Eljárás kenőanyag előállítására zsírhulladékból gazdasági számítások

Átírás

1 EGYÉB HULLADÉKOK 6.8 Eljárás kenőanyag előállítására zsírhulladékból gazdasági számítások Tárgyszavak: zsírhulladék; kenőanyag; kísérleti eredmények; bioüzemanyag; gazdasági adatok. A hulladékba került élelmiszer- és vendéglátóipari zsiradékok kezelése Németországban ma nem kielégítő, és a legkevésbé sem felel meg az új hulladéktörvény zárt ciklusú gazdálkodásra vonatkozó követelményének. A felmerülő kezelési lehetőségek közül a hulladék zsír felhasználása takarmány gyártására Európa-szerte tilos a kergekór megjelenése miatt, energetikai hasznosítását korlátozza lassú lebomlása a reaktorban biogázzá, közvetlen elégetésekor tüzeléstechnikai nehézségeket okoz változó összetétele, s vele viszkozitása, dermedéspontja stb., a zsíradékokból (zsírsav-észterekből) átalakított üzemanyag ( zsírbiodízelolaj ) használata csak akkor vonzó, ha előállítását államilag támogatják, emellett műszakilag sem problémamentes, az olajkémiai iparnak viszonylag olcsón áll rendelkezésére kőolaj és friss, nem rafinált zsíradék. Európában több kutatócsoport, egy a német Szövetségi Anyagvizsgáló Intézetben (Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung, BAM) is foglalkozik hulladék zsírok hasznosításával biológiailag lebontható kenő- és hűtőkenő anyagok előállítására. A Németországban évente felhasznált több mint 1 Mt kenőanyagnak csupán 4%-a bomlik le ezen az úton, tehát előbb-utóbb a talajba és a talajvízbe kerül. A BAM a Berlini Szenátus Városfejlesztési Igazgatóságának megbízásából kereste a zsírhulladék kenőanyagokká való feldolgozásának technológiai megoldásait, energetikai és ökológiai szempontok figyelembevételével.

2 Zsiradékok (zsírsav-trigliceridek) átalakítása A zsírok és olajok kémiai alapreakcióit hosszú évek óta nagy méretben alkalmazza a vegyipar: zsír + víz zsírsavak + glicerin (zsírbontás, hidrolízis), (1) zsírsavak + alkohol észter + víz (észterezés), (2) zsír + alkohol észter + glicerin (átészterezés) (3) Ezek a reakciók 250 C körüli hőmérsékleten, Pa nyomáson vagy katalizátor jelenlétében játszódnak le. Újabban, főként energetikai okokból, enzimes katalízissel is kísérleteznek. Ilyen reakciókat tanulmányoznak a BAM kutatói is. Kísérleti program A zsiradékokból nyerhető zsírsav-észterek ( észterolajok ) alapvető tulajdonsága, jó kenőképességük mellett biológiai lebonthatóságuk, így besorolhatóságuk a 0-dik vízveszélyeztetési osztályba. Előállíthatók a fenti reakciók szerint egy (3), vagy két (1), (2) lépésben. A BAM kísérletei alapján megfelelő enzimmel az egyfokozatú eljárás bizonyult előnyösebbnek, főleg rövid (legfeljebb 90 perces) reakcióidejénél fogva. A kutatóknak eleve meg kellett alkudniuk a várhatóan nem minőségi termékkel, tekintettel a zsiradék előéletére, pl. mint kisütött ételek maradékára, amely különféle bomlástermékeket tartalmazhat. Ezek eltávolítása viszont költséges és nem mindig ésszerű. Kísérleti anyagok, eszközök, módszerek A kísérletek alapanyaga a hulladékból iparilag előállított (1. ábra) ún. technikai zsír, az átészterezést katalizáló enzim pedig a dán Novo Nordisk cégnek az előzetes összehasonlításokban legjobban bevált terméke volt. A kísérletekhez 1,5 literes laboratóriumi, majd egy 15 és egy keverőművel ellátott 100 literes kisüzemi reaktort használtak. A kiindulási és a céltermékek, valamint a folyamat jellemzésére egy a speciális zsírkémiai kívánalmakat kielégítő elemző rendszert fejlesztettek ki, amelynek részei: nagynyomású folyadékkromatográf és trigliceridek, digliceridek, monogliceridek, zsírsavak és észterek fényszóráson alapuló érzékeny megkülönböztetésére alkalmas detektor (diffrakciós spektrométer).

3 zsírhulladék gőz olvasztás, durva tisztitás durva szennyezések >10 mm statikus dekantálás vízfázis és szilárd anyag gőz feltárás hevítéssel vízfázis dekantálás, finom tisztítás szilárd maradék technikai zsír 1. ábra Zsírhulladék feldolgozása technikai zsírrá Eredmények A többirányú, számos vizsgálatsorozat közül példakénti kiemelésre és részleteinek közlésére érdemesnek találták a kutatók a technikai zsírból képzett 125 l 2-etil-1-hexanol-észter előállítását, a folyamat elemzési és az észterolaj használati eredményeit. A zsír + 2 etil-1-hexanol zsír-2-etil-1-hexanolészter + glicerin átészterezési reakció másik terméke, a glicerin, az enzim aktiválásához és annak hordozófázisaként szükségesnek bizonyult vízzel elegyedve, bizonyos állásidő után elkülönül a reaktor alján. Felül helyezkedik el az észter a moláris fölöslegben alkalmazott alkohol maradékával együtt. A két fázis teljes szétválása után az észterfázist le kell szívni, az enzimet tartalmazó vizes fázis a reaktorban marad a következő reakcióhoz. Egy részét azonban szintén el kell távolítani, hogy ne gyűljön össze túl sok, az enzimet hígító glicerin, a vele leszívott enzim mennyiségét pedig pótolni kell. Az előkísérletek alapján C-os hőmérsékleti intervallumban a reakció kvantitative lejátszódik kevesebb mint 90 perc alatt a kiindulási zsírmennyiségre számított 0,6% enzimmel. A végtermékről vákuumban lepárolták az alkohol fölöslegét és a benne oldott kevés vizet. Elemzések A kiindulási technikai zsír kromatogramján (ill. annak diffrakciós spektrumán) a trigiceridek nagy csúcsa mellett azonosították ezek kis mennyiségű

4 hidrolízistermékeit, a mono- és diglicerideket. A reakcióelegyből 30, 60 és 90 perc után kivett mintákban uralkodók a zsír 2-etil-1-hexanol-észterei, mégpedig: az olajsav, a palmitinsav, a linolsav, a linolénsav és a sztearinsav észtere, különböző tartózkodási időkkel. Ha az el nem észtereződött szabad zsírsavak bizonyos arányú jelenléte nem zavar, akkor előbb is abba lehet hagyni a reakciót. Kipróbálás Az új anyagot ún. elvesző kenőolajként (amelynek közepes kenőképesség mellett környezetkímélőnek kell lennie) motorfűrész kenésére próbálták ki. (Ezeket a kenőanyagokat kétütemű motorok üzemanyagához keverve használják, és azok működés közben a kipufogógázzal együtt távoznak.) E célra Németországban kb. 10 E t olaj fogy el. A kipróbálás terepen, az Erdészeti és Fakitermelési Felügyelet ellenőrzése és tapasztalatainak regisztrálása mellett folyt. A gyakorlatban a kísérleti eredmények reprodukálhatósága korlátozott, a fűrészkezelő, a fafajta, a munkamódszer stb. befolyása nem engedi meg az objektív összehasonlítást, jól megítélhető azonban, hogy a termék az adott feltételek mellett megfelel-e a követelményeknek. A legfontosabb megítélési tényező a vágókészlet kopása. Ezért a kipróbáláshoz a felügyeletnél használatos 7 motorfűrész típusát 4 telephelyen felszerelték új sínekkel és láncokkal, használat után pedig lemérték a lánchosszakat és a vezetősínek kopását. A fűrészkezelők mindenütt szóvá tették a kenőanyag kis viszkozitását, amelynek következtében igen erős volt a porlasztott felhőképződés. Az érintkező anyagok felületén nem észleltek sérülést, de ehhez rövid volt a használat, valószínű, hogy hosszabb idő alatt az észter károsítja a gumielemeket. Feltűnően jól oldja viszont a szennyezést, a megkent fémfelület használat (még gyantás fenyőfa feldolgozása) után is csillogott. A sínek és láncok elfogadható mértékben koptak, egyszer sem kellett láncszakaszokat cserélni (ami akkor válik szükségessé, ha a lánc kenéshiány miatt túlságosan megnyúlik). Az eredményeket összegezve megállapítható, hogy a vizsgált termék eléri a repceolaj használati tulajdonságait (1. táblázat), sőt hidegtűrés és öregedés (s az azt tükröző jódszám) tekintetében felül is múlja a natív adalékolt repceolajat. Alacsony viszkozitása nyáron kellemetlen lehet, de nem befolyásolja a felhasználást. A termék láncfűrészkenésre alkalmas, rosszabb mutatóin szintén adalékolással lehet javítani.

5 Bio-üzemanyagok fő mutatóinak összehasonlítása 1. táblázat Tulajdonság, mutató Zsír-2-etil-1- hexanol-észter Repceolaj Repceolajmetil-észter* Sűrűség, g/cm 3 0,876 0,919 0,875-0,900 Szín (ASTM 3,0 2,0 Viszkozitás, mm 2 /s 20 C 40 C 100 C 22,2 11,6 3,4 36,0 3,5-5,0 8,2 Viszkozitási index (VI) Savszám, mg KOH/g <10 <1 max. 0,5 Elszappanosítási szám, mg KOH/g Jódszám, g J 2 /100 g max. 115 Víztartalom Fischer szerint, ppm 270 max. 300 Dermedéspont, C Lobbanáspont, C min. 110 Kenőképesség Brugger szerint, N/mm Öregedési stabilitás, h (80 C-os tárolás) Hidegtűrés C (tárolás 7 napig) Zsírsavösszetétel, % C16: 0 C18: 0 C18: 1 C18: 2 C18: * A dízelüzemanyag zsírsav-metilészterből c sz. DIN szabvány határértékei Gazdasági szempontok Az új üzemanyag gyártásának gazdasági számításaihoz év közepén érvényes németországi piaci árakat, 1500 kg/h gyártóteljesítményt (végtermék-kibocsátást), valamint 250 évi munkanapot, két 7 órás termelésű, 1 órás karbantartású műszakkal vettek figyelembe (2., 3. táblázat). Az észter előállítási költségéből 80% jut a nyersanyagra, ennek pedig a fele az alkoholra (a 2-etil-1-hexanolra). Az is látható a tételek összehasonlításából, hogy maga a kémiai folyamat a beruházással és az energiánál sokkal kisebb összegeket igényel.

6 Technikai zsír előállítási költsége, euró 2. táblázat Tételek Beruházási költség (leírásokkal) Energia Nyersanyag Munkaerő Karbantartás Hulladékkezelés Technológiabiztosítás Kamat, törlesztés Termelési költség 1 órára 1 kg gyártott termékre 48,70 0,032 14,57 0,010 38,35 0,038 10,00 0,007 10,00 0,007 37,50 0,025 1,67 0,001 60,78 0, ,00 0,16 A zsír-2-etil-1-hexanol-észter előállítási költsége, euró 3. táblázat Tételek Beruházási költség (leírásokkal) Energia Nyersanyag Munkaerő Karbantartás Technológiabiztosítás Kamat, törlesztés Termelési költség 1 órára 1 kg gyártott termékre 43,83 21,10 601,50 20,00 10,00 1,525 55,23 0,029 0,014 0,401 0,013 0,007 0,001 0, ,0 0,502 A kísérleti eredmények és költségszámítások alapján speciális motorkenőanyag gyártása élelmiszer- és vendéglátóipari hulladék zsírból műszakilag és gazdaságilag reális, ökológiailag előnyös. A láncfűrészkenésre jelenleg használatban levő, 4 5 euró/l áron forgalmazott adalékolt repceolajok állami támogatásának elmaradása esetén a zsírészter gazdasági előnye is számottevő lehet. (Dr. Boros Tiborné) Brenneis R.;Kaher, P.: Untersuchungen zur Herstellung von biologisch abbaubaren Verlustschmierstoffen aus Altfetten. = Müll und Abfall, 34. k. 5. sz p Willing, A.: Oleochemical esters environmentally compatible raw materials for oils and lubricants from renewable resources. = Fett/Lipid, 101. k. 6. sz p. S192 S198.

7 Egyéb irodalom Tuncan, M.; Tuncan, A.; Cetin, A.: The use of waste materials in asphalt concrete mixtures. (Hulladék alkalmazása aszfalt beton keverékekbe.) = Waste Management and Research, 21. k. 2. sz ápr. p Matyus, T.; Gleiss, A.; Gruber, K.: Data reconciliation, structure analysis and simulation of waste flows: Case study Vienna. (Hulladékáramok adategyeztetése, szerkezeti elemzése és szimulálása: bécsi esettanulmány.) = Waste Management and Research, 21. k. 2. sz ápr. p