DE102005002700A1

DE102005002700A1 - Zusammensetzungen verwendbar als Biotreibstoff

Info

Publication number: DE102005002700A1
Application number: DE102005002700A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Schörken; Diana Stuhlmann; Carolin Meyer; Matthias Dr. Hof; Nigel Cooban
Original assignee: Cognis Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Cognis IP Management GmbH
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-07-27
Also published as: JP2008527154A; JP5094413B2; CA2595007A1; CN101479372B; WO2006077023A3; EP1838822A2; WO2006077023A2; MX2007008658A; CN101479372A; US20080153143A1; US7799544B2; BRPI0606422A2

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Zusammensetzung, enthaltend Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Diglyceride, die einen Glyceringehalt an freiem Glycerin von maximal 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung, hat. DOLLAR A Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Monoglyceriden vorgeschlagen, bei dem Triglyceride in Anwesenheit von Alkoholen mit einer Anzahl von Kohlenstoffatomen von 1-8 C-Atomen mit einer Esterase enzymatisch umgesetzt werden, welche durch Zugabe von alkalischen Salzen aktiviert wird. Zusätzlich werden Zusammensetzungen, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, vorgeschlagen sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen als Biodiesel oder als Additiv in Treibstoffzusammensetzungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Glyceride. Sie betrifft Zusammensetzungen enthaltend Fettsäureester und Monoglyceride sowie deren Herstellung durch enzymatische Katalyse und deren Verwendung als Biotreibstoff.

In Treibstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis, also z.B. Gasölen, Heizölen, Benzin, Diesel, Kerosin etc., werden zahlreiche Additive eingesetzt. So sind neben Zusätzen zum Korrosionsschutz und zur Schmierfähigkeit auch Fließverbesserer oder Verbindungen bekannt, die die Emissionswerte von Gasen wie CO, CO₂ oder NO_x verbessern.

Das Europäische Parlament hat mit der Direktive 2003/30/EC Artikel 3.1 (b), erlassen, dass alle Diesel-Treibstoffe ab dem 31.12.2005 2% Bio-Treibstoff enthalten. Dieser Anteil soll bis zum 31.12.2010 auf 5,75% steigen.

In dieser Direktive wird Bio-Treibstoff in Artikel 2.2 wie folgt definiert: Bio-Ethanol, Rapsölmethylester (RSME), Biogas, Biomethanol, Biodimethylether, Biowasserstoff, synthetische Biotreibstoffe und rein pflanzliche Öle.

Im allgemeinen wird als Biodiesel Rapsölmethylester (RSME) verwendet. Es ist bereits möglich, dass Motoren mit reinem Biotreibstoff gemäß EU-Direktive betrieben werden. Wahrscheinlich ist jedoch die Zumischung von bis zu 2% RSME zu normalem Diesel zur Erfullung der EU-Direktive.

Die Produktion dieses RSME besteht in der Umwandlung des natürlichen Triglycerides in einen Methylester oder auch Ethylester. Das Nebenprodukt bei diesem Herstellweg ist rohes Glycerin. Bei der Herstellung von einer Tonne Biodiesel als Rapsmethylester entstehen 100 kg freies Glycerin. Mit dem wachsendem Anteil von Biodiesel wird die Verfügbarkeit von Glycerin größer. Da Glycerin eine limitierte Marktgröße besitzt, die schon durch bisherige Produktionen abgedeckt wird, entsteht eine Entsorgungsproblematik. Dieser Umstand beschränkt möglicherweise die übliche Herstellungsroute für Biodiesel, da Glycerin nicht mehr als zusätzlicher Verdienst eingerechnet werden kann, was diese Route wirtschaftlich unattraktiv machen wird.

Ein hoher Anteil von Glycerin stört die Brennleistung des Diesels und des Biodiesels, sodass eine Abtrennung des Glycerin erfolgen muss.

Eine Aufgabe hat nun darin bestanden, Biotreibstoff zur Verfügung zu stellen, der den Richtlinien des Europäischen Parlamentes entspricht und bei dem das Glycerin als Derivat vorliegt und damit möglichst wenig freies Glycerin als Nebenprodukt bei dem Herstellprozess entsteht. Das Verfahren zur Herstellung sollte möglichst umweltfreundlich und wirtschaftlich sein.

In der chemischen und biochemischen Synthese werden vermehrt Enzyme als Katalysatoren eingesetzt. So werden in vielen Fällen aufgrund der oft milderen Reaktionsbedingungen bereits in großtechnischen Verfahren Hydrolasen, speziell Lipasen (EC 3.1.1.3) zur Fettspaltung oder Umesterung eingesetzt.

Diese Enzyme werden von unterschiedlichen Mikroorganismen produziert. Zur Isolierung der Enzyme folgt nach der Fermentation der Mikroorganismen ein aufwendiges Reinigungsverfahren.

Der Effektivität dieser Katalysatoren stehen oftmals die hohen Kosten der Produktion und der Isolierung gegenüber, so dass Forschungsgruppen immer wieder bestrebt sind die Ausbeuten an Enzymen zu erhöhen oder die Produktivität der Enzyme zu steigern.

Die klassische chemische Methode der Monoglyceridherstellung verläuft über eine basekatalysierte Glycerolyse von Triglyceriden, wobei typischerweise eine Ausbeute von 40–60% Monoglycerid bezogen auf die Gesamtglyceride erhalten werden. Eine weitere Anreicherung bis auf >90% Monoglyceridgehalt erfolgt über physikalische Trennmethoden wie Molekulardestillation oder Kristallisation.

Enzymatisch sind in der Literatur verschiedene Routen beschrieben worden, die zur Herstellung von Monoglyceriden geeignet sind: 1) die enzymatische Synthese ausgehend von Fettsäure und Glycerin; 2) die enzymatische Glycerolyse ausgehend von Triglycerid und Glycerin, die dem chemischen Verfahren entspricht; 3) die 1,3-regioselektive Hydrolyse oder Alkoholyse von Triglycerid. Zusammenfassungen zu den Verfahren finden sich z.B. in ((a) Recent Res. Devel. Oil Chem., 3 (1999), 93-106; (b) Hydrolases in Organic Synthesis, Wiley-VCH (1999), eds. Bornscheuer & Kazlaukas).

Die enzymatische Synthese von Monoglyceriden funktioniert nur gut unter Entfernung von Wasser aus dem Reaktionsgleichgewicht, was durch Zugabe von Molekularsieb oder durch eine Reaktion unter Vakuum erreicht wird. Zudem werden Lösungsvermittler für eine gute Synthese benötigt ((a) Recent Res. Devel. Oil Chem., 3 (1999)). Daher ist die enzymatische Synthese von Monoglyceriden keine kostengünstige Alternative zum chemischen Verfahren. Die enzymatische Glycerolyse führt zu ähnlichen Gleichgewichtseinstellungen wie die chemische Glycerolyse zur Monoglyceridherstellung. Für eine Synthese von angereicherten Monoglyceriden (Gehalt >60%) ist daher auch eine Anreicherung über Destillation oder Kristal lisation notwendig. Damit ist auch dieses Verfahren keine kostengünstige Alternative zum chemischen Verfahren.

WO9013656 und WO9004033 (Enzytech Inc.) sowie US5935828 und US5316927 (Opta Food Ingredients Inc.) beschreiben die Herstellung von Monoglyceriden über enzymatische Alkoholyse mit verschiedenen Alkoholen und wenig Wasser im Ansatz. Eingesetzt werden Lipasen in Pulverform oder immobilisiert. In den Beispielen werden Lipasen in etwa 20 Gew.% bezogen auf das Triglycerid eingesetzt und die Alkoholkomponente im 20fachen Überschuß.

Die WO9116441, WO9116442 und US5116745 beschreiben Verfahren, bei dem in Anwesenheit eines Lösungsmittels, eines Alkohols und eines wässrigen Puffers eine gemischte regioselektive Alkoholyse und Hydrolyse zu 1,2-Diglyceriden und 2-Monoglyceriden unter Verwendung von Lipasen erfolgt.

EP407959 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Monoester durch eine thermostabile immobilisierte Lipase in Gegenwart von sekundären oder tertiären Alkoholen als Lösungsvermittler.

WO0206505 (Nippon Suisan Kaisha Ltd) beschreibt die regioselektive Alkoholyse mit immobilisierter Lipase bei hohem Alkoholüberschuß und hoher Enzymeinsatzkonzentration, gefolgt von einer Wiederveresterung des Monoglycerids.

JP03108489 und JP03187385 (Meito Sangyo Co. Ltd.) beschreiben die regioselektive Hydrolyse von Triglyceriden mit alkaliner Lipase unter Zugabe von alkalischen Salzen. Es handelt sich um eine Lipase, die nur unter alkalischen Bedingungen aktiv ist.

JP03103499 (Meito Sangyo Co. Ltd.) beschreibt die regioselektive Alkoholyse von PUFA-Triglyceriden mit Isobutanol in Anwesenheit einer alkalischen Lipase.

Die enzymatische Herstellung von Monoglyceriden wurde schon vielfach beschrieben, doch in allen oben genannten Dokumenten werden Lösungsmittel benötigt, das Reaktionswasser muss aufwendig entfernt werden oder die Lipasen sind sehr speziell bzw. immobilisiert. Durch die teilweise niedrigen Reaktionsraten im Vergleich zur klassisch chemischen Synthese werden lange Reaktionszeiten und damit hohe Kapazitätsauslastungen oder hohe Konzentrationen an zu reagierenden Alkohol oder an Lipase benötigt um eine höhere Ausbeute an gewünschten Monoglyceriden zu erhalten. Auch wenn kostengünstige Lipasen zum Einsatz kommen, führt dass zu Verfahren, die einen industriellen Prozess schon allein aus Kostengründen unmöglich machen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat nun zum einen darin bestanden, Biotreibstoff zur Verfügung zu stellen, der den Richtlinien des Europäischen Parlamentes entspricht und bei dem das Glycerin als Derivat vorliegt und damit möglichst wenig freies Glycerin als Nebenprodukt bei dem Herstellprozess entsteht. Das Verfahren zur Herstellung sollte möglichst umweltfreundlich und wirtschaftlich sein. Daraus resultierte als weitere Aufgabe eine kosten günstige Variante zu finden um die Ausbeute an Monoglyceriden und Diglyceriden aus Polyolestern wie beispielsweise Triglyceriden bei enzymatischen Alkoholysen zu erhöhen und den Gehalt an Enzym möglichst gering zu halten.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Zusammensetzung enthaltend Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Diglyceride, die einen Glyceringehalt an freien Glycerin von maximal 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung hat.

Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass Zusammensetzungen die die genannten Komponenten in der Mischung enthalten und maximal 2 Gew.-% freies Glycerin enthalten, die Aufgabe der Erfindung hervorragend lösen. Bevorzugt ist ein maximaler Glyceringehalt von maximal 1,3 Gew.-% und besonders bevorzugt von maximal 1,0 Gew.-%, wobei die Auswertung über Flächenprozent bei der GC-Analytik erfolgt und die Werte für Glycerin aufgrund der starken Absorption kalibriert werden müssen.

In einer besonderen Ausführungsform hat die Zusammensetzung einen Monoglyceridgehalt von mindestens 10 Gew.-%, und/oder ein Triglyceridgehalt von maximal 5 Gew.-% und/oder eine Säurezahl von maximal 5 bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung. Bevorzugt ist ein Monoglyceridgehalt von mindestens 25 Gew.-%.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform enthält die Zusammensetzung Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Diglycerid in Mengenverhältnissen von:

Die Auswertung der prozentualen Gewichtsanteile erfolgt durch die Flächenprozente bei der GC-Analyse.

Eine weitere besondere Ausführungsform sind Zusammensetzungen bei denen die Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und/oder Diglyceride Fettsäureester darstellen aus gesättigten oder ungesättigten, linearen oder verzweigten Fettsäuren mit einem Alkylrest mit 8–22 C-Atomen.

Besonders bevorzugt im Sinne der Erfindung sind solche Fettsäureester, die aus Pflanzenölen gewonnen werden können wie beispielsweise Linoleat, Oleat, Palmitat, Stearat und/oder Pelargonat.

Ungesättigte Vertreter sind beispielsweise Laurolein-, Myristolein-, Palmitolein-, Petroselaidin-, Öl-, Elaidin-, Ricinol-, Linol-, Linolaidin-, Linolen- Gadolein-, Arachidon und Erucasäureester. Auch Mischungen der Methylester und/oder Ethylester dieser Säuren sind geeignet. Bevorzugte Öle zur Gewinnung der Fettsäureester sind Sonnenblumenöl, Rapsöl, Distelöl, Sojaöl, Leinöl, Erdnussöl, Talge, Olivenöl, Rizinusöl und Palmöl.

Erdnussöl enthält durchschnittlich (bezogen auf Fettsäure) 54 Gew.-% Ölsäure, 24 Gew.-Linolsäure, 1 Gew.-% Linolensäure; 1 Gew.-% Arachinsäure, 10 Gew.-% Palmitinsäure, sowie 4 Gew.-% Stearinsäure. Der Schmelzpunkt beträgt 2 bis 3°C.

Leinöl enthält typischerweise 5 Gew.-% Palmitin-, 4 Gew.-% Stearin-, 22 Gew.-% Öl-, 17 Gew.-% Linol- und 52 Gew.-% Linolensäure. Die Iodzahl liegt im Bereich von 155 bis 205, Die Verseifungszahl ist 188 bis 196 und der Schmelzpunkt liegt bei etwa –20°C.

Olivenöl enthält überwiegend Ölsäure. Palmöl enthält als Fettsäurekomponenten etwa 2 Gew.-% Myristin-, 42 Gew.-% Palmitin-, 5 Gew.-% Stearin-, 41 Gew.-% Öl-, 10 Gew.-% Linolsäure.

Rapsöl enthält als Fettsäurekomponenten typischerweise etwa 48 Gew.-% Erucasäure, 15 Gew.-% Ölsäure, 14 Gew.-% Linolsäure, 8 Gew.-% Linolensäure, 5 Gew.-% Icosensäure, 3 Gew.-% Palmitinsäure, 2 Gew.-% Hexadecensäure und 1 Gew.-% Docosadiensäure. Rapsöl aus neuer Züchtung ist bezüglich der ungesättigten Anteile angereichert. Typische Fettsäureanteile sind hier Erucasäure 0,5 Gew.-%, Ölsäure 63 Gew.-%, Linolsäure 20 Gew.-%, Linolensäure 9 Gew.-%, Icosensäure 1 Gew.-%, Palmitinsäure 4 Gew.-%, Hexadecensäure 2 Gew.-% und Docosadiensäure 1 Gew.-%.

Ricinusöl besteht zu 80 bis 85 Gew.-% aus dem Glycerid der Ricinolsäure, daneben sind zu etwa 7 Gew.-% Glyceride der Öl-, zu 3 Gew.-% Glyceride der Linol- und zu etwa 2 Gew.-% die Glyceride der Palmitin- und der Stearinsäure enthalten.

Sojaöl enthält zu 55 bis 65 Gew.-% der Gesamtfettsäuren mehrfach ungesättigte Säuren, insbesondere Linol- und Linolensäure. Ähnlich ist die Situation beim Sonnenblumenöl, dessen typisches Fettsäurespektrum, bezogen auf Gesamtfettsäure wie folgt aussieht: ca. 1 Gew.-% Myristin-, 3 bis 10 Gew.-% Palmitin-, 14 bis 65 Gew.-% Öl- und 20 bis 75 Gew.-% Linolsäure.

Alle obigen Angaben über die Fettsäureanteile in den Triglyceriden sind bekanntermaßen abhängig von der Qualität der Rohstoffe und können daher zahlenmäßig schwanken.

Die Fettsäurezusammensetzung in dem Gemisch ergibt sich aus der jeweiligen nativen Fettsäurezusammensetzung des verwendeten Pflanzenöles sowie der jeweiligen Qualität des Rohstoffes aus dem die Methyl- und/oder Ethylester sowie die Monoglyceride hergestellt werden.

Ein weitere Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Monoglyceriden, bei dem Triglyceride in Anwesenheit von Alkoholen mit einer Anzahl an Kohlenstoffatomen von 1–8 C-Atomen mit einer Esterase enzymatisch umgesetzt werden, welche durch Zugabe von alkalischen Salzen aktiviert wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass die Zugabe von alkalischen Salzen Esterasen aktivieren kann und dadurch im Vergleich zu bekannten Verfahren eine erhöhte Ausbeute an Monoglyceriden bei der Alkoholyse von Triglyceriden erreicht werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Triglycerid in Anwesenheit eines Alkohols in ein 2-Monoglycerid und zwei Fettsäureester gespalten.

Mit diesem Verfahren lässt sich in hervorragender Weise die erfindungsgemäße Zusammensetzung herstellen.

Die Reaktion kann durch den Einsatz von geringen Mengen an Esterase, bevorzugt Lipase sehr kostengünstig durchgeführt werden. Die Reaktion wird direkt mit dem Enzymkonzentrat unter Zugabe von einem alkalischen anorganischen Salz durchgeführt, dass eine starke Aktivierung des Enzyms bewirkt. Hierdurch wird eine gute Umsetzung bei geringer Enzymdosierung auch ohne Stabilisierung des Enzyms durch Immobilisation erreicht. Eine Zugabe von Lösungsmitteln ist nicht notwendig.

Die Alkoholyse wird bei Temperaturen von 10° bis 40°C, bevorzugt bei 10° bis 30°C und zur Erhaltung der optimalen Regioselektivität und Aktivität besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 15° bis 25°C durchgeführt.

Die Reaktion wird bei einem Wassergehalt von 0,1–10 Gew.-%, bevorzugt 0,1–5 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,1–2 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Triglycerid durchgeführt, wobei der Wassergehalt der flüssigen Enzympräparation mit einberechnet ist. Die Reaktion funktioniert auch bei höheren Wassergehalten, allerdings ist dann der Gehalt an gebildeter freier Fettsäure erhöht. Hohe Anteile an freier Fettsäure sind nicht gewünscht, da sie in der Verwendungsform Biodiesel bei hohen Temperaturen gegebenenfalls korrosiv auf Motorenteile wirken können.

Die Reaktionszeit beträgt bevorzugt 12–48 h in Abhängigkeit der eingesetzten Enzymkonzentration. Bevorzugt werden alle Reaktanden vermischt und die Reaktion durch Zugabe der Enzympräparation gestartet.

Die Zugabe der Alkoholkomponente, bevorzugt Methanol und/oder Ethanol, Ethanol bevorzugt, erfolgt entweder komplett am Anfang oder über den Reaktionszeitraum dosiert.

Die eingesetzte Alkoholmenge ist variabel, Minimum 2 Mol Alkohol auf 1 Mol Öl, Maximum 50 Gew% Alkohol und 50 Gew% Öl im Ansatz.

In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Esterase durch die Hitze deaktiviert und anschließend die präzipitierte Esterase gegebenenfalls abfiltriert werden, wobei neben der präzipitierten Esterase die Entfernung von Additiven oder Formulierungsbestandteilen der eingesetzten Enzympräparation erreicht werden kann.

Folgende optionale Schritte können dem erfindungsgemäßen Verfahren angeschlossen werden.

– Zugabe von wasseradsorbierenden Mitteln während der enzymatischen Reaktion zur Unterdrückung der Bildung von freien Säuren
– Filtration des Reaktionsgemischs über Filterhilfsmittel zur Entfernung von Additiven bzw. Bestandteilen der Enzymformulierung
– Raffination des Produktgemisches mit Wasser zur Entfernung von freiem Glycerin, dass in geringen Mengen als Nebenprodukt entsteht

Durch den emulgierenden Charakter der gebildeten Monoglyceride bleiben evtl. gebildete Fettsäuren, freies Glycerin sowie geringe Anteile von Wasser im Produkt einphasig gelöst.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird Alkohol und/oder Wasser teilweise oder vollständig entfernt. Bevorzugt ist hier die destillative Abtrennung. Bei der Destillation kann ebenso noch vorhandenes freies Glycerin abgetrennt werden, welches in geringen Mengen als Nebenprodukt entsteht.

Versuche haben gezeigt, dass auch nach Blending des Biodiesels mit Diesel diese Komponenten im Diesel gelöst bleiben, was durch die emulgierende Wirkung des Monoglycerids vermittelt wird.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendenden Esterasen sind bevorzugt solche, die aus einen Organismus stammen, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Thermomyces lanugenosus, Candida antarctica A, Candida antarctica B, Rhizomucor miehei, Candida cylindracea, Rhizopus javanicus, Porcine pancreas, Aspergillus niger, Candida rugosa, Mucor javanicus, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus oryzae, Pseudomonas sp., Chromobacterium viscosum, Fusarium oxysporum und Penicilium camenberti. Besonders bevorzugt sind Esterasen aus Thermomyces lanugenosus mit dem Synonym: Humicola lanuginosa. Esterasen sind Enzyme, die die Bildung und Hydrolyse von Estern katalysieren; als Hydrolasen spalten sie ihre jeweiligen Substrate unter Einlagerung der Elemente des Wassers. Zu den Esterasen gehören beispielsweise die fettspaltenden Lipasen, die erfindungsgemäß bevorzugte Esterasen darstellen. Insbesondere bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Verwendung von 1,3-regiospezifischen Lipasen, diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie bevorzugt die Fettsäuren an 1- und 3-Position von Triglyceriden abspalten.

Prinzipiell kann jede 1,3-regioselektive Lipase bzw. Esterase in freier oder immobilisierter Form für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich die Lipase von Thermomyces lanugenosus (Hersteller Novozymes, Bezeichnung Lipozyme TL 1001 oder Lipolase 100 EX) als besonders bevorzugt erwiesen.

Experimentelle Daten haben gezeigt, dass die Zugabe geringer Mengen alkalischer anorganischer Salze die Enzymaktivität der Esterasen drastisch erhöht. Insbesondere werden nicht immobilisierte Lipasen durch die alkalischen Salze aktiviert.

Bevorzugt wird eine Einsatzkonzentration von 0,05–2 % der kommerziell erhältlichen Flüssigpräparation in Bezug auf die Menge an eingesetztem Triglycerid eingesetzt. Diese kommerziell erhältlichen Enzym-Flüssigpräparate weisen im Durchschnitt eine Enzymaktivität von 100.000 U/ml auf. Eine Enzymeinheit U (enzyme units) ist definiert als Enzymmenge, die pro Minute ein micromol Substrat umsetzt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden zur Aktivierung der Esterase bevorzugt alkalische anorganische Salze verwendet, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Hydroxiden, Carbonaten und Phosphaten des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesiums und Ammoniums, vorgelöst in Wasser. Die Menge an alkalischen anorganischen Salzen zur Aktivierung des Esterasen betragen erfindungsgemäß zwischen 0,00001 und 1 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,0001 und 0,2 Gew.-% bezogen auf die Menge an Triglycerid. Die Einsatzmenge an basischem Additiv ist abhängig von der Menge an eingesetzter Enzym-Flüssigpräparation, die gepuffert ist sowie von der Stärke der Base. Bei Einsatz von NaOH und <0,5 % Enzym-Flüssigpräparation ist die Einsatzkonzentration im unteren Konzentrationsbereich, wobei bei Einsatz von Na₂CO₃ und 2 % Enzym-Flüssigpräparation die Menge an basischem Additiv am oberen Konzentrationsbereich liegt.

Überraschenderweise wurde die stärkste Aktivierung der Thermomyces lanugenosus Lipase erreicht, wenn zur kommerziell erhältlichen Enzym-Flüssigpräparation Salze wie z.B. Trinatriumphosphat, Natriumcarbonat, Natriumhydroxid oder Ammoniumhydroxid in Mengen von 0,0001–0,2 Gew.-% (bezogen auf den Triglyceridgehalt) gegeben wurden. Überraschenderweise wurde eine schnellere Monoglycerid Synthesegeschwindigkeit erreicht als mit Thermomyces Lipase adsorbiert auf Polypropylen. Die Aktivierung der Lipase ist so stark, dass sie nicht alleine durch den pH-Shift im Reaktionsmedium erklärt werden kann. Wird die Thermomyces lanugenosus Lipase immobilisiert unter den gleichen Bedingungen eingesetzt, ist keine ähnlich starke Aktivierung über Salzzugabe zu erkennen. Diese starke Aktivierung ist sehr überraschend, da allgemein akzeptiert ist, dass im wasserarmen Medium nur mit Lipasen die an einen Träger gebunden sind, eine hohe Aktivität erreicht werden kann. Durch diese starke Aktivierung kann auf aufwendige Immobilisationsprozesse verzichtet werden und es führt zu einem simplen Anlagenkonzept.

Eine Messung des pH-Wertes des umgesetzten Produktgemisches zeigt zudem, dass der pH-Wert im neutralen bis schwach sauren liegt, was eine Enzymaktivierung alleine über pH-Shift unwahrscheinlich macht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Triglyceride aus Fetten und Ölen eingesetzt, die einen hohen Anteil an einfach und/oder mehrfach ungesättigter Fettsäuren ha ben und ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird aus Sonnenblumenöl, Rapsöl, Distelöl, Sojaöl, Leinöl, Erdnussöl, Talge, Olivenöl, Rizinusöl, Palmöl und Altöle wie beispielsweise gebrauchtes Frittierfett.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt Alkohole als Alkoholkomponenten eingesetzt, die eine Anzahl an Kohlenstoffatomen von 1–8 C-Atomen aufweisen. Diese können lineare oder verzweigte Kohlenstoffketten besitzen und bevorzugt primäre oder sekundäre Alkohole darstellen. Als bevorzugte Alkoholkomponente werden Methanol, Ethanol oder 1-Propanol eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Methanol und Ethanol oder Mischungen daraus und insbesondere bevorzugt ist Ethanol. Das eingesetzte Ethanol ist dabei bevorzugt aus biologischen Quellen erhältlich, beispielsweise aus der Fermentation von Kohlenhydraten. Der Gehalt an Alkohol beträgt bevorzugt 10 bis 50 Gew.-% bezogen auf das eingesetzte Triglycerid, bevorzugt werden 15 bis 40 Gew% eingesetzt. Der Monoglyceridgehalt ist abhängig von der eingesetzten Alkoholmenge.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Zusammensetzung erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die so erhaltene Zusammensetzung hauptsächlich bestehend aus Alkohol, Alkylester, Monoglycerid und Diglycerid kann direkt zu Dieseltreibstoff zugemischt werden. Durch den emulgierenden Charakter der gebildeten Monoglyceride bleiben evtl. gebildete Fettsäuren, freies Glycerin sowie geringe Anteile von Wasser im Produkt einphasig gelöst. Spuren von Wasser werden besser gebunden und stören den Verbrennungsprozess nicht mehr. Die gebildeten Monoglyceride erhöhen die Schmiereigenschaften. Die Komponenten in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung können in ihrer Mischung dazu führen, dass noch vorhandenes Glycerin im Verbrennungsprozess besser verbrannt wird. Zur Reduktion des Flammpunktes kann Alkohol vor der Zumischung zum Diesel aus der erfindungsgemäß hergestellten Zusammensetzung ganz oder teilweise zum Beispiel über Destillation entfernt werden.

Daraus ergibt sich als ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Treibstoffzusammensetzung, enthaltend 90 bis 99,5 Gew% Gasöl und 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 6 Gew.-% einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder einer Zusammensetzung die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.

Im Sinne der Erfindung werden unter Gasöl alle möglichen Fraktionen von Erdöl im additivierten als auch nicht-additivierten Zustand verstanden. Bevorzugt wird unter Gasöl im Sinne der Erfindung Diesel verstanden. Additive die im genannten Gasöl im additivierten Zustand enthalten sind und die zusätzlich zu den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten sein können sind Additive ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von Leitfähigkeitsverbesserer, Cetanzahlverbesserer, CFPP/CP-Verbesserer, Entschäumer, Schmierverbesserer, Korrosionsinhibitoren und Dehazer. Diese werden dabei in den üblichen Konzentrationen verwendet und sind wohl bekannt in der Ölindustrie.

Die möglichen Anwendungen dieses Gasöls sind in der Definition miteingeschlossen. Dies schließt sowohl Verwendung im Straßenbereich wie zum Beispiel als Diesel für Motoren als auch Verwendung außerhalb des Straßenbereichs ein wie zum Beispiel Heizöl, Traktorenöl, Diesel für mobile Dieselmotoren, marine Bunkeröle oder ähnliches. Der Destillationsbereich der Gasölfraktionen reicht von 140-400°C.

Die Verwendung gilt für alle genannten Gasölfraktionen sowohl im additivierten als auch nicht-additivierten Zustand.

Dieseltreibstoffe werden aus Gasöl durch Cracken oder aus Teeren, die bei der Schwelung von Braun- oder Steinkohle gewonnen werden, erhalten. Dieseltreibstoffe sind schwer entflammbare Gemische von flüssigen Kohlenwasserstoffen, die als Kraftstoffe für Gleichdruck- oder Brennermotoren (Dieselmotoren) verwendet werden und überwiegend aus Paraffinen mit Beimengungen von Olefinen, Naphthenen und aromatischen Kohlenwasserstoffen bestehen. Ihre Zusammensetzung ist uneinheitlich und hängt besonders von der Herstellungs-Methode ab. Übliche Produkte haben eine Dichte zwischen 0,83 und 0,88 g/cm³, einen Siedepunkt zwischen 170 und 360°C und Flammpunkte zwischen 70 und 100°C.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltend Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Diglyceride, die einen Glyceringehalt an freiem Glycerin von maximal 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung hat oder die bevorzugten Ausführungsformen dieser Zusammensetzung oder Zusammensetzungen erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Bio-Treibstoff.

In Rahmen dieser Erfindung wurde ein Biotreibstoff zur Verfügung gestellt, bei dem nur geringe Mengen freies Glycerin als Nebenprodukt vorhanden sind. Durch eine enzymatische Umsetzung von reinem Pflanzenöl und Bioalkohol wird ein Gemisch aus Alkylester und Partialglyceriden erzeugt, das als Biotreibstoff oder als Additiv gemäß Europäischer Direktive 2003/30/EC genutzt werden kann. Hervorzuheben bleibt hier, dass neben den Pflanzenöl auch das Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen bevorzugt ist und damit ein Biotreibstoff hergestellt und zur Verfügung gestellt wird, der die Vorteile von Rohstoffen aus nachwachsenden Quellen beinhaltet.

Vorteil des erfindungsgemäßen Bio-Treibstoffes ist neben der nebenproduktarmen Herstellung auch die Einbringung von zusätzlichem Sauerstoff in den Verbrennungsweg, was Abgase verringert. Außerdem führt die zusätzliche Schmierwirkung durch die Partialglyceride dazu, dass die Verwendung von Schmierverbesserern überflüssig wird. Das Herstellverfahren ist im Gegensatz zur bekannten Produktionsweise von Rapsölmethylester energiesparend, da es rein enzymatisch und ohne große Aufreinigung des Endproduktes abläuft.

Tests haben gezeigt, dass sich das Kälteverhalten von handelsüblichen Dieseln durch die Abmischung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung nicht negativ verändert. Eine wichtige Kenngröße, der CFPP (Cold Filter Plugging Point), wird nicht negativ beeinflusst. Bei Temperaturen um -20°C wurden leichte Eintrübungen des Gemisches beobachtet, jedoch keine Ausfällungen oder Phasentrennungen. Das Gemisch bleibt dünnflüssig und pumpfähig. Bei Lagerung bei 4°C traten keine Veränderungen auf.

Daraus ergibt sich als weiterer Gegenstand der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltend Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Methanol und/oder Ethanol, die einen Glyceringehalt von maximal 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung hat oder die bevorzugten Ausführungsformen dieser Zusammensetzung oder Zusammensetzungen erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Additiv in Treibstoffzusammensetzungen und bevorzugt in Mengen von 0,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 1 bis 5 Gew.-%.

Der Einsatz von verschiedenartigen Additiven für Kraftstoffe ist literaturbekannt. Monoglyceride und andere partiell veresterte oder veretherte Polyole (z.B. auch Glykolmonoester) werden als Dieseladditiv zugesetzt, da sie eine gute Schmierwirkung aufweisen. Patentanmeldungen, die solche Additive beschreiben sind z.B. EP0721492 (Infineum USA L.P.), WO0119941 (Fina Research S.A.) oder WO0063322 (Pure Fuels USA Inc.).

Insbesondere Glyceridmischungen mit einem hohen Anteil an Monoglycerid zeigen gute Schmiereigenschaften. So konnte gezeigt werden, dass auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monoglyceride als Kraftstoffadditive in Dieselkraftstoff einsetzbar sind und gute Schmiereigenschaften zeigen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die regiospezifische Fettsäurezusammensetzung der natürlich vorkommenden Öle nutzen. Die Monoglyceridfraktion enthält hauptsächlich die Fettsäurezusammensetzung, die in der 2-Position der Öle zu finden ist. Bei den meisten natürlich vorkommenden Ölen sind die höher ungesättigten Fettsäuren bevorzugt in der 2-Position gebunden. Dadurch lassen sich z.B. ausgehend von Sonnenblumen- oder Distelöl Monoglyceride mit einem hohen Gehalt an Linolsäure herstellen. Diese Monoglyceride haben einen erniedrigten Erstarrungspunkt, der insbesondere für die Anwendung von Monoglyceriden als Dieseladditiv wichtig ist. Basierend auf Palmöl lässt sich z.B. ein Monoglycerid mit einem hohen Gehalt an Ölsäure gewinnen.

Unter Treibstoffzusammensetzungen werden im Rahmen dieser Anmeldung alle energieliefernden Betriebsstoffe, deren freie Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit umgesetzt wird, verstanden. Dazu zählen alle Arten von bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssigen Motor- und Flugkraftstoffe. Motorkraftstoffe, z.B. für PKW- oder LKW-Motoren, enthalten in der Regel Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzin- oder höhersiedende Erdöl-Fraktionen. Bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Treibstoffzusammensetzungen um Dieselöl.

Beispiel 1: Regioselektive Alkoholyse mit verschiedenen Enzymene in freier und immobilisierter Form
16 Ansätze bestehend aus 20 g Rapsöl und 2,5 g Ethanol wurden in Bechergläser ausgestattet mit Magnetrührern vorgelegt. Unter Rühren wurden in die Ansätze 1–9, sowie 15 + 16 jeweils 0,25 g Wasser zugegeben und in die Ansätze 10–14 wurden jeweils 0,5 g Wasser zugegeben. Anschliessend wurden Lipasen in freier sowie immobilisierter Form wie in der Tabelle unten aufgelistet zugegeben. Die Ansätze wurden unter Rühren für 24 h imkubiert, wobei nach 5 h weitere 2,5 g Ethanol zugegeben wurden. Die Alkoholyse der Ansätze 1–14 wurde auf einer Multirührplatte bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ansätze 15 + 16 wurden auf einem Schüttler bei 45°C inkubiert. Nach 24 h würden Proben entnommen und der Gehalt an Glyceriden und Ethylestern wird gaschromatographisch analysiert. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent. Geringe Anteile an gebildeter Fettsäure sind in der Fläche der Ethylester enthalten.
Die Immobilisate der Ansätze 1–3, sowie 15 +16 wurden direkt vom Hersteller in immobilisierter Form erworben. Die Immobilisate der Ansätze 4–8 wurden über Adsorption auf Accurel MP1000 (Membrana) hergestellt. Dazu wurden 1 Accurel MP 1000 für 1 h in 10 ml Ethanol imkubiert. Nach Abdekantieren des Ethanols wurden 10 g Wasser und jeweils 0,5 g der Lipasepräparation zugegeben. Das Gemisch wurde über Nacht bei Raumtemperatur imkubiert. Anschliessend wurde das Immobilisat über Filtration separiert und für 24 h auf Papierbögen bei Raumtemperatur getrocknet.
Beispiel 2: Regioselektive Alkoholyse von Sb-Ö1 mit nicht immobilisierten Lipasen
6 Ansätze bestehend aus 40 g Sonnenblumenöl und 10 g Ethanol wurden in Bechergläser ausgestattet mit Magnetrührern vorgelegt. Unter Rühren wurden 0,4 g Wasser zugefügt. In die Ansätze 2, 4 und 6 wurden 40 mg festes Na₃PO₄ × 12 H₂O zugegeben. In die Ansätze 1 und 2 wurden 0,4 g Lipolase (Thermomyces lanugenosus Lipase Flüssigpräparation), in die Ansätze 3 und 4 wurden 0,4 g Novozym 525 (Candida antarctica B Lipase, Flüssigpräparation) und in die Ansätze 5 und 6 wurden 0,4 g Novozym 388 (Rhizomucor miehei Lipase Flüssigpräparation) gegeben. Die Alkoholyse wurde auf einer Multirührplatte bei Raumtemperatur durchgeführt. Nach 16 h und 44 h wurden Proben entnommen und der Gehalt an Glyceriden gaschromatographisch analysiert. Auswertung erfolgte über Flächenprozent.
Fazit: Lipolase in Anwesenheit eines basischen Salzes zeigte eine signifikante Aktivität (Ansatz 2). Wurde dagegen kein Salz zugegeben, war nur eine sehr schwache Alkoholysereaktion detektierbar.
Eine schwache Aktivität wird mit Novozym 388 detektiert, die aber unabhängig von der Zugabe von basischem Salz ist.
Beispiel 3: Vergleich der Aktivität von immobilisierter Lipolase und Lipolase Flüssigpräparation
Verglichen wurden Ansätze, die 0,2 g Lipolase Flüssigpräparation enthielten oder eine entsprechende Menge Lipolase trägergebunden enthielten.
Immobilisation von Lipolase auf Accurel MP 1000 (Membrana): 5 g MP1000 wurden in einen 250 ml Erlenmeyerkolben gegeben und 15 ml Ethanol wurde zugesetzt. Die Mischung wurde 1 h geschüttelt, dann wurde Ethanol abdekantiert. Zum MP1000 wurden 50 g Wasser gegeben. Nach 1 h Rühren wurde das Wasser abdekantiert. 100 ml Phosphatpuffer, 20 mM, pH 6,0 wurde zugegeben und die Immobilisation durch Zugabe von 5 g Lipolase Flüssigpräparation gestartet. Die Ansätze wurden über Nacht bei 8°C gerührt, dann wurde das Enzymimmobilisat abfiltriert. Das Immobilisat wurde über Nacht zwischen Papiertüchern bei Raumtemperatur getrocknet. Das Immobilisat wurde ausgewogen und eine Immobilisatmenge, die 0,2 g Lipolase Flüssigpräparation entspricht, für die Alkoholyse eingesetzt.
Immobilisation von Lipolase auf Accurel MP 1000 (Membrana) alternativ: Die Immobilisation erfolgte wie oben beschrieben. Nach Abfiltration des Immobilisats wurden 5 ml einer 200 mM Na₃PO₄ Lösung zugegeben. Das komplette Gemisch wurde bei Raumtemperatur unter Vakuum getrocknet. Ziel dieses zusätzlichen Schrittes war es ein bereits alkalisches Immobilisat herzustellen. Das Immobilisat wurde ausgewogen und eine Immobilisatmenge, die 0,2 g Lipolase Flüssigpräparation entspricht, für die Alkoholyse eingesetzt.
Immobilisation von Lipolase auf Dowex Marathon WBA (Dow Chemicals): 200 mg Dowex WBA wurden in einem kleinen Becherglas vorgelegt. 0,2 g Lipolase Flüssigpräparation wurden zupipettiert und mit einer Pipettenspitze gut vermischt. Der Ansatz imkubiert für 2 h unter gelegentlichem Mischen bei Raumtemperatur. Der komplette Ansatz (Dowex +Überstand) wurde für die Transformation eingesetzt.
Parallel durchgeführte Versuche, bei denen nicht gebundene Lipolase über Auswaschen aus dem Immobilisat gewonnen wurde, zeigten, dass etwa 90% der Lipolase trägergebunden vorliegt.
Immobilisation von Lipolase auf Duolite A568 (Rohm & Haas): 200 mg Duolite A568 wurden in einem kleinen Becherglas vorgelegt. 0,2 g Lipolase Flüssigpräparation wurden zupipettiert und mit einer Pipettenspitze gut vermischt. Der Ansatz imkubierte für 2 h unter gelegentlichem Mischen bei Raumtemperatur. Der komplette Ansatz (Duolite +Überstand) wurde für die Transformation eingesetzt.
Parallel durchgeführte Versuche, bei denen nicht gebundene Lipolase über Auswaschen aus dem Immobilisat gewonnen wurde, zeigten, dass etwa 80% der Lipolase trägergebunden vorliegt.
Durchführung der Versuche:
10 Ansätze bestehend aus 40 g Sonnenblumenöl und 10 g Ethanol wurden in Bechergläser ausgestattet mit Magnetrührern vorgelegt. Unter Rühren wurden 0,4 g Wasser zugefügt. In die Ansätze 2, 4, 6, 8 und 10 wurden 50 mg festes Na₂CO₃ zugegeben. In die Ansätze 1 und 2 wurden 0,2 g Lipolase (Thermomyces lanugenosus Lipase Flüssigpräparation), in die Ansätze 3 und 4 wurden die Dowex Immobilisate, in die Ansätze 5 und 6 wurden die Duolite Immobilisate, in die Ansätze 7 und 8 wurden die MP 1000 Immobilisate und in die Ansätze 9 und 10 wurden die mit Na₃PO₄ nachbehandelten MP1000 Immobilisate gegeben. Die Alkoholyse wurde auf einer Multirührplatte bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ansätze 3–10 wurden zweifach durchgeführt. Nach 16 h wurden Proben entnommen und der Gehalt an Glyceriden gaschromatographisch analysiert. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent.
Fazit: Alle Immobilisate mit Lipolase zeigen eine Alkoholyseaktivität. Mit Ausnahme des mit Na₃PO₄ vorbehandelten Immobilisats zeigen alle Immobilisate eine zusätzliche Aktivierung durch Na₂CO₃. Allerdings ist die Aktivierung der flüssigen Lipolase durch Na₂CO₃ wesentlich stärker als die Aktivierung der Immobilisate. Bei gleicher Gesamtenzymeinwaage ist die Alkoholyse mit salzaktivierter Lipolase (Ansatz 2) eindeutig schneller als mit den Immobilisaten.
Beispiel 4: Umsetzung mit verschiedenen Alkoholen
Verchiedene Ansätze bestehend aus 40 g Sonnenblumenöl und variablen Mengen verschiedener Alkohole wurden mit Lipolase bei Raumtemperatur einer Alkoholysereaktion unterzogen. Die Ansätze hatten eine Zusammensetzung wie in folgender Tabelle aufgeführt:
Der Gehalt an Glyceriden und Estern wurde gaschromatographisch analysiert. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent, wobei die überschüssigen freien Alkohole nicht mit einberechnet wurden. Proben wurden zu den in der Tabelle angegebenen Zeiten entnommen.
Fazit: Eine Alkoholysereaktion wurde mit allen eingesetzten Alkoholen beobachtet. Das Enzym akzeptiert primäre und sekundäre Alkohole sowie geradkettige und verzweigtkettige Alkohole.
Die beste Reaktion wurde mit den Alkoholen Ethanol und Propanol in einem Reaktionsmedium erreicht, dass 2 % Wasser enthielt.
Für die anderen Alkohole müssen die Reaktionsbedingungen zum Teil leicht modifiziert werden um eine optimierte Umsetzung zu erreichen. Detailliertere Untersuchungen mit Butanol (Ansätze 10–12) und mit Hexanol (Ansätze 13–15) haben gezeigt, dass auch mit diesen Alkoholen die Herstellung von Glyceriden mit einem Monoglyceridgehalt von >60 % möglich ist. Die Reaktion mit Butanol funktioniert dabei im wasserärmeren Medium besser, wogegen die Reaktion mit Hexanol nur gut in Anwesenheit größerer Wassermengen funktionierte.
Generell kann daraus abgeleitet werden, dass die Konzentration an Wasser erhöht werden muss, wenn der Alkohol hydrophober wird um eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen.
Beispiel 5: Einfluss von Ethanolkonzentration auf Glycerinbildung, Säurebildung und Monoglyceridgehalt
Verschiedene Ansätze bestehend aus 40 g Sonnenblumenöl und variablen Mengen Ethanol wurden mit jeweils 0,2 g Lipolase bei Raumtemperatur einer Alkoholysereaktion unterzogen. Es wurden jeweils 25 mg Na₂CO₃ zugesetzt. Die Ansätze hatten eine Zusammensetzung wie in folgender Tabelle aufgeführt:
Der Gehalt an Glyceriden wurde gaschromatographisch analysiert. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent. Der Glyceringehalt wurde ebenfalls gaschromatographisch analysiert und ist in nicht kalibrierten Flächenprozent angegeben. Nach Massenbilanz liegen die absoluten Glyceringehalte niedriger, entscheidend hier ist aber der Vergleich der relativen Werte. GC-Proben wurden für die Glycerinbestimmung nach 16 h und für die Glyceridbestimmung nach 40 h Reaktionszeit genommen. Säurezahlen wurden nach 16 h bestimmt.
Da Glycerin bei der verwendeten GC-Methode eine vergleichsweise stärkere Adsorption aufweist als die Ethylester und Glyceride, wurde eine Kalibration direkt in einem Gemisch aus Ethylester, freiem Ethanol und Glyceriden durchgeführt. Die Adsorption über einen Konzentrationsbereich von 0–1,0 Gew.-% Glycerin entspricht der Formel: y = 2,3 × (y = Adsorption, x =Einwaage).
Daraus ergibt sich für obige Analytik:
Fazit: Je höher die Konzentration an eingesetztem Alkohol ist, desto höhere Monoglyceridgehalte werden erhalten. Bezogen auf die Gesamtglyceride sind Monoglyceridgehalte von über 90% erreichbar.
Eine Erhöhung des Alkoholgehaltes führte zu einer Reduktion an Nebenproduktbildung wie freie Fettsäure oder Glycerin, das aus der Totalhydrolyse des Öls entsteht.
Die Reaktionsgeschwindigkeit wurde bei einer Erhöhung des Alkoholgehaltes reduziert. Über eine Erhöhung des Wassergehalts konnte die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert werden, so dass auch bei einem hohem molaren Überschuss an Ethanol eine gute Monoglyceridbildung erreicht wird (Ansatz 6).
Beispiel 6: Umsetzung mit verschiedenen Ölen
In parallelen Ansätzen wird die Hydrolyse mit verschiedenen Ölen untersucht. Jeweils 40 g des Öls werden mit 10 g Ethanol in Bechergläser eingewogen. Unter Rühren wird jeweils 0,4 g Wasser zugegeben und 40 mg festes Na₃PO₄ × 12 H₂O wird zugegeben. Die Reaktion wird über Zugabe von 0,4 g Lipolase gestartet. Nach 16 h Reaktionszeit wird eine Probe zur gaschromatographischen Analyse entnommen. Die Auswertung erfolgt über Flächenprozent.
Fazit: Mit allen eingesetzten Ölen wurde eine gute Alkoholyse beobachtet. Mit allen Ölen wurde ein Monoglyceridanteil von >70 % bezogen auf die Gesamtglyceride erreicht.
Beispiel 7: Umsetzung mit verschiedenen alkalischen Salzen
5 Ansätze mit jeweils 40 g Sonnenblumenöl und 10 g Ethanol wurden eingewogen. Unter Rühren wurde zu allen Ansätzen 0,4 g Wasser gegeben. In Ansatz 1 wurden 40 mg Na₃PO₄ × 12 H₂O, in Ansatz 2 wurden 11 mg Na₂CO₃, in Ansatz 3 wurden 4 mg Ca(OH)₂, in Ansatz 4 werden 31 mg Trinatriumcitrat × 2 H₂O gegeben und Ansatz 5 verlief ohne Zusatz eines Salzes. Die Reaktionen wurden über die Zugabe von 0,4 g Lipolase gestartet. Nach 16 h Reaktionszeit wurde eine Probe zur gaschromatographischen Analyse entnommen. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent.
Fazit: Die Alkoholysereaktion funktionierte gut bei Zugabe von Phosphatsalzen, Carbonatsalzen und Hydroxiden.
Beispiel 8: Optimierung der Einsatzkonzentration an Salz (für Na₂CO₃)
12 Ansätze mit jeweils 40 g Sonnenblumenöl und 10 g Ethanol wurden eingewogen. Unter Rühren wurde zu den Ansätzen 1–6 0,2 g Wasser und zu den Ansätzen 7–12 0,4 g Wasser gegeben. Unterschiedliche Salzmengen, wie unten in der Tabelle angegeben, wurden hinzugefügt. Die Reaktionen wurden über die Zugabe von 0,2 g Lipolase gestartet. Nach 16 h Reaktionszeit wurde eine Probe zur gaschromatographischen Analyse entnommen. Die Auswertung erfolgte über Flächenprozent.
Fazit: Eine Erhöhung des Wassergehalts im Ansatz verschiebt das Optimum für die Menge an Na₂CO₃ leicht. Bei einer Zugabe von 0,2 g Wasser liegt der Bereich der optimalen Salzmenge zwischen 25 mg und 100 mg, wogegen bei einer Zugabe von 0,4 g Wasser der optimale Bereich zwischen 50 mg und 200 mg liegt.
Zu beachten ist, dass das Optimum an basischem Additiv von der eingesetzten Menge an gepufferter Enzymlösung sowie von der Basenstärke abhängt. Die Versuchsreihe mit Na₂CO₃ ist als exemplarisch anzusehen.
Beispiel 9: Einfluss Temperatur auf die Umesterungsgeschwindigkeit
6 Ansätze mit jeweils 40 g Sonnenblumenöl und 10 g Ethanol werden eingewogen. Unter Rühren wird zu den Ansätzen 0,4 g Wasser und 50 mg Na₂CO₃ zugegeben. Die Reaktionen werden über die Zugabe von 0,2 g Lipolase gestartet. Die Umsetzungen werden bei unterschiedlichen Temperaturen, wie in der Tabelle unten dargestellt, durchgeführt. Nach 24 h Reaktionszeit wird eine Probe zur gaschromatographischen Analyse entnommen. Die Auswertung erfolgt über Flächenprozent.
Fazit:
Bereits ab Temperaturen oberhalb 30°C wird die Lipase deutlich deaktiviert. Die optimale Reaktionstemperatur liegt im Bereich von 20–25°C
Beispiel 10: Synthese von Bio-Diesel mit dosierter Ethanolzugabe
In einen temperierbaren 2 1 Doppelmantelreaktor wurden 1200 g Rapsöl, 75 g Ethanol, 0,375% Wasser bezogen auf die Menge an Öl und 0,025% NaOH mit einer Konzentration von 1 mol/l zugegeben. Das Gemisch wurde unter Rühren auf 15°C gekühlt, und dann 0,25% Lipolase bezogen auf die Menge an Öl zugegeben. Unter Rühren wurde das Gemisch für 48 h bei 15°C inkubiert. Nach 2,5 h wurden weitere 75 g Ethanol und nach 5 h wurden 150 g Ethanol in den Reaktor gegeben. Nach 48 h wurde der Reaktorinhalt zur Deaktivierung des Enzyms für 1 h auf 80°C erhitzt. Das fertige Produktgemisch ist einphasig.
Die gaschromatographische Analyse ergab folgende Zusammensetzung (Flächenprozent, Ethanol nicht mit einbezogen):
58,2% Ethylester
25,6 % Monoglycerid
17,1 % Diglycerid
0,7 % Triglycerid
Rechnerisch enthält das Gesamtgemisch noch etwa 12 Gew.-% freies Ethanol.
Beispiel 11: Synthese mit kontinuierlich dosierter Ethanolzugabe + Aufarbeitung von Bio-Diesel
In einen temperierbaren 2 l Doppelmantelreaktor wurden 1000 g Rapsöl, 50 g Ethanol und 0,025 % NaOH mit einer Konzentration von 1 mol/l zugegeben. Das Gemisch wurde unter Rühren auf 17°C gekühlt, dann wurden 0,25 % Lipolase bezogen auf die Menge an Öl zugegeben. Unter Rühren wurde das Gemisch für 45 h bei 17°C inkubiert. 200 g Ethanol wurden nach Reaktionsstart kontinuierlich mit einer Flussrate von 0,14 ml/min in den Reaktor gepumpt. Nach 45 h wurden 0,1 Gew.-% Tonsil in den Reaktor gegeben und der Reaktorinhalt aufgeheizt. Nach einstündiger Inkubation bei 75°C wurde der Reaktorinhalt abfiltriert. Zur Entfernung von Resten an freiem Glycerin wurden 500 g des Produktes zweimal mit 250 g Wasser gewaschen, wobei das Reaktionssystem nur langsam gerührt wurde um eine Emulsionsbildung zu vermeiden. Die gycerin- und laugehaltige wässrige Phase wurde von der Ölphase separiert. Das fertige Produktgemisch ist klar und einphasig.
Die gaschromatographische Analyse ergab folgende Zusammensetzung (Flächenprozent, Ethanol nicht mit einbezogen):

A) Vor Glycerinentfernung	B) Nach Glycerinentfernung
56,9 % Ethylester	59,9 % Ethylester
28,6 % Monoglycerid	29,6 % Monoglycerid
14,2 % Diglycerid	10,6 % Diglycerid
0,3 % Triglycerid	1,8 % Triglycerid

Rechnerisch enthält das Gesamtgemisch vor der Wäsche mit Wasser noch etwa 12 Gew.-% freies Ethanol.
Der Gehalt an freiem Glycerin im gewaschenen fertigen Produkt liegt unter 0,05 Gew.-%. Vor der Wäsche hatte das Produkt einen Glyceringehalt nach Kalibration von 1,1 Gew.-%
Beispiel 12: Lagerstabilität des Bio-Diesels
Die erhaltenen Produkte aus Beispiel 11 wurden bei Raumtemperatur und Tageslicht in klaren Glasflaschen für 55 Tage gelagert. Es wurden vergleichende GC-Untersuchungen durchgeführt.
Fazit: Im Rahmen der Messungenauigkeit der GC-Analytik sind die Muster nach 55 Tagen unverändert. Der nach enzymatischem Verfahren hergestellte Bio-Diesel ist somit für mindestens 55 Tage lagerstabil.
Beispiel 13: Glycerinentfernung aus Bio-Diesel
Jeweils 50 g des nicht gewaschenen Produktes aus Beispiel 11 wurden zweimal mit 2 Gew.-% Wasser bzw. zweimal mit 5 Gew.-% Wasser gewaschen. Nach jedem Waschschritt wurde die wässrige Phase separiert. Folgende Glyceringehalte wurden erhalten.

	Glycerin (Gew.-%)
Produkt vor Wäsche:	1,1
Zweifache Wäsche mit je 50% Wasser (Beispiel 10)	<0,05
Zweifache Wäsche mit je 5% Wasser	0,15
Zweifache Wäsche mit je 2% Wasser	0,39

Fazit: Glycerin lässt sich aus dem Produkt über Wäsche mit Wasser in einem weiten Konzentrationsbereich und anschließende Phasenseparation entfernen.
Beispiel 14: Anwendungstechnische Tests in Diesel-Typen
Es wurden zwei Proben Biotreibstoff aus einer enzymatischen Produktion als Zusatzstoff zu normalem Tankstellendiesel getestet.
USC-CM-8327-131: Gemisch aus Ethylester + Monoglycerid + Ethanol, Glyceringehalt <0,05 Gew.-%
USC-CM-8327-131DS: Gemisch aus Ethylester + Monoglycerid + Ethanol, glycerinhaltig (Glyceringehalt >1 Gew.-%)
Die Gemische wurden jeweils zu 2,5; 3 und 5 Gew.-% im Tankstellendiesel auf ihr Kälteverhalten getestet. Dazu wurden die CFPP-Werte der Proben ermittelt.

CFPP-Meßwert, Tankstellendiesel ohne Zusatz: -15°C

Fazit: In niedrigen Konzentration treten keine signifikanten Verschlechterungen des CFPP auf. Erst bei höherer Dosierung erhöht sich der CFPP um 1°C.
Lagerung der beiden Abmischungen bei niedrigen Temperaturen führen bei -20°C zu einer leichten Austrübung im Diesel-Biotreibstoff-Gemisch, ohne dass die Pumpfähigkeit negativ beeinflusst wird. Bei 4°C zeigt das Gemisch auch nach mehreren Wochen keine Veränderungen.

Claims

Zusammensetzung enthaltend Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Diglyceride, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Glyceringehalt an freien Glycerin von maximal 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung hat.
Zusammensetzungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Monoglyceridgehalt von mindestens 10 Gew.-% und/oder ein Triglyceridgehalt von maximal 5 Gew.-% und/oder eine Säurezahl von maximal 5 bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung enthalten ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Methyl- und/oder Ethylester, Monoglyceride und Methanol und/oder Ethanol in Mengenverhältnissen von a)Methyl- und/oder Ethylester 30-70 Gew.-% b)Monoglycerid 10-30 Gew.-% c)Diglycerid 1-30 Gew.-%

enthaltend sind.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Methyl- oder Ethylester, Monoglyceride und/oder Diglyceride Fettsäureester darstellen aus gesättigten oder ungesättigten, linearen oder verzweigten Fettsäuren mit 8–22 C-Atomen
Verfahren zur Herstellung von Biotreibstoff, dadurch gekennzeichnet, dass Triglyceride in Anwesenheit von Alkoholen mit einer Anzahl an Kohlenstoffatomen von 1–8 C-Atomen mit einer Esterase enzymatisch umgesetzt werden, welche durch Zugabe von alkalischen Salzen aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die Esterase deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Alkoholyse bei Temperaturen von 10° bis 40°C, einem Wassergehalt von 0,1–10 Gew.-% bezogen auf die Menge an Triglycerid durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Esterasen aus Organismen stammen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Thermomyces lanugenosus, Candida antarctica A, Candida antarctica B, Rhizomucor miehei, Candida cylindracea, Rhizopus javanicus, Porcine pancreas, Aspergillus niger, Candida rugosa, Mucor javanicus, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus oryzae, Pseudomonas sp., Chromobacterium viscosum, Fusarium oxysporum und Penicilium camenberti.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Esterasen um Lipasen handelt und insbesondere um 1,3-spezifische Lipasen handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lipase um Lipase aus Thermomyces lanugenosus handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Esterasen in Mengen von 0,05–2 % der kommerziell erhältlichen Flüssigpräparation in Bezug auf die Menge an eingesetztem Triglycerid eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den alkalischen anorganischen Salzen zur Aktivierung der Esterase um Salze handelt, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Hydroxiden, Carbonaten und Phosphaten des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesiums und Ammoniums vorgelöst in Wasser und das diese zwischen 0,00001 und 1 Gew.-% bezogen auf die Menge an Triglycerid eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Triglyceride aus Fetten und Ölen eingesetzt werden, die einen hohen Anteil an einfach und/oder mehrfach ungesättigter Fettsäuren haben und ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird aus Sonnenblumenöl, Rapsöl, Distelöl, Sojaöl, Leinöl, Erdnussöl, Talge, Olivenöl, Rizinusöl, Palmöl und Altöle wie beispielsweise gebrauchtes Frittierfett.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als bevorzugte Alkoholkomponente Ethanol eingesetzt wird und der Gehalt an Alkohol 10 bis 50 Gew.-% bezogen auf das Triglycerid beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Alkohol und/oder Wasser teilweise oder vollständig entfernt wird.
Zusammensetzung erhältlich nach dem Verfahren gemäß Ansprüchen 5 bis 15.
Treibstoffzusammensetzung, enthaltend 90 bis 99,5 Gew.-% Gasöl und 0,5 bis 10 Gew.-% (vorzugsweise 2 bis 6 Gew.-%) einer Zusammensetzung gemäß der Ansprüche 1 bis 4 oder gemäß Anspruch 16 als Additiv.
Verwendung einer Zusammensetzung gemäß Ansprüchen 1 bis 4 oder gemäß Anspruch 16 als Bio-Treibstoff.
Verwendung einer Zusammensetzung gemäß Ansprüchen 1 bis 4 oder gemäß Anspruch 16 als Additiv in Treibstoffzusammensetzungen.
Verwendung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung gemäß Ansprüche 1 bis 4 oder gemäß Anspruch 16 in Mengen von 0,5 bis 10 Gew.-% vorliegt.