一種使用脂肪制備脂肪酸烷基酯的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及使用脂肪制備脂肪酸烷基酯的方法，更具體地涉及通過使包含脂肪的原料與水反應制備脂肪酸，然后使制備的脂肪酸與醇反應來制備用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯的方法。
【背景技術】
[0002]在源自原礦物油的各種燃料中，柴油具有例如良好的燃料效率、低成本和低二氧化碳產生的一些優(yōu)勢。另一方面，存在柴油燃燒產生大量空氣污染的問題。為了解決這些問題，已經對作為柴油的可替代燃料的生物柴油積極地進行了各種研究。生物柴油具有與傳統(tǒng)柴油相似的物理性質，顯著降低空氣污染，并且是自然再生能源。通常，生物柴油通過例如菜籽油、大豆油、葵花油、棕櫚油等的植物油、動物脂肪、廢烹調油等與醇在酸催化劑或堿催化劑的存在下的酯交換反應產生。作為生物柴油來源的原料，通常使用來自例如油菜籽、大豆、向日葵、椰子樹(coconut palm)等植物的油。近來，生物柴油的生產迅速且在全球范圍內增加，以致用于制備生物柴油的原料的成本也增加，這引起了糧食短缺和農田破壞的問題。因此，需要使用非食用原料制備生物柴油的方法。
[0003]另一方面，在榨油(oil-expelling)步驟中產生并包含相對大量脂肪酸的原油或游渣油(sludge oils)，在油精制步驟中作為副產物產生的酸化阜腳(soap stock)(酸化油(acid oils))，從家庭或餐廳等排出的包含大量雜質以及大量游離脂肪酸的油脂。因此，它們被分類為代表性的非食用油。具體地，非食用油的實例包括i)在植物或動物榨油過程(油提取過程)期間，從清洗、滅菌、壓榨等過程產生的廢水中分離的淤渣油和廢油，ii)原本就包括大量脂肪酸例如包括大于3wt%脂肪酸的原油，例如微藻油(microalgae oils)或從腐臭植物或動物獲得的油，iii)通過酸化或皂分離在油精制步驟期間用于除去脂肪酸的中和過程中產生的脂肪酸鹽(皂)而還原為脂肪酸的酸化皂腳(皂腳，酸化油)，iv)包括大量脂肪酸的用過的食用油(黃色油脂，油炸油脂)，其是在家庭或餐廳用大量黃油和油在高溫熟炸后收集的，V)包括大量脂肪酸的隔油池油脂(trap grease)(棕色油脂或FOG(脂肪、油、油月旨))，其從設置在家庭或餐廳等的排水管中的隔油池的水中分離。在使用上述非食用油作為制備生物柴油的原料的情況下，難以制備滿足質量標準的燃料。而且，對于除去脂肪酸或將脂肪酸轉化為生物柴油，預處理或精制反應步驟是不可避免的。因此，反應時間和反應步驟增加，且制備生物柴油的總制造成本增加。因此，一般都知道，包含大量脂肪酸的脂肪不適于作為制備生物柴油的原料。
[0004]如上所述，通常使用甘油三酸酯形式的植物或動物脂肪和油作為制備生物柴油的原料。然而，當這些原料包含游離脂肪酸時，反應效率變差。因此，為了增加反應效率并提高制備的脂肪酸烷基酯的品質，開發(fā)了若干方法。例如，在歐洲專利公開第127104A號、歐洲專利公開第184740A號和美國專利第4，164，506號等中公開了兩步法，其中先將油和脂肪中的游離脂肪酸酯化，再進行油和脂肪的酯交換反應。在這些方法中，通過在硫酸或磺酸催化劑的存在下在約65°C下加熱脂肪酸和脂肪酸甘油三酯與甲醇的混合物來進行酯化反應。歐洲專利公開第708813A號公開了增加來自油和脂肪的脂肪酸烷基酯的產量的方法。該方法中，從酯交換反應制備的甘油相中分離游離脂肪酸，然后將分離的游離脂肪酸酯化。該方法中，通過甘油相的中和得到游離脂肪酸，然后使得到的游離脂肪酸在濃硫酸催化劑的存在下在約85°C下反應2小時，這將脂肪酸的量從50%降低至12%。
[0005]在美國專利公開第2011/0144375A號、Bi ore source Technology (生物資源技術)102(2011,2380-2386)等中，脂肪酸烷基酯的產量通過使游離脂肪酸、油和脂肪的混合物與醇在陶瓷催化劑的存在下反應和通過同時進行酯化反應和酯交換反應得到提高。該方法中，需要大量的催化劑，且酯化反應產生的水和酯交換反應產生的甘油不能有效地排出到反應系統(tǒng)外。因此，脂肪酸向脂肪酸烷基酯的轉化率低，而且還應該進行包含中和、過濾、清洗、蒸餾的復雜過程以使用制備的脂肪酸烷基酯作為生物柴油。在美國專利第6，855，838號和第7，795，460號等中，公開了首先將游離脂肪酸、油和脂肪的混合物轉化為脂肪酸，然后將轉化的脂肪酸酯化的方法。該方法中，在硫酸或固體酸催化劑的存在下，通過水解將游離脂肪酸、油和脂肪的混合物轉化為脂肪酸，然后將轉化的脂肪酸在硫酸或離子交換樹脂的存在下酯化。
[0006]此外，公開了用于提高脂肪酸的酯化反應效率的方法，其使用機械裝置或超聲波在反應器中引起動態(tài)紊流(韓國專利公開第2004-0101446號，國際公開第WO 2003/087278號)。該方法中，通過使脂肪酸和/或包含于油和脂肪中的脂肪酸與醇在高壓和高溫下在硫酸或離子交換樹脂催化劑的存在下反應而進行酯化。而且，韓國專利公開第2004-87625號公開了使用固體酸催化劑從廢烹調油中除去游離脂肪酸的方法。上述方法通常使用酸催化劑，例如硫酸等。如果這樣的酸催化劑在反應后不能完全除去，則生物柴油的品質劣化。因此，應該進行用于中和、過濾、洗滌和清洗酸催化劑的復雜過程。另外，反應器應該具有對酸催化劑的耐腐蝕性，這增加了生產設備的成本。而且，固體酸催化劑的生命周期通常短，且回收催化劑的成本高。此外，在上述傳統(tǒng)方法中，由于在低溫下進行脂肪酸的酯化，因此反應期間產生的水不能有效地排出到反應系統(tǒng)外。因此，脂肪酸向脂肪酸烷基酯的轉化率低，且得到的脂肪酸烷基酯的物理性質不適用于生物柴油。

【發(fā)明內容】

[0007]技術問題
[0008]因此，本發(fā)明的目的是提供通過使用脂肪作為起始原料來經濟且有效地制備適用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯的方法。
[0009]本發(fā)明的其它目的是提供通過使用包含脂肪酸和脂肪的原料來制備適用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯的方法，所述原料例如植物或動物脂肪和油、其廢油、在植物或動物脂肪和油的精制或處理過程期間產生的副產物、油脂等。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供通過使用脂肪來制備脂肪酸烷基酯的方法，該方法不需要用以除去催化劑的中和、過濾、清洗過程等。
[0011]技術方案
[0012]為了實現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提供制備用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯的方法，包括以下步驟:在200-280°C的溫度和30-80巴的壓力下通過使包含脂肪的原料和水進行水解反應制備脂肪酸和甘油;對脂肪酸和甘油進行相分離；以及在200-350°C的溫度和大氣壓力至35巴的壓力下使分離的脂肪酸和醇進行酯化反應。
[0013]有益效果
[0014]根據(jù)本發(fā)明的制備脂肪酸烷基酯的方法，適用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯可使用包含脂肪成分的原料例如植物或動物脂肪和油、其廢油、在植物或動物脂肪和油的精制或處理過程期間產生的副產物、油脂等來經濟且有效地制備。此外，本發(fā)明的方法不需要用以除去催化劑的額外過程例如中和、過濾、清洗過程等。
【附圖說明】
[0015]圖1是顯示用于實施本發(fā)明的制備脂肪酸烷基酯的方法的裝置的整體配置的圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明更完整的理解及其多種伴隨優(yōu)勢將參考以下詳細說明和附圖得到更好的理解。
[0017]為了制備本發(fā)明的用于生物柴油燃料的脂肪酸烷基酯，首先使包含脂肪的原料在高溫和高壓下與水反應生產脂肪酸和甘油(水解)。
[0018]本發(fā)明中，“包含脂肪的原料”是指包含可以與水反應轉化為脂肪酸的脂肪成分(脂肪和/或脂肪油)的起始原料(給料)。“包含脂肪的原料”可以是純脂肪，例如在室溫下是固態(tài)的脂肪，在