植物油からのバイオディーゼル製品の超音波支援調製

要約

アルカリ性触媒を使用した植物油の安全な超音波支援エステル交換法がここで紹介されています。この方法は、純粋なバイオディーゼル製品を調製するために迅速かつ効率的です。

要約

植物油を持続可能な原料として利用し、この研究は、バイオディーゼル合成のための超音波支援エステル交換への革新的なアプローチを提示します。このアルカリ触媒法は、超音波を強力なエネルギー入力として利用し、エクストラバージンオリーブオイルのバイオディーゼルへの迅速な変換を促進します。このデモンストレーションでは、反応を周囲条件下で超音波浴中で15分間実行し、エクストラバージンオリーブオイルとメタノールの1:6モル比と触媒として最小限のKOHを必要とします。バイオディーゼルの物理化学的性質も報告されています。超音波支援エステル交換の顕著な利点を強調して、この方法は、反応および分離時間の顕著な短縮を示し、ほぼ完全な純度(~100%)、高収率、および廃棄物発生の無視。重要なのは、これらの利点は、安全性と環境の持続可能性を優先するフレームワーク内で達成されることです。これらの説得力のある調査結果は、植物油をバイオディーゼルに変換する際のこのアプローチの有効性を強調しており、研究と実用化の両方の実行可能なオプションとして位置付けられています。

概要

一般的な植物ベースの油脂から派生したバイオディーゼルは、石油への依存を軽減するための持続可能なソリューションとして浮上しています¹。この再生可能な代替品は、持続可能な資源に依存しながら、温室効果ガス、特に二酸化炭素の排出量を削減しています。さらに、バイオディーゼルは、その硫黄を含まない組成、無毒の性質、および生分解性を特徴とする石油ディーゼルよりも明確な利点を示します。従来の化石燃料の代替として、バイオディーゼルは、再生不可能な化石燃料への依存を減らし、気候変動の悪影響を軽減することにより、国連(UN)のネットゼロ政策と一致しています。バイオディーゼルは、現在のエネルギーニーズを満たすための有望な道筋を提供し、より環境に優しい未来のための強力な選択肢となっています²。

バイオディーゼル生産に使用される主な方法は、エステル交換、油脂中に見られるトリグリセリドが、^{高温条件下で触媒}の存在下でアルコール、通常はメタノールまたはエタノールと反応する化学プロセス1,2,3,4を含む。この反応により、バイオディーゼルの主成分である脂肪酸アルキルエステルが得られます。さまざまな種類の植物油がバイオディーゼル生産の主要な原料として機能し、これには食用油⁵(エクストラバージンオリーブオイルやコーン油など)と非食用油^6,7,8(ケーパーシードオイルなど)、および廃油⁹が含まれます。メタノールは比較的安価なアルコールであるため、このエステル交換プロセスに最も一般的に使用されます。さらに、硫酸、リン酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、またはリパーゼのような酵素などの一連の触媒を使用して、エステル交換プロセスを迅速化することができる1,2,3,4。従来、反応混合物は還流下で長時間(通常は30分以上)加熱されます。加熱は超音波ほどエネルギー効率が良くない一方で、安全上のリスクももたらします⁵。その結果、より安全で、より速く、よりエネルギー効率の高いエステル交換プロセスが求められています。

超音波照射は、主に音響キャビテーション¹⁰の現象により、熱、光、および電気などの従来のエネルギー源に対する優れた代替手段として浮上している。この現象は、気泡の形成、膨張、激しい崩壊を特徴とし、温度が約5000Kに達し、圧力が1000気圧の局所的なホットスポットを生成します。このような極端な条件は、急速な加熱および冷却速度(10¹⁰ K/s以上)と相まって、従来の手段では達成不可能と考えられていたものを含む、室温で効率的に発生する広範な化学反応に必要なエネルギーを提供する¹⁰。超音波支援合成は、さまざまな研究分野で急速に普及しています。特に、有機合成および固体材料における超音波支援合成への関心は、その環境に優しい性質、エネルギー効率、および周囲条件下での反応時間の短縮によって推進されています5,11,12,13,14,15,16 .ここでは、アルカリ性触媒を使用して植物油の安全な超音波支援エステル交換を行い、短期間で純粋なバイオディーゼル製品を生成するための迅速かつ効果的な技術を紹介します。エクストラバージンオリーブオイルは、この研究では実証媒体として機能しますが、超音波法は野菜油^5,17のスペクトルに適用性を保持していることに注意することが不可欠です。

プロトコル

1.油源と準備

1. 2.0 mLのHPLCグレードのメタノールを15 mLの遠心分離チューブに加えます。
   注意:メタノールは引火性の高い液体です。飲み込んだり、皮膚に触れたり、吸い込んだりすると毒性があり、目にダメージを与えます。メタノールを取り扱うときは、個人用保護具(PPE)を着用し、ドラフト内で使用してください。
2. KOHのペレット1個(~0.10g)を遠心分離管に加え、超音波洗浄機(40kHz)を使用して超音波をオンにするだけでKOH固体を溶解します。
   注意:KOHは飲み込むと有害です。重度の皮膚の火傷、目の損傷、および深刻な目の損傷を引き起こします。この物質を扱うときは、必ずPPEを着用してください。
   注意: 最適な結果を得るには、遠心分離管を水で満たされたビーカーの中に入れ、ビーカーを超音波浴内に配置します。この浸漬構成は、反応混合物の超音波照射への完全な曝露を保証し、その効果を最大化する。

2. エステル交換プロセス

1. 8.0mLのエクストラバージンオリーブオイルを遠心分離チューブに加えます。
2. 遠心分離管をキャップしてしっかりと閉じ、遠心分離管を激しく振って油とカリウムメトキシド溶液を混合します。
   注意: 遠心分離機のチューブを振るときは、遠心分離機のキャップをしっかりと保ってください。
3. キャップを緩め、遠心分離管を超音波浴に入れます。超音波浴を1分間オンにします。
4. 最初の1分後、遠心分離機のキャップをしっかりと閉じ、遠心分離機のチューブを再度激しく振ってください。
5. キャップを緩め、反応混合物をさらに14分間超音波浴に入れます。
6. 反応混合物を分離漏斗に移し、下部のグリセリン層を排出します。
7. 最上層を15mLの飽和NaCl溶液で3回洗浄し、エステルから余分なメタノールと残留触媒を洗い流します。最終洗浄のpHが中性であることを確認するには、pHペーパーでテストします。
8. 上部のバイオディーゼル層を乾燥した清潔なバイアルに移し、バイアルに無水Na₂SO₄を加え、混合物を渦巻き、バイオディーゼルが透明になるまで混合物を約15分間放置します。特性評価には透明なバイオディーゼル製品を使用してください。

3. バイオディーゼルの特性評価

1. フーリエ変換赤外(FT-IR)解析
   1. 4000-400 ^cm-1の広い範囲でFT-IRスペクトルを記録します。16回のスキャンを4 ^cm-1の分解能で共添加して、各サンプルを測定します。各サンプルスキャンの前に新鮮な空気スペクトルを取得することにより、バックグラウンド減算を実行します。これは、正確なベースライン補正とサンプル汚染の最小化を確保するためです。新しいサンプルの前に、メタノールを使用してATRプレートを洗浄し、糸くずの出ないワイプで乾かします。
2. 陽子核磁気共鳴(^1HNMR)解析
   1. バイオディーゼル製品の化学組成を分析するには、バイオディーゼルおよびエクストラバージンオリーブオイルの核磁気共鳴(NMR)スペクトルを室温で500MHzのNMR分光計に記録します。高分解能の5 mmダブルグラジエントプローブを使用して、0.05%テトラメチルシラン(TMS)を内部標準として含む0.7 mLの重水素化クロロホルム(_{CDCl 3})に50 mgのサンプルを溶解して、各サンプルを調製します。TOPSPINプログラムを使用して16回のスキャンを行い、0.0ppmのTMS標準を基準にして ^1HNMRスペクトルを取得します。
      注意:CDCl₃ は、飲み込むと有害であり、吸入すると有毒です。皮膚の炎症や深刻な目の炎症を引き起こします。この物質を扱うときはPPEを着用してください。
3. 粘度解析
   1. 5.75インチのガラス製パスツールピペット2本とピペットポンプ1台を用意します。
   2. ペンで各ピペットに2つのマークを付けます。一番上のマークはピペットの本体にあり、2番目のマークは先端から約2cm上の細いステムにあります。
   3. ピペットポンプを使用して、メニスカスを上部のマークにしたエクストラバージンオリーブオイルをピペットに充填します。
   4. ピペットポンプを取り外し、ストップウォッチを始動します。エクストラバージンオリーブオイルが下限に達すると、ストップウォッチを停止します。
   5. エクストラバージンオリーブオイルの代わりにバイオディーゼル製品を使用して、手順3.3.3と3.3.4を繰り返します。
   6. バイオディーゼルとエクストラバージンオリーブオイルの相対粘度を、ガラスピペットを通過するタイミングを計ることにより決定します。
      相対粘度=(オイル時間)/(バイオディーゼル時間)。
4. 燃焼性試験
   1. 長さ約2cmの綿紐をバイオディーゼルに浸し、別の綿紐をエクストラバージンオリーブオイルに浸します。それぞれの液体でストリングが完全に飽和していることを確認します。コーティングされた綿のひもをアルミホイルの上に置きます。
   2. 可燃性溶剤から離れた指定された実験室エリアで、各綿糸の発火のしやすさを評価し、生成される炎の品質を観察します。一方の綿紐がもう一方の綿紐よりも発火しやすいかどうかを判断します。どの液体が優れた吸湿発散能力を示し、どの液体がより強い燃焼に耐えるかを評価します。

結果

このデモンストレーションでは、KOHによって触媒されるエクストラバージンオリーブオイルとメタノールのエステル交換反応により、超音波浴で室温でバイオディーゼルが生成されます(図1)⁵。遠心分離管内の出発物質は、 図2Aに示すように、反応物が非混和性であり、2つの層に分かれていることを示しています。上層はメタノ?...

ディスカッション

このデモンストレーションでは、バイオディーゼルの塩基触媒による生産の超音波支援法が、最適な有効性のために解明されます。最適な結果を得るには、遠心分離管を水で満たされたビーカーの中に入れ、次にビーカーを超音波浴の中に置く必要があります。この浸漬構成は、反応混合物の超音波処理への完全な曝露を保証し、その効果を最大化する。必要に応じて、遠心分離機ラックを?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chloroform-d	Fisher Scientific	865-49-6	• Harmful if swallowed. • Causes skin irritation. • Causes serious eye irritation. • Toxic if inhaled. • Suspected of causing cancer. • Suspected of damaging fertility or the unborn child. • Causes damage to organs through prolonged or repeated exposure
Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic	Branson	89375-492
Methanol	Fisher Scientific Company	67-56-1	Highly flammable liquid and vapor. Toxic if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes damage to organs (Eyes).
Potassium hydroxide	Fisher Scientific Company	1310-58-3	May be corrosive to metals. Harmful if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. Causes serious eye damage
Sodium chloride	Sigma-Aldrich	7647-14-5	Not hazardous
Vegetable oils			A commonly consumed food with a long history of safe use in pesticides.