Gereinigter Fettsäurealkylester mit niedrigem Schwefelgehalt und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Fettsäurealkylesters, der durch Umesterung eines Schwefel Verbindungen enthaltenden Triglycerides und/oder durch Veresterung einer Schwefelverbindungen enthaltenden Fettsäure mit niederen Alkoholen gewonnen wurde. Die Erfindung betrifft ferner einen neuen Fettsäurealkylester („Biodiesel") mit niedrigem Schwefelgehalt.
Unter Triglyceriden werden für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche Ester von höheren, gesättigten und/oder ungesättigten Fettsäuren mit Glycerin verstanden. Derartige Ester sind z.B. Öle und Fette pflanzlichen oder tierischen Ursprungs. Viele Fette natürlichen Ursprungs enthalten aber auch noch freie Fettsäuren in einem mehr oder minder großen Ausmaß. Diese Fette sind somit ein Gemisch aus Triglyceriden und freien Fettsäuren, wobei der Hauptbestandteil dieses Gemisches in der Regel die Triglyceride sind.
Unter Umesterung ist die Alkoholyse von Triglyceriden zu verstehen, also die Umsetzung mit niederen Alkoholen, insbesondere Methanol und Ethanol, wobei über die Zwischenprodukte Di- und Monoglyceride die Monoester der Fettsäuren sowie Glycerin entstehen.
Fettsäureester, insbesondere die Methylester, sind wichtige Zwischenprodukte in der Oleochemie. Allein in Europa werden jährlich 200.000 Tonnen Pflanzenölmethylester als Rohstoffe vor allem für Tenside hergestellt. Daneben gewinnt der Fettsäuremethylester als Dieselersatzkraftstoff immer mehr an Bedeutung.
Als Katalysatoren für die Umesterung können basische Katalysatoren (Alkalihydroxide, -alkoholate, -oxide, -carbonate, Anionenaustauscher), saure Katalysatoren (Mineralsäuren, p- Toluolsulfonsäure, Bortrifluorid, Kationenaustauscher) und Enzyme (Lipasen) verwendet werden. Bevorzugt werden heute im Reaktionsgemisch lösliche Katalysatoren verwendet. Diese bilden ein homogenes Gemisch und gewährleisten schnelle Umsatzraten und milde Reaktionsbedingungen. Die am häufigsten verwendeten homogenen Katalysatoren sind Natrium- und Kaliumhydroxid sowie Natriummethylat, welche in Alkohol gelöst dem Pflanzenöl zugemischt werden. Ein derartiges Verfahren ist aus der AT-B 386 222 bekannt. Die saure Katalyse erfordert höhere Reaktionstemperaturen und -drücke und eine aufwendigere Reaktionsführung. Eine saure Umesterung ist aus der FR-A - 85 02340 bekannt.
Die Umesterung mit basischer Katalyse wird im allgemeinen ohne Verwendung eines Lösungsmittels durchgeführt. Die Reaktion beginnt mit einem Zweiphasensystem aus Triglycerid und Alkohol, mit zunehmendem Reaktinsfortschritt und Bildung von Ester entsteht aber eine homogene Phase, welche durch Bildung und Ausscheidung von Glycerin wiederum zweiphasig wird, wobei die leichte Phase der rohe Fettsäurealkylester und die schwere Phase eine glycerinreiche Phase ist.
Es besteht der Trend seitens der Gesetzgeber, den Schwefelgehalt in Treibstoffen in den nächsten Jahren drastisch zu senken. Auch bei den Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen soll der Schwefelgehalt reduziert werden. So wird z.B. im Entwurf der EU-Norm 14214 für Biodiesel der Schwefelgrenzwert mit 10 ppm festgelegt.
Biodiesel wird üblicherweise aus pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten (Triglyceriden) durch katalytische Umesterung mit Methanol gewonnen. Diese Triglyceride enthalten schwefelhaltige Verbindungen, die aus dem pflanzlichen bzw. tierischen Ausgangsmaterial stammen und selbst durch Raffination nur teilweise abgetrennt werden können. Es hat sich aber gezeigt, dass selbst nach der Umesterung im Ester noch Schwefelverbindungen nachweisbar sind, und zwar u.U. in einer Menge, die den oben genannten Grenzwert bei weitem übersteigt.
Das üblicherweise vorgenommenen Waschen des Rohesters kann den Gehalt an Schwefel Verbindungen im Ester („Biodiesel") nur ungenügend senken. Selbst eine an die Wäsche anschließende Destillation kann den Schwefelgehalt nicht wesentlich senken.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren zur Reinigung eines Fettsäurealkylesters, der durch Umesterung eines Schwefelverbindungen enthaltenden Triglycerides und/oder durch Veresterung einer Schwefelverbindungen enthaltenden Fettsäure mit niederen Alkoholen gewonnen wurde, bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Fettsäurealkylester mit einem basischen Medium behandelt wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Behandlung des Esters mit einer Base der Schwefelgehalt des Esters reduziert werden kann und ein Teil der Schwefelverbindungen in das basische Medium extrahiert wird.
Als basisches Medium eignet sich z.B. eine feste Base, insbesondere ein basischer Ionenaustauscher, und vor allem auch ein wässeriges basisches Medium, bevorzugt eine wässerige Lauge.
Als wässerige Lauge wird im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt ein wässeriges Alkalihydroxid, insbesondere KOH, oder ein wässeriges Erdalkalihydroxid, insbesondere Calciumhydroxid, eingesetzt.
Die Behandlung mit dem basischen Medium wird am besten bei einer Temperatur zwischen 15°C und 65°C, insbesondere zwischen 30°C und 45°C, vorgenommen.
Eine überaus bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, den mit dem wässerigen, basischen Medium behandelten Fettsäurealkylester zu destillieren. Es hat sich gezeigt, dass die Destillation eine drastische Reduktion des Schwefelgehaltes im Ester ermöglicht. Dies ist völlig überraschend, da nach den herkömmlichen Wäschen eine Destillation hinsichtlich der Reduzierung der Schwefelverbindungen nur eine unbefriedigende Wirkung zeigt.
Als niederer Alkohol wird insbesondere Methanol eingesetzt.
Die Erfindung betrifft auch einen Fettsäurealkylester, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Triglycerid bzw. einer Fettsäure erhalten wird, welche einen Schwefelgehalt von über 10 ppm, insbesondere über 30 ppm, aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schwefelgehalt des Fettsäurealkylesters kleiner als 10 ppm, inbesondere kleiner als 5 ppm, bevorzugt kleiner als 2,5 ppm und besonders bevorzugt kleiner als 1 ppm ist.
Der erfindungsgemäße Fettsäurealkylester liegt bevorzugt als Methylester („Biodiesel") vor.
Mit den nachfolgenden Beispielen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung noch näher beschrieben.
Beispiel 1
850g Methylester, der gemäß dem in der WO 02/28811 (PCT/AT01/00320) beschriebenen Verfahren aus Tierfett gewonnen und destilliert wurde und aufgrund der enthaltenen Schwefelverbindungen einen Schwefelgehalt von 26 ppm aufwies, wurden mit 25g 1,0
molarer, wässeriger KOH Lösung versetzt und bei 20°C 5 min. gerührt. Die Mischung wurde in einen Scheidetrichter übergeführt von dem nach zwei Stunden eine schwere wässrige Phase abgezogen wurde. Die verbleibende organische Phase wurde bei 1 mbar über eine Vigreuxkolonne destilliert. Im Destillat waren nur mehr 2 ppm Schwefel nachweisbar.
Vergleichsbeispiel 1
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch die erfindungsgemäße Behandlung mit wässeriger KOH nicht vorgenommen wurde. Nach der Destillation des Ausgangprodukts in der selben Apparatur bei gleichen Prozessbedingungen wurden im Destillat 23 ppm Schwefel gemessen.
Beispiel 2
9350 kg Tierfettmethylester, der gemäß im Beispiel 1 genannten Verfahren hergestellt wurde und einen Schwefelgehalt von 76 ppm aufwies, wurden in einem Rührbehälter mit 360 kg 0,4 molarer, wässeriger KOH Lösung versetzt. Bei einer Temperatur von 35°C wurde die Mischung 20 min. gerührt und einer anschließenden Phasentrennung durch Absetzen unterzogen. Nach vier Stunden Absetzzeit wurden 410 kg schwere Phase abgezogen. Der Schwefelgehalt der organischen Phase betrug 43 ppm. Anschließend wurde die organische Phase nach Abtrennung der Leichtsieder bei 140°C und 50 mbar in einem Kurzwegverdampfer bei 2 mbar und 160°C destilliert. Dabei fielen 279 kg Rückstand an.
Im gewonnenen Destillat betrug der Schwefelgehalt nur 2 ppm.
Beispiel 3
8350 kg Tierfettmethylester, der gemäß im Beispiel 1 genannten Verfahren hergestellt wurde und einen Schwefelgehalt von 76 ppm aufwies, wurden in einem Rührbehälter mit 360 kg 0,2 molarer, wässeriger Ca(OH)2 Lösung versetzt. Bei einer Temperatur von 35°C wurde die Mischung 20 min. gerührt und einer anschließenden Phasentrennung durch Absetzen unterzogen. Nach fünf Stunden Absetzzeit wurden 314 kg schwere Phase abgezogen. Der Schwefelgehalt der organischen Phase betrug 44 ppm. Anschließend wurde die organische Phase bei 2 mbar und 160 °C destilliert. Dabei fielen 251 kg Rückstand an.
Im gewonnenen Destillat betrug der Schwefelgehalt weniger als 1 ppm.
Vergleichsbeispiele 2 und 3
Die Beispiele 2 und 3 wurden wiederholt, wobei jedoch die erfindungsgemäße Behandlung mit wässeriger KOH bzw. Ca(OH)2 nicht vorgenommen wurde. Nach der Destillation in der selben Apparatur bei gleichen Prozessbedingungen wurden im Destillat jedoch 25 ppm Schwefel gemessen.
Beispiel 4
431,9 g Methylester aus Tierfett, der gemäß dem im obigen Beispiel 1 genannten Verfahren hergestellt wurde und einen Schwefelgehalt von 166 ppm aufwies, wurde mit 21,6 g (= 5 Gewichtsprozent) basischen Ionenaustauscher Amberlyst A126 bei 45°C 30 Minuten lang kontaktiert.
Danach wurden Ester und Ionenaustauscher voneinander getrennt. Der Schwefelgehalt des Esters betrug 97 ppm. Der Ester wurde dann destilliert (1 mbar; 110-130°C). Dabei fielen 170,3 g Rückstand an. Der Schwefelgehalt des gewonnenen Destillates betrug nur mehr 9 ppm.