Obtinerea biodieselului din rapita
1
Cap. I. Introducere Înlocuirea combustibililor fosili cu biocombustibili este o tendinta ce s-a definit în contextul cresterii pretului petrolului si este prezentata ca fiind o alternativa ecologica, ce creeaza locuri de munca si nu are un impact social major. Aceste considerente nu sunt însa adevarate în mod automat, ci poate dimpotriva. În primul rând, fara politici si masuri de reducere a dependentei de autovehiculele personale, impactul utilizarii biocombustibililor asupra fenomenului schimbarilor climatice ar fi marginal -gradul de utilizare a transportului rutier ar continua sa creasca. Productia si utilizarea biocombustibililor poate duce la reducerea presiunilor sociale si de mediu produse de extractia petrolului, însa ar duce la cresterea presiunilor asupra padurilor, biodiversitatii si productiei alimentare. Ar avea loc reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din arderea combustibililor fosili, însa ar avea loc eliberarea dioxidului de carbon fixat în paduri – în urma defrisarii pentru obtinerea de teren arabil în vederea cultivarii biocombustibililor. Prin utilizarea combustibililor proveniti din uleiuri vegetale s-a demonstrat ca pentru regiile locale de transport biocombustibilii sunt o solutie mai economica decât combustibilii conventionali. Celalalt avantaj este reducerea cu circa 70% a emisiilor de gaze cu efect de sera. Trebuie avute însa în vedere problemele legate de: mono-culturi; defrisarea suprafetelor forestiere pentru a face loc culturilor pentru biocombustibili; impactul acestora asupra biodiversitatii si asupra structurii culturilor pentru obtinerea de alimente; eliminarea organismelor modificate genetic. Biocarburantii pot fi utilizati în forma pura sau în amestec la autovehiculele existente si pot folosi actualul sistem de distributie al carburantilor conventionali. Biodieselul poate fi produs prin transformarea unei largi varietati de grasimi vegetale si animale, dar combustibilul cu cei mai buni parametri se obtin din uleiul de rapita (rapita are cel mai bun indice de iod, rezistenta la temperaturi scazute, stabilitate la oxidare si da cele mai bune rezultate în presarea la rece).
2
Rapita se situeaza pe locul cinci, sub aspectul productiei de ulei comestibil, între plantele oleaginoase. Uleiul de rapita are largi utilizari industriale si alimentare. Biocombustibilii cei mai cunoscuti în prezent sunt biodieselul (obtinut din plante oleaginoase precum rapita si floarea soarelui) si bioetanolul (obtinut din zahar si amidon, respectiv din recoltele de sfecla si cereale). Acesti doi combustibili de transport lichizi au capacitatea de a înlocui, în mare masura, motorina si benzina. Acestia pot fi utilizati pentru motoarele masinilor moderne (nemodificati pentru amestecurile joase sau cu modificari minore pentru amestecurile înalte) si distribuiti prin intermediul infrastructurilor existente. Cercetarea este pe cale sa descopere tehnici de productie „de a doua generatie” care pot produce biocombustibili din materiale lemnoase, din ierburi si unele tipuri de deseuri. În România, pe piata abia descoperita a carburantilor din uleiuri vegetale, “biodieselul” este înca incredibil de ieftin, nefiind accizat. În timp ce gigantii petrolieri pregatesc investitii în fabrici de producere a motorinei vegetale, micii producatori profita deja de materia prima excedentara. Un litru de biodiesel se vinde pe piata cu 2,6-3 lei, adica este mai ieftin si decât uleiul comestibil, nu numai fata de motorina clasica. Rapita este cultivata http://en.wikipedia.org/wiki/Animalfeed pentru hranirea animalelor, pentru consumul oamenilor dar si pentru producerea de biodiesel; printre producatorii de baza se numara Uniunea Europeana, Canada, Statele Unite ale Americii,Australia, China si India. În India, rapita este cultivata pe 13% din terenul cultivabil. Conform Departamentului pentru Agricultura al Statelor Unite, rapita a fost, cantitativ, a 3-a sursa de ulei vegetal de pe Glob în anul 2000, dupa soia si uleiul de palmier, si de asemenea a doua sursa de proteine, desi a reprezentat doar o cincime din productia de soia. Productia mondiala creste rapid, 36 de millioane de tone de rapita au fost produse în sezonul 2003-2004 si 46 de milioane de tone în sezonul 2004-2005. În Europa, rapita este cultivata de principiu pentru hranirea animalelor si este o alternativa de succes pentru produsele modificate genetic. Din uleiul de rapita se produce cel mai bun biocarburant.
3
Fig.1. Boabe de rapita
Un avantaj al cultivarii rapitei este acela ca cheltuielile/ha pentru înfiintarea acestui tip de cultura sunt mai mici decât la grâu si orz. De asemenea, un mare avantaj al rapitei este acela ca poate fi cultivata si iarna. Sprijinul financiar care se acorda pentru sustinerea cultivarii plantelor energetice este: -50,55 euro/ha (cuantum estimativ) -plata pe suprafata eligibila de teren din fonduri UE. -31,5 euro/ha (cuantum estimativ) -plati nationale directe complementare pe unitatea de suprafata eligibila. Se acorda numai pentru productia contractata cu un procesator de biocombustibili. -plati directe de la MADR -în toamna 2008 au fost de 400 lei/ha pentru rapita.
Date tehnice: -productia : 4000 Kg/ha. -pentru a obtine un litru de biodiesel sunt necesare 2,5 kg de rapita. -pret de vânzare la rapita: 7000 lei /kg. Pentru a obtine productii profitabile la aceasta cultura este necesar sa se cunoasca si sa se aplice o tehnologie corecta.
4
Cap. II. Istoricul producerii biodieselului in Romania Combustibilul biodiesel se poate obtine din uleiuri vegetale cum ar fi: uleiul de rapita, ulei de arahide, ulei de floarea soarelui, ulei de soia etc. precum si din uleiuri uzate alimentare si grasimi animale. Rapita este cea mai convenabila planta pentru producerea de Biodiesel. Semintele de rapita au un continut de ulei de 40 pâna la 45%. Uleiul de rapita este obtinut prin presarea semintelor de rapita si din punct de vedere al compozitiei el contine acizi grasi cu lantul de carbon de diferite lungimi. În România rapita s-a cultivat pe suprafete mai mari înainte de primul razboi mondial si între cele doua razboaie mondiale. Astfel, în anul 1913, ea a ocupat 80,38 mii ha, iar în anul 1930 cca. 77,32 mii ha. Dupa 1948, suprafetele au variat de la un an la altul, trecând putin peste20 mii ha doar în anii 1953, 1955, 1956. În anul 1935 anuarul statistic al României mentioneaza 5,9 mii ha. Tarile din Europa de Est, care se afla în procesul de integrare în Comunitatea Europeana, dispun de suprafete cu potential agricol ridicat. În conditiile unor productii medii agricole comparabile cu cele din Comunitatea Europeana, acest potential ar putea fi folosit pentru producerea de culturi cu un real potential energetic. În aceasta situatie se afla si România, care în perspectiva integrarii în UE si a diminuarii importului de produse energetice, trebuie sa dezvolte o noua categorie de combustibili, care se regenereaza an de an, spre deosebire de combustibilii din hidrocarburi, ce, odata scosi din scoarta Terrei, de la adâncimi din ce în ce mai mari, nu se mai regenereaza.
5
Cap. III. Caracteristicile produsului finit - Biodieselul În majoritatea tarilor se cauta metode de înlocuire a combustibililor clasici (fosili) cu combustibili regenerabili, principalul fiind biodieselul. Pentru industria din România productia de biodiesel constituie un element de noutate. Cel mai cunoscut si utilizat combustibil neconventional durabil este biodieselul. Combustibilul biodiesel se poate obtine din uleiuri vegetale cum ar fi: uleiul de rapita, ulei de arahide, ulei de floarea soarelui, ulei de soia etc. precum si din uleiuri uzate alimentare si grasimi animale. Rapita este cea mai convenabila planta pentru producerea de Biodiesel. Semintele de rapita au un continut de ulei de 40 pâna la 45%. Uleiul de rapita este obtinut prin presarea semintelor de rapita si din punct de vedere al compozitiei el contine acizi grasi cu lantul de carbon de diferite lungimi. În România rapita s-a cultivat pe suprafete mai mari înainte de primul razboi mondial si între cele doua razboaie mondiale. Astfel, în anul 1913, ea a ocupat 80,38 mii ha, iar în anul 1930 cca. 77,32 mii ha. Dupa 1948, suprafetele au variat de la un an la altul, trecând putin peste 20 mii ha doar în anii 1953, 1955, 1956. În anul 1935 anuarul statistic al României mentioneaza 5,9 mii ha. Tarile din Europa de Est, care se afla în procesul de integrare în Comunitatea Europeana, dispun de suprafete cu potential agricol ridicat. În conditiile unor productii medii agricole comparabile cu cele din Comunitatea Europeana, acest potential ar putea fi folosit pentru producerea de culturi cu un real potential energetic. În aceasta situatie se afla si România, care în perspectiva integrarii în UE si a diminuarii importului de produse energetice, trebuie sa dezvolte o noua categorie de combustibili, care se regenereaza an de an, spre deosebire de combustibilii din hidrocarburi, ce, odata scosi din scoarta Terrei, de la adâncimi din ce în ce mai mari, nu se mai regenereaza.
6
Cap. IV. Procedee de producere a Biodieselului IV.1. Procedee discontinue
Cea mai simpla metoda pentru producerea biodieselului este procedeul discontinuu ( pe sarje) folosind un bioreactor cu amestecatore mecanica. Ratiile molare întâlnite variaza de la 4 :1 la 20 :1, cea mai folosita fiind cea de 6 :1. reactorul poate fi închis sau echipat cu un condensator de reflux. Hidroxidul de sodiu este încarcat în cantitati de 0,3-1,5% raportate la cantitatea de ulei. Cu toate ca la începutul reactiei este necesara o amestecare puternica pentru a aduce în contact uleiul, catalizatorul si alcoolul. La sfârsitul reactiei, o amestecare mai usoara mareste randamentul reactiei, datorita separarii glicerolului. Randamentele sunt de 85-95%. Unele linii de productie sunt construite în doua etape, cu eliminarea glicerolului care actioneaza ca inhibitor al reactiei si astfel reactia poate decurge cu randamente de peste 95%. Randamentul se poate mari si prin marirea temperaturii si a cantitatii de alcool adaugate. Timpul de reactie este variabil de la 20 minute la 60 minute sau chiar mai mult . În figura 1. se prezinta diagrama fluxului tehnologic pentru obtinerea biodieselului. Primul este adaugat uleiul, dupa care catalizatorul si metanolul. Amestecul este agitat în timpul reactiei, dupa care agitarea înceteaza. La unele procese, amestecul este lasat sa se separe, pentru a realiza o separare initiala a esterilor si glicerolului. În alte procese amestecul este pompat întrun vas de separare sau separat cu ajutorul unei centrifuge. Alcoolul este eliminat din sistem cu ajutorul unui evaporator. Esterii sunt neutralizati utilizând apa încalzita si putin acida pentru a elimina reziduul de metanol si sarurile, dupa care sunt uscati. Biodieselul final este transferat în tancuri de depozitare. Glicerolul este neutralizat si spalat cu apa, dupa care este transmis sectiunii de distilare (rafinare).
7
Fig.2. Diagrama fluxului tehnologic de obtinere a biodiselului
Pentru grasimea provenita de la animale, sistemul este modificat partial pentru adaugarea în fluxul de productie a unui vas de esterificare cu acid si un vas pentru depozitarea acidului. Materia prima trebuie uneori uscata, pâna la 0,4% apa si filtrata înaintea introducerii în vasul de esterificare. Acidul sulfuric si metanolul este adaugat si sistemul este agitat. Temperaturile folosite sunt aceleasi ca la esterificare si sistemul este uneori este presurizat, reactia are loc fara producerea de glicerol. Daca este folosit un sistem în doua etape, amestecarea este oprita si faza de metanol este separata si eliminata, dupa care se adauga metanol si acid sulfuric proaspat si amestecarea este reînceputa.
8
IV.2. Procedee continue
Procedeul continuu este o variatie a procesului pe sarje si foloseste mai multe reactoare cu amestecator în serie. Aceste reactoare pot avea volume diferite pentru a permite o mentinere mai îndelungata a amestecului si, deci un timp de reactie mai mare. Randamentul reactiei în primul reactor este de obicei destul de mare, iar în cel de-al doilea reactia este foarte rapida, cu transformare de peste 98%. Un element esential în dimensionare bioreactoarelor continue cu amestecare este fluxul de materie prima, care va trebui sa mentina o concentratie (compozitie) relativ constanta în interiorul acestuia, acest lucru duce la o amestecare a glicerolului în faza de esteri si induce un timp de separare mai îndelungat. Exista mai multe procedee ce utilizeaza amestecarea intensa cu ajutorul pompelor sau amestecatoarelor fixe pentru a initia reactia de esterificare. Tipul de reactor folosit este unul tubular, ceea ce duce la un flux continuu prin acesta, iar pe directia axiala amestecarea este aproape inexistenta. Rezultatul este un sistem continuu care are nevoie de timpuri relativ mici pentru realizarea reactiei : 6-10 minute. Reactorul tubular poate fi construit în etape, pentru a permite decantarea glicerolului. Acest tip de reactor opereaza la temperaturi si presiuni ridicate pentru a mari randamentul reactiei. Un astfel de sistem este prezentat în figura urmatoare:
9
Cap. V. Obtinerea biodieselului Biodieselul se formeaza ca urmare a unei reactii chimice numita transesterificare, ceea ce înseamna ca glicerolul din ulei e substituit de alcool în prezenta unui catalizator. Cu ajutorul metodei se produce un biodiesel de calitate. Succesul însa depinde de utilizarea corespunzatoare a kitului de biodiesel, cunostinte acumulate si nu în ultimul rând de îndemânare. Compozitia chimica În functie de soi si conditiile de vegetatie, compozitia chimica a semintelor, se caracterizeaza printr-un continut de: 33-49% grasimi; 19-20% proteina bruta; 17-18% extractive neazotate.
La soiurile cultivate în tara noastra continutul de ulei în seminte este de 44,5-45,8%. În general continutul de ulei la semintele de rapita sunt cuprinse între 43-48%. In uleiul de rapita se vor regasi aceste grasimi sub forma de trigliceride ale acizilor grasi. Aceste trigliceride sunt folosite si transformate în reactia de transesterificare prin care se obtine biodieselul. Cultivarea rapitei cu scopul de a obtine combustibil biodiesel poate ajuta economiatarii. În figura urmatoare se prezinta drumul parcurs de semintele de rapita din momentul în care au fost recoltate si pâna ajung sa fie transformate în combustibil biodiesel.
10
Fig.3. Schema tehnologica de obtinere a biodiselului
Cap. VI. Emisii specifice rezultate la utilizarea Biodieselului
Dioxid de carbon (CO2): fiecare tona de carburant Diesel fosil emite aproximativ 2,8 tone de CO2 în atmosfera. Continutul specific de carbon la o tona de biodiesel este usor mai scazut, de aproximativ 2.4 tone de CO2. Se poate crede ca acest CO2 va fi recaptat si refolosit de noua cultura de rapita refacând ciclul carbonului în natura. De aceea emisiile de la combustibilul Biodiesel pot fi considerate ca fiind nule. 11
Oxizii de sulf (SOx): în prezent combustibil Diesel conventional contine în medie 350 ppm sulf. Când combustibilul Diesel este ars, sulful este eliberat în atmosfera sub forma de oxizi de sulf, contribuind la formarea ploilor acide. Combustibilul Biodiesel nu contine aproape deloc sulf (0-0.0024 ppm).
Oxizii de azot (NOx): emisiile de NOx de la combustibilii Biodiesel pot creste sau descreste fata de combustibilii fosili, dependent de tipul motorului si de procedurile de testare. Emisiile de NOx de la Biodieselul pur cresc cu aproximativ 6% fata de combustibilii Diesel fosili. În orice caz, lipsa componentilor cu sulf din combustibilul Biodiesel permite folosirea tehnologiilor de controlare a emisiilor de NOx, tehnologii care nu pot fi folosite la combustibilii fosili. Deci, atunci când este folosit combustibil Biodiesel pur emisiile de NOx pot fi eliminate.
Monoxidul de carbon (CO): Biodieselul contine compusi oxigenati, care îmbunatatesc procesul de combustie si diminueaza emisia de CO cu pâna la 20%.
Particulele materiale (PM): Inspirarea de particule materiale s-a dovedit a fi o problema foarte serioasa pentru sanatatea umana. Evacuarea emisiilor de particule materiale de la combustibilii Biodiesel este mult mai scazuta (peste 40%) fata de emisiile totale de la combustibilii Diesel fosili.
Biodegradabilitatea: Combustibilii Diesel fosili se degradeaza în proportie de numai50% în primele 21 de zile dupa evacuare, în timp ce biodieselul este În proportie de 98% inofensiv dupa aceeasi perioada. Utilizarea unui combustibil pur reduce riscurile de cancer pâna la 94%, iar folosirea unui amestec cu 20% Biodiesel reduce riscul de cancer cu 27%.
12
Biodiselul poate fi folosit ca atare sau în amestec cu motorina, amestecurile dintre biodiesel si motorina fiind notate în felul urmator: pentru un amestec de 20% biodiesel cu 80% motorina el se numeste B20. se mai utilizeaza amestecuri B50, B70 etc., în functie de ce cantitate de biodiesel folosim în amestec. Cu B100 se noteaza biodieselul pur.
Emisiile de noxe, % Noxa emisă în gazele de eşapament
Motorină petrolieră
Amestec 20%biodiesel80%motorină(B20)
100% biodiesel (B100)
Monoxid de carbon
100
-12.6
-43.2
Hidrocarburi nearse
100
-11
-56.3
Particule în suspensie
100
-18
-55.4
Oxizi de azot
100
1.2
5.8
Toxine în aer
100
-12…-20
-60…-90
Efecte mutagenice
100
-20
-80…-90
Oxizi de sulf
100
-20
-100 (lipsa)
Sulfaţi
100
-20
-100 (lipsa)
Fig.4. Compararea emisiilor provenite de la Biodieselul pur cu emisiile provenite de la unamestec de Biodiesel cu motorina si motorina
13
Cap. VII. Avantaje si dezavantaje producere biodiesel
Piata -ofera o piata pentru productia suplimentara de uleiuri vegetale si grasimi animale.
Reduce dependenta de petrol -reduce dependenta unei tari de importul petrolului. Poate avea un impact surprinzator asupra mentinerii stabile a preturilor la combustibil, desi biodieselul poate inlocui doar anumite cote din nevoile de petrol.
Biodieselul reduce emisiile -atunci cand biodieselul inlocuieste petrolul, acesta reduce emisiile de gaze ale incalzirii globale, cum este dioxidul de carbon (CO2). Atunci cand cresc plantele, precum soia, acestea iau CO2 din aer pentru a face tulpina, radacina, frunze si seminte (de soia). Dupa ce uleiul a fost extras din soia, acesta este convertit in biodiesel si cand este ars se produce CO2 si alte emisii, care se intorc in atmosfera. Acest ciclu nu se adauga la concentratia neta de CO2 din aer, deoarece urmatoarea cultura de soia va reutiliza CO2 pentru a creste.
Proprietati de lubrifiere -biodieselul are proproietati excelente de lubrifiere. Chiar si adaugat combustibilului diesel obisnuit in cantitate de 1-2%, poate converti combustibilul cu proprietati modeste de lubrifiere, cum este combustibilul diesel modern cu continut de sulf ultra scazut, in combustibil acceptabil.
Biodieselul si sanatatea umana - unele emisii de PM si HC din arderea combustibilului diesel sunt toxice sau sunt suspectate a fi cauza cancerului si altor boli care ameninta viata. Prin utilizarea B100 se poate elimina aproape 90% din aceste “toxine”. B20 reduce toxinele din aer cu 20% pana la 40%.
14
Dezavantaje
Din pacate, majoritatea testelor efectuate asupra emisiilor din biodiesel au aratat o usoara crestere a oxizilor de azot (NOx). Aceasta crestere a NOx poate fi eliminata printr-o usoara reglare a duratei injectiei la motor, desi cu evidentierea unei reduceri a macro particulelor.
Biodieselul este in prezent prea scump pentru a concura direct cu combustibilul diesel, cu exceptia acelor cazuri unde avantajele de mediu sau altele justifica costul suplimentar. In Europa, biodieselul a fost considerabil sustinut de faptul ca nu este taxat ca si combustibilii pe baza de petrol.
Biodieselul contine cu 8% mai putina energie per galon fata de dieselul tipic: 12,5% mai putina energie per pound. Diferenta dintre aceste doua masuratori este cauzata de faptul ca biodieselul este usor mai dens decat combustibilul diesel, deci intr-un galon de combustibil intra mai multi pounds.
Proprietatile de curgere in perioada de frig sunt mai putin favorabile, comparativ cu dieselul. Proprietatile de curgere la rece, ale biodieselului cat si ale dieselului fosil, sunt extrem de importante. Spre deosebire de benzina, dieselul fosil si biodieselul pot incepe sa inghete sau sa gelifieze, pe masura ce temperatura devine mai rece. Daca combustibilul incepe sa gelifieze, acesta poate bloca filtrele sau eventual poate deveni suficient de gros incat sa nu poata fi nici macar pompat de la rezervorul de combustibil la motor.
15
Cap. VIII. Concluzii Avantajele biocombustibilului obtinut din ulei de rapita sunt urmatoarele: producerea resurselor renovabile si folosirea pamântului nearabil, securitatea ecologica, cel mai mic cost din toate combustibilele alternative cunoscute. Dezavantajele tin de calitate, mai inferioara, consumul se majoreaza cu 10%, apare necesitatea de a modifica injectorul motorului; se accelereaza corodarea metalului si îmbatrînirea cauciucului; schimbarea frecventa a uleiului în motor; distrugerea de suprafete imense de paduri tropicale pentru a obtine terenuri pentru agricultura. Cu la toate acestea, producerea biocombustibilului din uleiul de rapita sporeste, se elaboreaza tehnologii avansate care îi îmbunatatesc caracteristicile. Pentru producerea si utilizarea biocombustibilului din ulei de rapita este necesar de selectionat noi soiuri, de selectat semintele, de obtinut ulei de calitate, prelucrat în biocombustibil, ciclul încheindu-se cu o retea de statii de alimentare.
16
Bibliografie 1. Nedeff, V., Masini si instalatii pentru industria alimentara, vol III, Univ. Bacau, 1997; 2. Banu, C., Manualul inginerului de industrie alimentara, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1978; 3. WIMCO – Unique Membrane Catalyst Biodiesel System (MCBS), www.wimco1989.ca. 4. http://www.autoghid.ro/masini/articole-despre-masini %7Cdetalii/articleID_3001/Ce-legatura-are-porumbul-cu-General-Motors.html 5. http://www.scribd.com/search?query=obtinerea+bio-combustibilului+din+rapita
17
18
