Een veilige ultrasone omesteringsmethode voor plantaardige oliën met behulp van een alkalische katalysator wordt hier gepresenteerd. De methode is snel en efficiënt voor het bereiden van zuivere biodieselproducten.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Ultrasoon geassisteerde bereiding van biodieselproducten uit plantaardige oliën
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Door gebruik te maken van plantaardige olie als duurzame grondstof, presenteert deze studie een innovatieve benadering van ultrasone geassisteerde omestering voor biodieselsynthese. Deze alkaline-gekatalyseerde procedure maakt gebruik van ultrageluid als een krachtige energie-input, waardoor de snelle omzetting van extra vierge olijfolie in biodiesel wordt vergemakkelijkt. In deze demonstratie wordt de reactie gedurende 15 minuten in een ultrasoon bad onder omgevingsomstandigheden uitgevoerd, waarbij een molaire verhouding van 1:6 extra vierge olijfolie tot methanol en een minimale hoeveelheid KOH als katalysator nodig is. De fysiochemische eigenschappen van biodiesel worden ook gerapporteerd. Deze methode benadrukt de opmerkelijke voordelen van ultrasone geassisteerde omestering en vertoont opmerkelijke verminderingen van de reactie- en scheidingstijden, waardoor een bijna perfecte zuiverheid (~100%), hoge opbrengsten en een verwaarloosbare afvalproductie worden bereikt. Belangrijk is dat deze voordelen worden bereikt binnen een kader dat prioriteit geeft aan veiligheid en ecologische duurzaamheid. Deze overtuigende bevindingen onderstrepen de effectiviteit van deze aanpak bij het omzetten van plantaardige olie in biodiesel, waardoor het wordt gepositioneerd als een haalbare optie voor zowel onderzoek als praktische toepassingen.
Inleiding
Biodiesel, afgeleid van gewone, plantaardige oliën en vetten, komt naar voren als een duurzame oplossing om de afhankelijkheid van aardolie teverminderen. Deze hernieuwbare vervanger toont een verminderde uitstoot van broeikasgassen, met name kooldioxide, terwijl het vertrouwt op duurzame hulpbronnen. Bovendien biedt biodiesel duidelijke voordelen ten opzichte van petroleumdiesel, gekenmerkt door zijn zwavelvrije samenstelling, niet-toxische aard en biologische afbreekbaarheid. Als alternatief voor conventionele fossiele brandstoffen sluit biodiesel aan bij het Net Zero-beleid van de Verenigde Naties (VN) door onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen te verminderen en de nadelige effecten van klimaatverandering te verzachten. Biodiesel biedt een veelbelovende weg om aan de huidige energiebehoeften te voldoen, waardoor het een krachtige keuze is voor een groenere toekomst2.
De overheersende methode die wordt gebruikt voor de productie van biodiesel is omestering, een chemisch proces waarbij triglyceriden in oliën en vetten reageren met een alcohol, meestal methanol of ethanol, in aanwezigheid van een katalysator onder verhoogde temperatuuromstandigheden 1,2,3,4. Deze reactie levert vetzuuralkylesters op, het hoofdbestanddeel van biodiesel. Verschillende soorten plantaardige oliën dienen als primaire grondstoffen voor de productie van biodiesel, waaronder zowel eetbare5 (bijv. extra vierge olijfolie en maïsolie) als niet-eetbare oliën 6,7,8 (bijv. kappertjeszaadolie), evenals afgewerkte olie9. Methanol wordt het meest gebruikt voor dit omesteringsproces, omdat het een relatief goedkope alcohol is. Bovendien kan een reeks katalysatoren zoals zwavelzuur, fosforzuur, kaliumhydroxide, natriumhydroxide of enzymen zoals lipase worden gebruikt om het omesteringsproces te versnellen 1,2,3,4. Traditioneel wordt het reactiemengsel gedurende langere perioden onder reflux verwarmd, meestal 30 minuten of langer. Verwarming is niet zo energiezuinig als ultrasoonbehandeling, terwijl het ook veiligheidsrisico's met zich meebrengt5. Daarom is er behoefte aan een veiliger, sneller en energiezuiniger omesteringsproces.
Ultrasone bestraling komt naar voren als een superieur alternatief voor conventionele energiebronnen zoals warmte, licht en elektriciteit, voornamelijk vanwege het fenomeen van akoestische cavitatie10. Dit fenomeen, gekenmerkt door de vorming, uitzetting en gewelddadige ineenstorting van bellen, waardoor gelokaliseerde hotspots ontstaan met temperaturen tot ongeveer 5000 K en een druk van 1000 atm. Dergelijke extreme omstandigheden, in combinatie met snelle verwarmings- en afkoelsnelheden (meer dan 1010 K/s), leveren de energie die nodig is om een breed scala aan chemische reacties efficiënt te laten plaatsvinden bij kamertemperatuur, inclusief die welke voorheen onbereikbaar werden geacht met conventionele middelen10. Ultrasone synthese wint snel terrein in diverse onderzoeksgebieden. Met name de belangstelling voor ultrasone geassisteerde synthese in organische synthese en vastestofmaterialen wordt gedreven door het milieuvriendelijke karakter, de energie-efficiëntie en de verkorte reactietijden onder omgevingsomstandigheden 5,11,12,13,14,15,16 . Hier wordt een snelle en effectieve techniek geïntroduceerd voor veilige, ultrasoon geassisteerde omestering van plantaardige oliën met behulp van een alkalische katalysator, waardoor binnen een kort tijdsbestek zuivere biodieselproducten worden verkregen. Hoewel extra vierge olijfolie in deze studie als demonstratiemedium dient, is het absoluut noodzakelijk op te merken dat de ultrasone methode toepasbaar is op een spectrum van plantaardige oliën 5,17.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Oliebron en voorbereiding
- Voeg 2,0 ml methanol van HPLC-kwaliteit toe aan een centrifugebuis van 15 ml.
LET OP: Methanol is een licht ontvlambare vloeistof. Het is giftig bij inslikken, in contact komen met de huid of bij inademing, en het veroorzaakt schade aan de ogen. Zorg ervoor dat u persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM's) draagt bij het werken met methanol en gebruik deze in de zuurkast. - Voeg een pellet KOH (~0,10 g) toe aan de centrifugebuis en los de KOH-vaste stof op met behulp van de ultrasone reiniger (40 kHz) door gewoon de ultrasone filter aan te zetten.
LET OP: KOH is schadelijk bij inslikken. Het veroorzaakt ernstige brandwonden, oogbeschadiging en ernstig oogletsel. Zorg ervoor dat u persoonlijke beschermingsmiddelen draagt wanneer u met deze stof werkt.
OPMERKING: Voor een optimaal resultaat plaatst u de centrifugebuis in een beker gevuld met water en plaatst u het bekerglas vervolgens in het ultrasoonbad. Deze ondergedompelde configuratie garandeert een grondige blootstelling van het reactiemengsel aan de ultrasone bestraling, waardoor de effectiviteit ervan wordt gemaximaliseerd.
2. Omesteringsproces
- Voeg 8,0 ml extra vierge olijfolie toe aan de centrifugebuis.
- Sluit de centrifugebuis goed af en schud de centrifugebuis krachtig om de olie en de kaliummethoxideoplossing te mengen.
NOTITIE: Houd de centrifugedop stevig vast wanneer u de centrifugebuis schudt. - Draai de dop los en plaats de centrifugebuis in het ultrasoonbad. Zet het ultrasoonbad 1 minuut aan.
- Sluit na de eerste 1 minuut de centrifugedop goed af en schud de centrifugebuis weer krachtig.
- Draai de dop los en doe het reactiemengsel nog 14 minuten in het ultrasoonbad.
- Breng het reactiemengsel over in een scheidingstrechter en laat de onderste glycerinelaag uitlekken.
- Was de toplaag 3x met 15 ml verzadigde NaCl-oplossing, om de overtollige methanol en resterende katalysator uit de ester te wassen. Zorg ervoor dat de pH van de uiteindelijke wasbeurt neutraal is door te testen met een pH-papier.
- Breng de bovenste biodiesellaag over in een droge, schone injectieflacon, voeg watervrije Na2SO4 toe aan de injectieflacon, draai het mengsel rond en laat het mengsel ongeveer 15 minuten staan tot de biodiesel helder is. Gebruik het heldere biodieselproduct voor de karakterisering.
3. Karakterisering van biodiesel
- Fourier-transformatie infrarood (FT-IR) analyse
- Neem de FT-IR-spectra op over een breed bereik van 4000-400 cm-1. Meet elk monster door 16 scans samen op te tellen met een resolutie van 4 cm-1. Voer achtergrondaftrekking uit door vóór elke monsterscan een spectrum van frisse lucht te verkrijgen. Dit is om een nauwkeurige basislijncorrectie te garanderen en de verontreiniging van het monster tot een minimum te beperken. Reinig voor elk nieuw monster de ATR-plaat met methanol en droog deze vervolgens af met pluisvrije doekjes.
- Analyse van proton nucleaire magnetische resonantie (1uur NMR)
- Om de chemische samenstelling van het biodieselproduct te analyseren, registreert u de nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectra van biodiesel en extra vierge olijfolie op een 500 MHz NMR-spectrometer bij kamertemperatuur. Gebruik een 5 mm dubbele gradiëntsonde met hoge resolutie en bereid elk monster voor door 50 mg van het monster op te lossen in 0,7 ml gedeutereerde chloroform (CDCl3) met 0,05% tetramethylsilaan (TMS) als interne standaard. Verkrijg 1uur NMR-spectra met behulp van het TOPSPIN-programma met 16 scans en verwezen naar de TMS-standaard bij 0,0 ppm.
LET OP: CDCl3 is schadelijk bij inslikken en giftig bij inademing. Het veroorzaakt huidirritatie en ernstige oogirritatie. Draag PBM's bij het werken met deze stof.
- Om de chemische samenstelling van het biodieselproduct te analyseren, registreert u de nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectra van biodiesel en extra vierge olijfolie op een 500 MHz NMR-spectrometer bij kamertemperatuur. Gebruik een 5 mm dubbele gradiëntsonde met hoge resolutie en bereid elk monster voor door 50 mg van het monster op te lossen in 0,7 ml gedeutereerde chloroform (CDCl3) met 0,05% tetramethylsilaan (TMS) als interne standaard. Verkrijg 1uur NMR-spectra met behulp van het TOPSPIN-programma met 16 scans en verwezen naar de TMS-standaard bij 0,0 ppm.
- Viscositeit analyse
- Bereid twee glazen pasteurpipetten van 5.75 inch en een pipetpomp voor.
- Maak met een pen twee markeringen op elke pipet. De bovenste markering bevindt zich op de behuizing van de pipet en de tweede markering bevindt zich op de smalle steel, ongeveer 2 cm boven de punt.
- Gebruik een pipetpomp om de pipet te vullen met extra vierge olijfolie met de meniscus aan de bovenkant.
- Verwijder de pipetpomp en start de stopwatch. Stop de stopwatch als extra vierge olijfolie de onderste markering bereikt.
- Herhaal stap 3.3.3 en 3.3.4 met biodiesel in plaats van extra vierge olijfolie.
- Bepaal de relatieve viscositeit van biodiesel versus de extra vierge olijfolie door hun doorgang door een glazen pipet te timen.
Relatieve viscositeit = (olietijd)/(biodieseltijd).
- Testen op ontvlambaarheid
- Dompel een katoenen touwtje van ongeveer 2 cm lang onder in biodiesel en een ander katoenen touwtje in extra vierge olijfolie. Zorg voor volledige verzadiging van de snaar met de betreffende vloeistof. Leg de gecoate katoenen touwtjes op aluminiumfolie.
- Beoordeel in een aangewezen laboratoriumruimte, uit de buurt van ontvlambare oplosmiddelen, het gemak van het aansteken van elke katoenen sliert en observeer de kwaliteit van de geproduceerde vlam. Bepaal of het ene katoenen touwtje gemakkelijker ontbrandt dan het andere. Evalueer welke vloeistof superieure vochtafvoerende eigenschappen vertoont en welke een sterkere verbranding ondersteunt.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In deze demonstratie produceert de omesteringsreactie van extra vierge olijfolie en methanol, gekatalyseerd door KOH, biodiesel bij kamertemperatuur in een ultrasoon bad (Figuur 1)5. De uitgangsmaterialen in de centrifugebuis laten zien dat de reactanten niet mengbaar zijn en in twee lagen zijn verdeeld, zoals te zien is in figuur 2A. De bovenste laag is een mengsel van methanol en KOH, terwijl de onderste laag is samengesteld uit extra v...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In deze demonstratie wordt een ultrasoon geassisteerde methode voor de productie van biodiesel op basis van elektriciteit toegelicht voor een optimale werkzaamheid. Voor een optimaal resultaat moet de centrifugebuis in een bekerglas met water worden geplaatst en vervolgens moet het bekerglas in het ultrasoonbad worden geplaatst. Deze ondergedompelde configuratie garandeert een grondige blootstelling van het reactiemengsel aan de ultrasone behandeling, waardoor de effectiviteit ervan wordt gemaximaliseerd. Indien gewenst ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Het werk werd ondersteund door het start-upfonds van Author YL en de Pedagogy Enhancement Award (PEA) aan de California State University, Sacramento.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Chloroform-d | Fisher Scientific | 865-49-6 | • Schadelijk indien ingeslikt. • Veroorzaakt huidirritatië. • Veroorzaakt ernstige oogirritatië. • Giftig bij inademing. • Verdacht van kankerverwekkende eigenschappen. • Verdacht van schade aan de vruchtbaarheid of het ongeboren kind. • Veroorzaakt schade aan organen door langdurige of herhaalde blootstelling |
| Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic | Branson | 89375-492 | |
| Methanol | Fisher Scientific Company | 67-56-1 | Zeer ontvlambare vloeistof en damp. Giftig indien ingeslikt, in contact met huid of indien geïnhaleerd. Veroorzaakt schade aan organen (Ogen). |
| Potassium hydroxide | Fisher Scientific Company | 1310-58-3 | Kan corrosief zijn voor metalen. Schadelijk indien ingeslikt. Veroorzaakt ernstige huidbrandwonden en oogbeschadiging. Veroorzaakt ernstige oogbeschadiging |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | Niet gevaarlijk |
| Vegetable oils | Een veel geconsumeerd voedsel met een lange geschiedenis van veilig gebruik in pesticiden. |
Referenties
- Mishra, V. K., Goswami, R. A review of production, properties and advantages of biodiesel. Biofuels. 9 (2), 273-289 (2018).
- Talha, N. S., Sulaiman, S. Overview of catalysts in biodiesel production. ARPN J Eng Appl Sci. 11 (1), 439-442 (2016).
- Kalita, P., Basumatary, B., Saikia, P., Das, B., Basumatary, S. Biodiesel as renewable biofuel produced via enzyme-based catalyzed transesterification. Ener Nex. 6, 100087(2022).
- Norjannah, B., Ong, H. C., Masjuki, H. H., Juan, J. C., Chong, W. T. Enzymatic transesterification for biodiesel production: A comprehensive review. RSC Adv. 6 (65), 60034-60055 (2016).
- Wang, X., Chrzanowski, M., Liu, Y. Ultrasonic-assisted transesterification: A green miniscale organic laboratory experiment. J Chem Edu. 97 (4), 1123-1127 (2020).
- Duarte, M. P., Hamilton, A., Naccache, R. Biomass to bioenergy. , Elsevier. (2024).
- Munir, M., et al. Biodiesel production from novel non-edible caper (Capparis L.) seeds oil employing Cu-Ni doped ZrO2 catalyst. Renew Sus Ener Rev. 138, 110558(2021).
- Munir, M., et al. Cleaner production of biodiesel from novel non-edible seed oil (Carthamus lanatus L.) via highly reactive and recyclable green nano CoWO3@rGO composite in context of green energy adaptation. Fuel. 332, 126265(2023).
- Rocha-Meneses, L., et al. Recent advances on biodiesel production from waste cooking oil (WCO): A review of reactors, catalysts, and optimization techniques impacting the production. Fuel. 348, 128514(2023).
- Suslick, K. S., Nyborg, W. L. Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects. J Acoust Soc Am. 87, 919-920 (1990).
- Afreen, S., Muthoosamy, K., Manickam, S. Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrason Sonochem. 51, 451-461 (2019).
- Babu, S. G., Neppolian, B., Ashokkumar, M. Ultrasound-assisted synthesis of nanoparticles for energy and environmental applications. Handbook Ultrason Sonochem. 2, 1-34 (2015).
- Banerjee, B. Recent developments on ultrasound assisted catalyst-free organic synthesis. Ultrason Sonochem. 35, 1-14 (2017).
- Bang, J. H., Suslick, K. S. Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials. Adv Mater. 22 (10), 1039-1059 (2010).
- Kaur, N. Ultrasound-assisted green synthesis of five-membered O- and S-heterocycles. Syn Comm. 48 (14), 1715-1738 (2018).
- Liu, Y., Myers, E. J., Rydahl, S. A., Wang, X. Ultrasonic-assisted synthesis, characterization, and application of a metal-organic framework: A green general chemistry laboratory project. J Chem Edu. 96 (10), 2286-2291 (2019).
- Tan, S. X., Lim, S., Ong, H. C., Pang, Y. L. State of the art review on development of ultrasound-assisted catalytic transesterification process for biodiesel production. Fuel. 235, 886-907 (2019).
- Mahamuni, N. N., Adewuyi, Y. G. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) method to monitor soy biodiesel and soybean oil in transesterification reactions, petrodiesel− biodiesel blends, and blend adulteration with soy oil. Ener Fuels. 23 (7), 3773-3782 (2009).
- Castejón, D., Fricke, P., Cambero, M. I., Herrera, A. Automatic 1H-NMR screening of fatty acid composition in edible oils. Nutrients. 8 (2), 93(2016).
- Doudin, K. I. Quantitative and qualitative analysis of biodiesel by NMR spectroscopic methods. Fuel. 284, 119114(2021).
- Prat, D., et al. Chem21 selection guide of classical-and less classical-solvents. Green Chem. 18 (1), 288-296 (2016).
- Ameen, M., et al. Prospects of catalysis for process sustainability of eco-green biodiesel synthesis via transesterification: A state-of-the-art review. Sustainability. 14 (12), 7032(2022).
- Malek, M. N. F. A., et al. Ultrasonication: A process intensification tool for methyl ester synthesis: A mini review. Biomass Conv Bioref. 13, 1457-1467 (2023).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
