 минут с последующим декантированием побочного продукта — глицерина и очисткой надосадочной фазы — сложных моноэфиров.

Таблица 1. Содержание основных жирных кислот после предварительной подговки, % от суммы выделенных жирных кислот

Миристиновая к-та 14:0 Пальмитиновая к-та 16:0 Стеариновая к-та 18:0 Олеиновая к-та 18:1 Линолевая к-та 18:2 Линоленовая к-та 18:3 Арахидоновая к-та 20:0

Образец жировой фракции с жироловки 2,4 23,2 12,9 44,3 6,9 0,7 0

46

ВСЁ О МЯСЕ №2 апрель 2009

Ранее проведенные исследования [2] показали, что применение гомогенных кислотных катализаторов для одновременного снижения кислотного числа и образования эфиров и дальнейшая трансэ-терификация со щелочными катализаторами обеспечивают высо-

грязнения ими полученного биодизеля и глицерина. Наиболее перспективными, на наш взгляд, могут быть гетерогенные катализаторы, которые можно использовать многократно при модификации жирового сырья любой степени окис-ленности.

Реакцию трансэтерификации проводили в присутствии твердых щелочных катализаторов: оксидов МдО и СаО и свежесинтезированного алюмината натрия ЫаА!О2 с уровнем конверсии триглицеридов 70 %, 60 % и 99 % соответственно.

кий уровень конверсии животных жиров в биодизель. Однако, недостатком применения гомогенных катализаторов является их невос-становимость после проведения реакции, а также возможность за-

В ходе исследований установлено, что использование катализаторов: ионообменных смол Лш-Ьег1у»1:-46, Во-№ех БК-2030 и свежесинтезированного в лаборатории фосфата алюминия Л1РО4 в

100

о

и о. т ш

л г

0)

о

о.

>

А1Р04

Осм/ ех 013-2030

АтЬеМуэМб

Рис. 2. Диаграмма сравнительной активности различных катализаторов реакции этерификации СЖК в жировом сырье

№А102

Рис. 3. Алкоголиз триглицеридов в присутствии различных щелочных твердых катализаторов

реакции этерификации конвертирует СЖК с образованием моноэ-фиров на 85 %, 60 % и 98 % соответственно (рис. 2). Исходя из полученных данных, следует, что Л1РО4 обладает наилучшей каталитической способностью и позволяет максимально понизить кислотное число в жире.

Образующаяся вода во время реакции этерификации (в количестве до 5 % от содержания СЖК) удалялась при помощи силикагеля АСКГ (активированный силика-гель крупнопористый гранулированный) или с помощью активной нейтральной окиси алюминия.

Необходимо отметить, что кислотные гетерогенные катализаторы не обладают достаточной активностью для ускорения трансэтерифи-кации триглицеридов. Реакцию трансэтерификации проводили в присутствии твердых щелочных катализаторов: оксидов М§О и СаО и свежесинтезированного алюмината натрия КаЛ1О2 с уровнем конверсии триглицеридов 70 %, 60 % и 99 % соответственно (рис. 3). Применение КаЛ1О2 позволяет достигнуть достаточно высоких выходов целевых моноалки-ловых эфиров сопоставимых с применением гомогенных щелочных катализаторов типа №ОН и КОН. Использование оксидов магния и кальция (СаО, М§О) при тех же параметрах не обеспечивает необходимого уровня конверсии триглицеридов в сложные моноал-киловые эфиры.

Литература

1. Щербак Б.Ф. Разработка технических средств для извлечения и переработки полезных веществ производственных вод мясокомбинатов. Диссертация 1982 г.

2. Горохов Д.Г., Бабурина М.И., Иван-кин А.Н. Биодизельное топливо из животных жиров. Мясная индустрия, 2008, № 11.

3. Горохов Д.Г., Бабурина М.И., Иванкин А.Н. Переработка жиров в биодизель как возможное решение проблемы производства энергии из возобновляемого сырья. Все о мясе, 2008, № 2.

4. Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Переработка органических отходов. — М.: Изд-во МГУЛ, 2006. — 420 с.