Nowa metoda otrzymywania z oleju lnianki siewnej (Camelina sativa L.) estrów metylowych do zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym (ZS)

Badania, jakim poświęcona jest niniejsza praca dotyczą technicznego wykorzystania oleju z lnianki siewnej (Camelina sativa L.). Rośliny, która znana od dawna, była kiedyś bardzo popularna, dziś jest rzadko uprawiana, gdyż wyparta została przez lepiej plonujący rzepak. Praca ta przedstawia próbę wyprodukowania biopaliwa nową metodą w wa-runkach małej przetwórni. Estryfikację pozyskanego oleju lniankowego przeprowadzono w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu, w Zespole Badań i Rozwoju Urządzeń do Pozyskiwania Energii Odnawialnej. Zespół ten opracował własną technologię metanolizy oleju lniankowego, którą zastrzegł w Urzędzie Patentowym. W wyniku przeprowadzonych badań i dokonanych reakcji chemicznych stwierdzono, że produkcja estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z oleju lnianki siewnej jest możliwa i w takich warunkach z 34,3 kg oleju można otrzymać 30,74 kg biopaliwa.

1. Wstęp

Niniejsza praca poświęcona jest badaniom nad technicznym wykorzystaniem oleju z lnianki siewnej (Camelina sativa L.). Rośliny, która była kiedyś bardzo popularna, o czym świadczy wiele powszednich nazw: lnicznik, judra, rydz, ryżyk, rżyj, lennica. Roślina ta jest znana już od dawna, jednak wyparta przez lepiej plonujący rzepak, jest dziś rzadko uprawiana.

2. Cel pracy

Celem pracy było określenie przydatności oleju pozyskanego z lnianki siewnej (Camelina sativa L.) do produkcji estrów metylowych. Przy czym głównym zadaniem było sprawdzenie przydatności nowej technologii estryfikacji opracowanej w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu.

3. Paliwo do silników z zapłonem samoczynnym - olej napędowy

Oleje napędowe, czyli paliwo do silników z zapłonem samoczynnym, są to frakcje naftowe, stanowiące mieszaninę ciekłych węglowodorów o temperaturze wrzenia od 180 do 350ºC. Frakcje te są wydzielane z ropy naftowej przez destylację lub wytwarzanie z olejów ciężkich i pozostałości w procesach rafineryjnych jak kraking katalityczny czy hydrokraking. Skład oleju napędowego decyduje o właściwościach fizykochemicznych, a te z kolei o charakterystyce eksploatacyjnej, zarówno pod względem efektywności pracy silnika, jak i toksyczności emitowanych przez silnik produktów spalania [2].

Ważniejsze właściwości oleju napędowego i ich wpływ na spalanie i parametry pracy silnika.

Liczba cetanowa jest jedną z najważniejszych właściwości paliwa i określa jego zdolność do samozapłonu. Charakteryzuje ona proces spalania i określa zawartość związków toksycznych w spalinach.

Skład frakcyjny olejów napędowych. Oleje napędowe są mieszaniną węglowodorów, głównie parafinowych i naftalenowych. Ich skład może być rozpatrywany w trzech obszarach: frakcje lekkie, odpowiedzialne za charakterystykę rozruchową silnika, frakcje ok. 50% oddestylowanego paliwa, wpływają na lepkość i gęstość oraz odpowiadają za jednorodność rozpylenia paliwa oraz ustabilizowanie procesów odparowania i spalania, frakcje ciężkie (temperatura oddestylowania 90 do 95% objętości paliwa) istotnie rzutują na emisję toksycznych składników spalin.

Lepkość oleju napędowego jest miarą tarcia wewnętrznego, charakteryzującą opór, jaki występuje przy przepływie paliwa. Zależy ona od składu chemicznego paliwa i jest silnie zależna od temperatury i ciśnienia. Od lepkości zależy też struktura i zasięg strugi paliwa wtryskiwanego do komory oraz stopień jego rozpylenia. Zbyt duża lepkość może powodować zakłócenia w rytmiczności wytwarzania mieszanki. Zbyt mała lepkość może być przyczyną szybszego zużywania się pomp wtryskowych. Dla każdego rodzaju silnika istnieje graniczna lepkość paliwa, która przy danej konstrukcji układu zasilania uniemożliwia normalne rozpoczęcie pracy, na skutek zbyt dużych oporów hydraulicznych i zakłóceń w zasilaniu.

Zawartość związków siarki w oleju napędowym zależy od rodzaju ropy użytej do jego wyprodukowania, miejsca jej wydobycia oraz technologii jej przeróbki. Dąży się do ograniczenia występowania siarki w paliwach, gdyż tlenki siarki (SO₂) powstałe w wyniku spalania jej związków, są szkodliwe i wraz z gazami spalinowymi przedostają się do atmosfery.

Gęstość oleju napędowego - jest to stosunek masy paliwa do jego objętości w określonej temperaturze. Gęstość wpływa głównie na zasięg strumienia paliwa w komorze spalania. Zmniejszenie gęstości paliwa wiąże się ze spadkiem jego wartości opałowej, a co za tym idzie zmniejszonej mocy silnika. Zwiększona gęstość powoduje nadmierne zużywanie się tulei cylindrowych i pierścieni oraz wpływa na powstawanie zwiększonej ilości osadów w komorze spalania.

Niskotemperaturowe właściwości olejów napędowych mają istotny wpływ na pracę układów zasilania i spalania w silnikach wysokoprężnych.

Smarność jest miarą zdolności substancji smarnej do zapobiegania zużyciu stykających się powierzchni. Smarność oleju napędowego jest o tyle ważna, że pompa wtryskowa, niezależnie od rodzaju i typu jak i wtryskiwacz są smarowane paliwem. Odpowiednia smarność oleju napędowego przyczynia się do zmniejszenia zużycia współpracujących powierzchni par precyzyjnych [2]. Zdolność do wytworzenia warstwy smarnej zależy od obecności związków polarnych, głównie siarki i węglowodorów aromatycznych. Wymogi ochrony środowiska, narzucające producentom oleju napędowego ograniczenie w jego składnie zawartości siarki i węglowodorów aromatycznych doprowadziły do obniżenia jego właściwości smarnych.

Napięcie powierzchniowe określane jest siłą, z jaką ciecz przeciwstawia się zwiększaniu swojej powierzchni. Właściwość ta ma podstawowe znaczenie dla wielkości kropli rozpylanej cieczy. Napięcie powierzchniowe oleju napędowego zależy od zawartych w nim związków o charakterze polarnym i wywiera znaczący wpływ na jednorodność jego rozpylenia.

Zawartość węglowodorów aromatycznych ma wpływ na emisję cząstek stałych, a w silnikach wysokoprężnych powoduje podwyższenie temperatury spalania, co wpływa na wzrost emisji tlenków azotu (NO_x).

Temperatura zapłonu - jest określana jako najniższa temperatura, w której ON podgrzewany w znormalizowanych warunkach wydzieli wystarczającą ilość par do wytworzenia z otaczającym powietrzem mieszaniny zapalającej się przy zbliżaniu płomienia [21].

Wartość opałowa paliwa określa ilość ciepła, jaka się wydzieli przy spaleniu jednostki ciężarowej paliwa, z pominięciem ciepła wywiązanego przy skropleniu pary wodnej. Wartość opałowa może służyć do prognozowania zużycia paliwa, sprawności silnika oraz ilości emitowanych produktów spalania.

Dodatkami uszlachetniającymi nazywamy indywidualne związki chemiczne lub ich mieszaniny, dodawane do paliw, aby spełniały w nich określone funkcje. Mogą one poprawiać właściwości eksploatacyjne, umożliwiając paliwom spełnienie stawianych im wymagań. Mogą to być stabilizatory, które zapobiegają utlenieniu paliwa i osadzaniu się szlamów w zbiornikach magazynowych, inhibitory utleniania, które przeciwdziałają wytrącaniu się osadów i zwiększają odporność paliwa na utlenianie, przy długim przechowywaniu. Innymi są dodatki antykorozyjne jako związki powierzchniowo czynne, które zabezpieczają układy paliwowe i zbiorniki przed procesami korozji czy detergenty, które jako środki myjące zapobiegają osadzaniu się i pomagają usuwać osady żywiczne i węglowe, dodatki zwiększające liczbę cetanową poprawiają zdolność paliwa do samozapłonu. Z kolei dodatki dyspergujące zmniejszają napięcie powierzchniowe, ograniczając wielkość kropli rozpylonego paliwa a dodatki obniżające temperaturę blokowania zimnego filtra zapewniają przepływ paliwa przez filtry w niskiej temperaturze. Nie mniej istotnymi są dodatki smarnościowe zapewniają smarowanie przy stosowaniu paliw o małej zawartości siarki, dodatki zmniejszające zawartość toksyn w paliwach, dodatki przeciw pienne w postaci związków silikonowych, wprowadzone do paliwa zmieniając jego napięcie powierzchniowe zapobiegają pienieniu.

Dodatki uszlachetniające stosowane dziś spełniają wiele funkcji (dodatki wielofunkcyjne), co pozwala na zmniejszenie ilości stosowanych dodatków oraz na uniknięcie niepożądanych interakcji pomiędzy nimi.

3.1. Wymagania normatywne stawiane w Polsce olejom napędowym ON

Jakość rozprowadzanych w Polsce olejów napędowych regulowana jest przez Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 września 2006 roku, zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań jakościowych dla paliw ciekłych.

3.2. Olej roślinny jako paliwo do silnika ZS

W dobie kurczących się zasobów ropy naftowej, która wedle niektórych prognoz może się skończyć nawet za 45 lat, prowadzone są usilne badania nad poszukiwaniem nowych, alternatywnych źródeł energii. Zaawansowane badania trwają między innymi nad zastosowaniem biopaliw. Biopaliwem ciekłym w świetle Ustawy z dnia 25 sierpnia 2006 r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych, nazywamy „olej napędowy zawierający powyżej 5,0% objętościowo biokomponentów, ester, bioetanol, biometanol, dimetyloeter oraz czysty olej roślinny stanowiące samoistne paliwa". Ustawa nie przewiduje dodawania olejów roślinnych do paliw.

Oleje roślinne jako estry gliceryny i kwasów tłuszczowych, posiadają w swej cząsteczce od 14 do 24 atomów węgla, przy czym dominują te z 16 lub 18 atomami. Głównymi składnikami, które stanowią ponad 50% ich składu, są estry kwasów nienasyconych. Mają one wpływ na lepkość takich olejów, a dokładniej, im więcej jest estrów tym mniejsza jest lepkość oleju, a tym samym lepsze właściwości, jeżeli chodzi o zastosowanie w silniku. Jednocześnie wraz ze wzrostem zawartości estrów obniża się temperatura krzepnięcia oleju. Niestety są one też mniej stabilne termicznie i bardziej skłonne do polimeryzacji, w wyniku czego mogą tworzyć osady na elementach aparatury wtryskowej.

Zaletami oleju pochodzenia roślinnego są dobre właściwości smarne i całkowita biodegradowalność w przeciągu 21 dni [11].

Próby bezpośredniego zastąpienia ON olejem rzepakowym, lub jego mieszaninami nie daje zadowalających efektów [11, 22]. Główne problemy polegają na zbyt wysokiej lepkości OR, która utrudnia rozpylanie, powoduje podwyższone opory tłoczenia, gorsze odparowanie i niepełne spalanie. Z powodu wysokiej lepkości OR może również blokować filtry dokładnego oczyszczania. Podczas stosowania takiego leju, na ścianach komory spalania i pierścieniach tłokowych mogą tworzyć się węgliste osady. Może on też powodować zaburzenia pracy zaworów i rozpylaczy.

Olej zasychając może powodować unieruchamianie elementów aparatury wtryskowej. Zasychanie wynika z zawartości wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, głównie linolowego i linolenowego. OR przedostając się do oleju silnikowego może go rozcieńczyć i przyczynić się do powstawania polimerów. Zmywa również film olejowy z tulei cylindrów, powodując ich szybsze zużycie. Olej rzepakowy nie nadaje się do stosowania jako paliwo w niższych temperaturach, z powodu bardzo wysokiej temperatury zablokowania zimnego filtru. Z uwagi na fakt, iż liczba cetanowa oleju rzepakowego uzależniona jest od temperatury, podczas eksploatacji pojazdu zasilanego takim olejem będą występowały problemy z uruchomieniem zimnego silnika.

Podsumowując, silniki o zapłonie samoczynnym (ZS) nie są przystosowane do zasilania olejem roślinnym, zarówno czystym jak i mieszaninami z olejem napędowym. Wynika to z różnic we właściwościach fizycznych i chemicznych oraz ze względu na wyżej wymienione problemy. Powinno się je przetworzyć na estry metylowe lub estry etylowe wyższych kwasów tłuszczowych.

3.2.1. Estry metylowe jako paliwo do silników ZS

Rys. 1. Reakcja chemiczna powstawania estrów metylowych kwasów tłuszczowych

Fig. 1. A chemical reaction of formation of fatty acid methyl esters

Surowcem do produkcji estrów mogą być nie tylko świeże oleje, ale również oleje odpadowe, po użyciu w smażalniach lub tłuszcze pochodzenia roślinnego i zwierzęcego [11]. Estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych określa się często jako FAME (Fatty Acid Metyl Esters), a estry etylowe FAEE (Fatty Acic Etyl Esters), a mianem RME (Rape-seed Oil Metyl Esters) nazywamy estry metylowe oleju rzepakowego [21]. W polskim nazewnictwie funkcjonuje jeszcze akronim: EMKOR - estry metylowe kwasów oleju rzepakowego.

3.2.3. Właściwości estrów metylowych jako paliwa

Głównym efektem procesu estryfikacji jest: istotne zmniejszenie drobin paliwa oraz znaczne (nawet dziesięciokrotne) obniżenie lepkości. W procesie tym usuwane są trójglicerydy, które odpowiedzialne są za tworzenie niepożądanych osadów w komorze spalania. Ostatecznie w wyniku estryfikacji obniżona zostaje temperatura mętnienia i krzepnięcia oraz polepszona zostaje lotność produktu w porównaniu do OR.

Jak wynika z powyższego zestawienia, EMKOR posiada ogólnie gorsze właściwości fizykochemiczne niż olej napędowy. Głównie wskutek niższej wartości opałowej, wynikającej z mniejszej zawartości atomów węgla i wodoru w cząsteczce estru. Wpływ na tę właściwość ma również rodzaj alkoholu, zastosowanego przy transestryfikacji. Największa energia zawarta jest w estrach butylowych, a najmniejsza w estrach metylowych.

EMKOR odbiega dosyć istotnie od oleju napędowego właściwościami niskotemperaturowymi. Ze względu na wyższe temperatury mętnienia, krzepnięcia i zablokowania zimnego filtru, stosowanie estrów metylowych w temperaturach poniżej -10ºC staje się niebezpieczne. Wynika to z mogących wystąpić problemów z rozruchem i zasilaniem silnika. Zablokowaniu ulec mogą filtry paliwa oraz samo paliwo może zamarznąć w zbiorniku.

Pompa wtryskowa odmierzając objętościowo dawki paliwa, może dostarczać ilościowo mniej energii do cylindra, w przypadku zasilania estrami metylowymi z uwagi na ich nieco większą gęstość niż ON. Większa niż w oleju napędowym o około 12% zawartość tlenu i wiązania nienasycone, powinny sprzyjać lepszemu zapłonowi i bardziej pełnemu spalaniu estrów.

Pozytywną cechą EMKOR jest bardzo niska zawartość siarki, co powinno skutkować obniżoną zawartością cząstek stałych w spalinach, przy równoczesnym zachowaniu lepszej smarności. Swoje właściwości smarnościowe zawdzięcza wyższej lepkości i spolaryzowanym cząstkom. Ponadto wysoka temperatura zapłonu estrów kwalifikuje je jako bezpieczne pożarowo.

Obecność grupy estrowej, która upodobnia chemicznie EMKOR do właściwości niektórych lakierów oraz tworzyw sztucznych, powoduje skłonność tego paliwa do rozpuszczania pewnych lakierów i gumowych uszczelnień. Występujące w niewielkiej ilości kwasy tłuszczowe mogą być przyczyną korozji elementów silnika i niekorzystnie oddziaływać na system paliwowy [11].

W publikacjach zagranicznych autorów dosyć licznie pojawia się temat stosowania estrów metylowych do zasilania silników ZS i pomijając niewielkie rozbieżności, stwierdzają one spadek osiągów pojazdów zasilanych EMKOR o około 7-9%, wynikających z niższej wartości opałowej [11]. Stwierdzono również spadek zawartości toksycznych składników w spalinach przy niewielkim wzroście zawartości NOx. Dużą zaletą RME z uwagi na oddziaływanie na środowisko jest bardzo szybka biodegradowalność w porównaniu do ON. Warto dodać, że wymienione niekorzystne cechy EMKOR mogą być zniwelowane lub całkowicie wyeliminowane poprzez dodawanie do paliwa różnych dodatków uszlachetniających, takich samych jak dodaje się do ON.

Podsumowując można stwierdzić, że estry metylowe oleju rzepakowego mogą być użyte jako samoistne paliwo, lub jako biokomponent dodawany do oleju napędowego i stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym, bez ich przebudowywania.

4. Metodyka badań

Badania przydatności olejów roślinnych jako olejów napędowych w niniejszej pracy ograniczono do jednej rośliny oleistej, jaką jest lnianka siewna (Camelina sativa L.).

Zakres badań obejmował hodowlę lnianki, wytłoczenie oleju oraz etap wyprodukowania z oleju estrów metylowych na skalę laboratoryjna oraz półprzemysłową. Ostatni etap badań przeprowadzono w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu.

Uprawa lnianki została założona w gospodarstwie pana J. Bzdziela w Dusznikach. Wlkp. Nasiona do uprawy uzyskano z Katedry Genetyki i Hodowli Roślin Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Zbiór nastąpił na przełomie lipca i sierpnia jednoetapowo, kombajnem marki Bizon.

Olej z nasion lnianki wytłoczony został metodą tłoczenia „na zimno" w Zakładzie Wytłaczania Oleju w Grodzisku Wielkopolskim.

4.1. Wytworzenie estrów metylowych z oleju lniankowego nową metodą w warunkach laboratoryjnych

Estryfikację pozyskanego oleju lniankowego przeprowadzono w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu, pod nadzorem pana Pawła Frąckowiaka z Zespołu Badań i Rozwoju Urządzeń do Pozyskiwania Energii Odnawialnej. Zespół ten opracował własną technologię metanolizy oleju lniankowego, na którą zgłoszenie patentowe zostało złożone w Urzędzie Patentowym.

Rys. 2. Schemat technologiczny opracowanej w 2006 r. w PIMR zmodyfikowanej technologii produkcji biopaliwa rzepakowego, zastosowanej w badaniach

Fig. 2. A flow chart for the modified technology of rapeseed biofuel production, used in this study and developed at the Industrial Institute of Agricultural Machines in 2006

Przedstawiony na rys. 2 schemat, został opracowany przez pracowników PIMR z myślą o estryfikacji oleju rzepakowego, z uwagi na jego powszechność. Jednak równie dobrze sprawdza się on przy estryfikacji innych olejów, tak jak w naszym przypadku oleju z lnianki siewnej.

W pierwszym etapie odmierzono 2000 cm³ (to jest ok. 1821 g) oleju lniankowego i zmieszano go z 340 cm³ metanolu. Roztwór sporządzono w pojemniku wyposażonym w mieszadło elektryczne i przy ciągłym mieszaniu, podgrzepodgrzewając na piecyku elektrycznym doprowadzono do temperatury 60ºC. Z wcześniejszych doświadczeń wynika, że taka temperatura jest optymalną do przeprowadzenia reakcji transestryfikacji. Wyższa temperatura (powyżej 65ºC) byłaby niewskazana, gdyż wtedy zaczyna odparowywać metanol. Mogłoby to zaburzyć jej prawidłowy przebieg. Do przeprowadzenia reakcji transestryfikacji niezbędny jest również katalizator (rys. 3).

Rys. 3. Roztwór oleju i metanolu przed i po dodaniu katalizatora

Fig. 3. A solution of oil and methanol before and after addition of catalyst

Najczęściej stosowanymi katalizatorami, przy tego typu reakcjach są roztwory metanolu i wodorotlenków potasu lub sodu. Potrzebny w prowadzonym procesie katalizator uzyskano poprzez rozpuszczenie 19,1 g wodorotlenku sodu w 178 cm³ metanolu. W wyniku połączenia roztworu katalizatora z roztworem oleju i metanolu nastąpiła reakcja transestryfikacji. Objawiło się to nagłą zmianą barwy i podwyższeniem temperatury roztworu do 63ºC. Następnie roztwór mieszano przez 30 minut utrzymując temperaturę około 65ºC.

Gdy reakcja transestryfikacji przebiega zbyt długo roztwór narażony jest na działanie niekorzystnych zjawisk, jakimi są: tworzenie się mydeł w obecności wolnych kwasów tłuszczowych oraz spadku aktywności katalizatora w obecności wody.

Wodorotlenek sodu może też przechodzić do fazy wodnej opuszczając środowisko reakcji. Dlatego został wcześniej przygotowany roztwór do neutralizacji katalizatora, który składał się z 12,8 cm³ kwasu ortofosforowego rozcieńczonego wodą w stosunku 1:1 objętości.

Następnie roztwór zneutralizowano mieszanina wody i kwasu, a powstałą ciesz zlano do dwóch naczyń, gdzie pozostawiono ją do odstania przez około 30 min. Nastąpił rozdział faz, na fazę estrów metylowych i glicerynę, która jako gęstsza osadziła się na dnie naczynia (rys. 4).

Rys. 4. Rozdział faz (po lewej) oraz faza glicerynowa (po prawej)

Fig. 4. Phase separation (left) and glycerin phase (right)

Glicerynę oddzielono i została ona przekazana do dalszego oczyszczenia. Może ona następnie zostać użyta jako dodatek do płynnych nawozów organicznych np.: gnojowicy. Gliceryna może też stanowić doskonały dodatek do pasz dla drobiu oraz trzody chlewnej w ilości 5-10%. Z uwagi na swoja wartość opałową mieszczącą się w przedziale: 18600 - 25200 kJ/kg, można wziąć również pod uwagę użycie gliceryny jako materiału opałowego.

4.2. Wytworzenie estrów metylowych z oleju lniankowego nową metodą w warunkach półprzemysłowych

Po przeprowadzeniu reakcji na skalę laboratoryjną i stwierdzeniu, że nowa reakcja zaproponowana przez pracowników PIMR daje zadowalające efekty - wysoką efektywność metanolizy, estryfikacji poddano pozostałą część oleju. Do tego celu został użyty estryfikator wyprodukowany w PIMR o wydajności 60 l na dobę (rys. 5).

Rys. 5. Estryfikator zaprojektowany w PIMR

Fig. 5. Esterifier designed at the Industrial Institute of Agricultural Machines

W pierwszej kolejności odmierzono odpowiednie ilości reagentów wedle wzorów opracowanych przez pracowników PIMR. Do reakcji użyto 38,45 dcm³ (34,4 kg) oleju roślinnego, 9,817 dcm³ (7,771 kg) metanolu technicznego, 0,368 kg wodorotlenku sodu technicznego, 0,123 dcm³ kwasu ortofosforowego.

Zaczęto od przygotowania mieszaniny katalizatora. W oddzielnym naczyniu rozpuszczono wodorotlenek sodu w 3,272 dcm³ metanolu. Następnie w komorze estryfikatora zmieszano całą objętość oleju z 9,817 dcm³ metanolu i ogrzano do temperatury 60-62º. Kolejnym etapem było dodanie do oleju 3,272 dcm³ katalizatora, przy równoczesnym intensywnym mieszaniu (ok. 30 min) i utrzymywaniu temperatury ok. 65ºC. Po zakończonej estryfikacji aby uniknąć niepożądanych efektów opisanych w poprzednim rozdziale,

dodano 0,256 dcm³ roztworu kwasu ortofosforowego rozcieńczonego wodą w stosunku 1:1 objętości. Następnie mieszano przez 5 minut i pozostawiono do odstania przezokoło 0,5 godziny. Służyło to zneutralizowaniu katalizatora i ostatecznego zakończenia reakcji. Przy pomocy zaworów umieszczonych w dolnej części estryfikatora oddzielono cięższą fazę glicerynową i od powstałych estrów metylowych. W końcowej fazie zważono otrzymane produkty.

5. Wyniki

W wyniku przeprowadzonych badań i dokonanych reakcji chemicznych podczas doświadczeń laboratoryjnych przy wykorzystaniu określonej ilości związków otrzymano 1632,5 g (to jest 1,87 l) estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych w tab. 1 określonych jako FAME ( Fatty Acid Metyl Esters) i 642, 5 g fazy glicerynowej. Udział procentowy estrów metylowych w gotowym produkcie wynosi 71,74%, a w stosunku do masy początkowej oleju lniankowego jest równy 89,65%.

Przeprowadzone doświadczenia i reakcje chemiczne w warunkach laboratoryjnych, gdzie w miarę dokładnie można było zachodzące procesy obserwować i kontrolować, przeprowadzono doświadczenie w warunkach produkcyjnych - w małej wytwórni biopaliwa, specjalnie skonstruowanej do estryfikacji olejów roślinnych przede wszystkim oleju rzepakowego. Wykazało ono, że produkcja estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z oleju lnianki siewnej (oleju lniankowego, oleju rydzowego) jest możliwa i w takich warunkach można otrzymać 30,74 kg (to jest 35,17 l) biopaliwa. Udział procentowy estrów metylowych (FAME) w wyniku takiej produkcji wynosi 71,97%, a w stosunku do masy początkowej oleju lniankowego jest równy 89,62%.

Rys. 6. Udział wagowy użytych składników do wytworzenia estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych

Fig. 6. . Proportions (kg) of components used to produce methyl esters of higher fatty acids

Tab. 1. Substraty i produkty reakcji na skale laboratoryjną

Tab. 1. Substrates and products of the reaction run on a laboratory scale

gdzie: gęstość oleju lniankowego 0,892 g/cm², metanolu 0,79 g/cm², FAME 0,874 g/cm², kwasu ortofosforowego 1,05 g/cm³

Rys. 7. Udział uzyskanych produktów - estrów metylowych i gliceryny w wyniku przeprowadzonej reakcji chemicznej

Fig. 7. Proportions of obtained products - methyl esters and glycerin as a result of the chemical reaction

Tab. 2. Substraty i produkty reakcji na skale półprodukcyjną

Tab. 2. Substrates and products of reaction run on a semi-commercial scale

gdzie gęstość: oleju lniankowego 0,892 g/cm², metanolu 0,79 g/cm², FAME 0,874 g/cm², kwasu ortofosforowego 1,05 g/cm³

6. Analiza wyników

Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają stwierdzić, że z oleju lnianki siewnej (Camelina sativa L) - oleju lniankowego, często sprzedawanego pod inną nazwą np. olej rydzowy, można produkować estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych, określonych jako FAME ( Fatty Acid Metyl Esters) które mogą służyć do zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym - ZS.

Niniejsze badania wykazały, że istnieje możliwość wyprodukowania paliwa z oleju lnianki natomiast bardzo ważny element, jakim jest analiza kosztów estryfikacji jest poruszona w innym artykule. Wiąże się ona ze stosunkiem ilości uzyskanych estrów do ilości użytego oleju. Wyraża się to w procentach. W rozpatrywanym przypadku wskaźnik ten wynosi 89,62%.

7. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań można wysunąć następujące wnioski:

1. 1. Olej roślinny, pozyskiwany z lnianki siewnej nadaje się do stosowania jako substrat do wytwarzania estrów metylowych, a sama roślina może stanowić alternatywę dla rzepaku, gdyż istnieje możliwość jej uprawy wszędzie tam, gdzie hodowla rzepaku jest nieopłacalna lub warunki klimatyczne nie sprzyjające.
2. 2. Nowa technologia estryfikacji różniąca się od poprzedniej zastosowaniem neutralizatora, wykorzystana w badaniach, okazała się odpowiednia do wytworzenia estrów metylowych z oleju lnianki siewnej.
3. Opracowana metoda może być stosowana na skalę przemysłową jak również w mniejszych przydomowych reaktorach do estryfikacji.

8. Literatura

• [1] Bocheński C. I.: Biodiesel paliwo rolnicze. Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2003.
• [2] Bocheński C. I.: Paliwa i oleje smarujące w rolnictwie. Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2005.
• [3] Bruchwałd M.: Możliwości wykorzystania wybranych olejów roślinnych oraz ich estrów metylowych do zasilania tłokowych silników spalinowych ZS (z zapłonem samoczynnym) w maszynach leśnych. Maszynopis. Katedra Techniki Leśnej, Akademia Rolnicza im. A. Cieszkowskiego, Poznań 2007.
• [4] Gradziuk P., Grzybek A., Kowalczyk K., Kościk B.: Biopaliwa., Warszawa 2003.
• [5] Janiszewski T., Mavrantzans S.: Elektroniczne układy wtryskowe silników wysokoprężnych. Wyd. Nauk.-Tech. Warszawa 2003.
• [6] Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wyd. Nauk-Tech. Warszawa 2007.
• [7] Kasedorf J.: Zasilanie wtryskowe olejem napędowym. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 1990.
• [8] Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1998.
• [9] Leśniak W.: ABC samochodowego silnika wysokoprężnego. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 1978.
• [10] Lotko W.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi i roślinnymi. Wyd. Nauk.-Techn., Warszawa 1997.
• [11] Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2002.
• [12] Ulbrich R.: Alternatywne źródła energii. Oficyna wydawnicza, Opole 2000.
• [13] Wajand J. A., Wajand J. T.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Wyd. Nauk.-Techn., Warszawa 2000.
• [14] Wasilewski J., Kresowski E.: Tłokowe silniki spalinowe. Wydawnictwo AR Lublin, Lublin 2007.
• [15] Struktura zużycia energii pierwotnej na świecie w 2004 r. wg Urzędu Regulacji Energetyki, na podstawie „Energia na świecie 2004", ARE SA, Warszawa 2005.
• [16] Polska - Arkusz informacyjny o energii ze źródeł odnawialnych. Dyrekcja Generalna ds. Energii i Transportu, Warszawa 23.01.2008 r.
• [17] http://www.darmowa-energia.eko.org.pl/ 21.04.2008.
• [18] http://www.biopaliwa.pl/ 21.04.2008.
• [19] http://www.ure.gov.pl/ 21.04.2008.
• [20] http://ec.europa.eu/energy/res/index_en.htm/ 21.04.2008.
• [21] Barczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawwa. 2004, s. 10, 20, 21, 28.
• [22] Cisek J., Zabłocki M.: Zastosowanie oleju rzepakowego do napędu silników wysokoprężnych. Mater. Konf.: „Rzepak - stan obecny i perspektywy". Radzików 1993, s. 25.

Autorzy:

Roman WOJTKOWIAK ¹, Paweł FRĄCKOWIAK ², P. KACZYŃSKI ¹

¹ Katedra Techniki Leśnej, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, ul Wojska Polskiego 71c

e-mail: rowojtko@up.poznan.pl

² Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych w Poznaniu, ul. Starołęka 31

e-mail: pawfrack@pimr.poznan.pl