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Umesterung
Das am meisten verbreitete Verfahren zur Anpassung von Pflanzenöl an konventionelle Dieselmotoren ist die Umesterung zu Fettsäure-Methylester.
Chemische Grundlagen
Bei der Umesterung wird das relativ hoch-molekulare Triglycerid in niedrig-molekulare Verbindungen gespalten, die den Molekülen aus denen herkömmlicher Dieselkraftstoff besteht wesentlich ähnlicher sind als das Triglycerid, dem Grundbaustein von Pflanzenölen. Der dreiwertige Alkohol des Pflanzenöls (Glycerin) wird dabei durch drei einwertige Alkohole (meist Methanol) aus der Esterverbindung verdrängt. Da die ursprüngliche Bindungsform d. h. die Esterbindung erhalten bleibt, spricht man von Umesterung. Mindestqualitätsanforderungen an diesen Kraftstoff sind in der Biodieselnorm DIN EN 14214 festgelegt.
Die Reaktion von Rapsöl und Methanol zu RME und Glycerin ist eine Gleichgewichtsreaktion, die zum Stillstand kommt, wenn etwa zwei Drittel der Ausgangsstoffe reagiert haben. Um die Ausbeute bei der grosstechnischen Umsetzung zu erhöhen, kann ein Reaktionsprodukt im Überschuss (meist Methanol) verwendet werden. Der Methanolüberschuss darf jedoch nicht beliebig hoch sein, da Methanol ansonsten als Lösungsvermittler wirkt und sich dadurch Glycerin nicht als schwerere Phase absetzen kann.
Für die Reaktion ist anfangs eine sehr gute Vermischung der Komponenten notwendig, da die Löslichkeit von Methanol in Pflanzenöl relativ gering ist. Am Ende der Reaktion muss dann die Glycerinphase, die sich aufgrund des Dichteunterschieds im Reaktor absetzt, abgeschieden werden. Diese Abtrennung muss schnell und vollständig realisiert werden, um Rückreaktionen zu verhindern. Gleichzeitig wird ein grosser Teil des nicht reagierten Methanols abgetrennt.
Ohne Katalysator läuft die Umesterungsreaktion bei Umgebungstemperatur nur sehr langsam ab. Erst bei Temperaturen über 300 Grad wäre eine technisch nutzbare Geschwindigkeit zu erreichen. Daher erfolgt die Reaktion immer unter Einsatz eines Katalysators. Bei vollraffinierten Ölen (sehr geringe Konzentrationen an freien Fettsäuren) ist die erforderliche Katalysatormenge mit 0,01 bis 0,1 % der umzuesternden Menge relativ gering. Als Katalysatoren sind Alkali-Metalle (z. B. Natrium, Kalium), Alkali-Hydroxide (z. B. NaOH, KOH) und Alkali-Alkoholate (z. B. Na-Methylat) geeignet. Nach der Umesterung wird der Katalysator nicht mehr benötigt und muss neutralisiert werden. Vor der weiteren Verwendung müssen Roh-RME und Roh-Glycerin aufbereitet werden; dabei kann das Glycerin – je nach Aufwand der Aufarbeitung – eine Reinheit von 80 bis 90 % oder auch Pharma-Qualität erreichen.
Diskontinuierliche Verfahren
Die diskontinuierlichen Verfahren zur Umesterung ermöglichen eine einfache Umstellung auf unterschiedliche Rohstoffquellen. Der Verfahrensablauf ist insgesamt jedoch sehr zeitaufwendig, da für das Öl aufwendige Raffinationsschritte und zudem zahlreiche Neutralisations- und Trennschritte erforderlich sind.
Kontinuierliche Verfahren
Das Grundschema der diskontinuierlichen Umesterung bleibt bei kontinuierlichen Verfahren gültig, es variieren aber die Prozessbedingungen, die Reihenfolge der Verfahrensschritte und die Anforderungen an die Eingangsprodukte.
Bei kontinuierlichen Umesterungsverfahren erfolgt die Reaktion in der Regel zweistufig. Die Strömungsgeschwindigkeit ist so niedrig, dass sich im Sumpf des Reaktors eine Glycerinphase absetzt. Eine weitere Glycerinabscheidung erfolgt in einem Absetzbehälter. Die Esterphase wird dann nach der Entmethanolisierung in einer zwei- oder dreistufigen Wäsche in Waschseparatoren gereinigt.
Kontinuierliche Umesterungsverfahren ermöglichen einen einfachen und kontinuierlichen Betrieb, grosse Verarbeitungskapazitäten, niedrige Prozesstemperaturen (Raumtemperatur), die Erzeugung hochwertiger Kuppelprodukte (Glycerin) und eine teilweise Mischnutzung von Pflanzenöl mit Altfettanteilen von rund 35 % des Gesamtmaterialeinsatzes.
Sehr geringe Anforderungen an die Reinheit des Öls (nur Entschleimung notwendig) werden bei der Druckmethanolyse gestellt. Es erfolgt eine einstufige Umesterung bei einem höheren Druck (50 bar) und deutlich höheren Temperaturen (200 Grad). Wesentliche Vorteile bestehen in der Mitveresterung der vorhandenen freien Fettsäuren und in den kurzen Reaktionszeiten. Von Nachteil sind der hohe Energieaufwand und der erforderliche Spezialkatalysator.