jako potencjalny surowiec do produkcji FAME

Wraz ze wzrostem popularności estrów jako paliwa silnikowego, coraz częściej mówi się o alternatywnych źródłach ich pozyskiwania. W krajach takich jak np. Stany Zjednoczone, Australia czy Nowa Zelandia, do produkcji FAME są wykorzystywane tłuszcze zwierzęce będące odpadem przemysłu masarskiego czego lub przetwórczego. Wzrost zainteresowania tym surowcem spotęgował fakt, że w związku z zagrożeniem spowodowanym chorobą BSE (Bovine Spongiform Encephalopathy) prawie zakazano wykorzystywania tłuszczów zwierzęcych jako dodatków do pasz. Ograniczenie to przyczyniło się do wzrostu dostępności tego produktu na rynku, przez co coraz częściej stanowi on bazę surowcową do produkcji estrów wyższych kwasów tłuszczowych. W związku z coraz powszechniejszym zastosowaniem FAME, wymagania jakościowe, jakie muszą spełniać estry stosowane jako biokomponent lub samoistne paliwo do silników ZS, są określone w normie EN 14214. Parametry te zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wymagania stawiane dla właściwości fizykochemicznych FAME jako paliwa silnikowego.

Alternatywne surowce do produkcji FAME
Alternatywnymi surowcami do produkcji FAME mogą być tłuszcze zwierzęce, które w porównaniu do olejów roślinnych zawierają kwasy nasycone oraz odpadowe tłuszcze posmażalne, jako tłuszcze “przepracowane”. W tabeli 2 przedstawiono skład kwasów tłuszczowych w niektórych olejach roślinnych i tłuszczach zwierzęcych.

Właściwości fizykochemiczne tłuszczów wytwarzanych z czystego smalcu wieprzowego w większości przypadków charakteryzują się zbliżonymi lub lepszymi parametrami niż właściwości estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Większy stopień nasycenia w przypadku estrów pochodzenia zwierzęcego powoduje spadek ich reaktywności, przez co produkty te są bardziej odporne na utlenianie, jako jeden z głównych problemów podczas ich przechowywania. Podstawową wadą estrów pochodzenia zwierzęcego jest ich wysoka temperatura topnienia. Głównie z tego właśnie powodu nie mogą być użyte bezpośrednio jako paliwo. Najczęściej stosuje się mieszanki FAME pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, które z kolei można wykorzystać jako czysty biodiesel, lub traktować jako komponent oleju napędowego. Tłuszcze te wymagają specjalnego przygotowania do procesu trans estryfikacji. Typowy proces transestryfikacji przedstawiono na rysunku 1.
Kolejnym surowcem do produkcji estrów mogą być odpadowe tłuszcze posmażalne, jako tłuszcze “przepracowane”. Głównymi atrybutami włączenia wspomnianych tłuszczy do produkcji FAME to ich łatwa dostępność, niska cena i względy ekologiczne. Niewłaściwa utylizacja tłuszczów i olejów posmażalnych może doprowadzić do tego, że spora ilość tych produktów może być kierowana do sieci ściekowej, ulegając przemianie do mydeł wapniowych, a tym samym stwarzając trudności w przesyłaniu i oczyszczaniu ścieków. Dlatego ich zbiórka i dalsza przeróbka na estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych ma swoje uzasadnienie zarówno ze względów energetycznych, jak i ekologicznych. Aby wykorzystać ten rodzaj tłuszczów do produkcji biopaliw, należy “usunąć” z nich jak najszybciej po zbiórce części hydrofilowe (białka i węglowodany). Unika się w ten sposób hydrolizy tłuszczów i tworzenia się wolnych kwasów tłuszczowych. Innym problemem z jakim można się spotkać jest stały stan skupienia niektórych tłuszczów posmażalnych. Przeprowadzenie zbiórki tłuszczów posmażalnych w gospodarstwach domowych przysparza wiele trudności natury organizacyjnej. W związku z tym, największe szanse do wykorzystania mają tłuszcze składowane w punktach gastronomicznych, w których średnie zużycie tłuszczu do smażenia jest nie mniejsze niż 50 dm3. Wśród tłuszczów stosowanych do głębokiego smażenia, zwykle w zakresie temperatur od 160 do 190 °C, można wymienić tłuszcze zwierzęce, roślinne, uwodornione lub modyfikowane genetycznie oleje roślinne oraz ich mieszaniny. Należy podkreślić, że oleje posmażalne różnią się chemicznie od olejów roślinnych ze względu na dodatki stosowane w gastronomii. Jakość tłuszczy posmażalnych (OTP) zależy zarówno od tłuszczu wyjściowego zastosowanego do smażenia (tzw. frytury ), warunków przebywania w wysokiej temperaturze, jak również od dodatków zabezpieczających przed ich przemianami, np. antyutleniacze lub środki przeciwpienne.

Rys. 1. Etapy procesu estryfikacji oleju rzepakowego.

Przemiany w tłuszczach zachodzące podczas smażenia
Tłuszcze smażalnicze ulegają rozkładowi pod wpływem działania wysokiej temperatury, wody i tlenu atmosferycznego. Konsekwencją tych procesów są zmiany właściwości fizykochemicznych tłuszczów. Tempo rozkładu frytur zależy głównie od rodzaju smażonego produktu, składu chemicznego tłuszczu oraz od warunków prowadzenia procesu smażenia. Tłuszcze i oleje smażalne w trakcie używania ulegają wielorakim przemianom chemicznym. Najbardziej charakterystyczne to: utlenianie, polimeryzacja termiczna i hydroliza. Za wskaźnik jakości tłuszczów smażalnych uważana jest obecnie zawartość związków polarnych (rysunek 2), a więc suma związków nie będących triglicerydami. Terminem tym określa się całkowitą ilość produktów powstałych wskutek utleniania tłuszczów ogrzewanych oraz pewne związki o charakterze polarnym, obecne w tłuszczach niepoddanych działaniu wysokich temperatur, takie jak wolne kwasy tłuszczowe, mono- i diglicerydy, sterole, tokoferole i inne rozpuszczalne w tłuszczach związki o polarności wyższej niż triglicerydów. Z rysunku 2 wynika, że zawartość głównego składnika, czyli triglicerydów maleje kosztem powstających związków niepożądanych. Oprócz zmian barwy, degradacja chemiczna powoduje zmiany jego gęstości i lepkości. Przyczyną tych zmian jest przede wszystkim polimeryzacja, ale także reakcje oksydacji, hydrolizy i izomeryzacji. Zmianom lepkości tłuszczu towarzyszy często zjawisko pienienia się. Jest ono wynikiem działania polimerów i trymerów, a także reakcji zachodzących pomiędzy wolnymi kwasami tłuszczowymi a jonami sodu i potasu obecnymi w smażonym produkcie.

Tabela 2. Skład kwasów tłuszczowych olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych.

Wprowadzenie biodiesla na rynek paliw silnikowych jest związane z ewidentnymi korzyściami dla środowiska naturalnego, poprawy bilansu energetycznego kraju i stwarza szansę rozwoju rolnictwa. W odniesieniu do silników Diesla rozważa się zastosowanie paliw pochodzących z roślin oleistych, ale również zagospodarowanie tłuszczów zwierzęcych i posmażalnych (“tłuszcze przepracowane”). Zagospodarowanie tłuszczów zwierzęcych i posmażalnych w zakresie produkcji estrów wyższych kwasów tłuszczowych musi być poprzedzone wnikliwą oceną laboratoryjną z punktu widzenia ich praktycznego wykorzystania. Zwiększony udział objętościowy olejów jadalnych posmażalnych w procesie estryfikacji oleju rzepakowego wiąże się z pogorszeniem właściwości niskotemperaturowych produktu finalnego (FAME). Głównymi argumentami na rzecz zagospodarowania tłuszczów zwierzęcych i olejów posmażalnych jako potencjalnych surowców w produkcji FAME to niska cena, dostępność surowca i względy ekologiczne.

Rys. 2. Zmiana składu tłuszczu smażalnego w trakcie użytkowania.

Janusz Jakóbiec
Leszek Konstantynowicz