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Verbleib von spurenschadstoffen bei der methylesterherstellung aus altspeisefett im technikumsmaßstab

Fate of trace pollutants during the production of methylesters based on waste-edible fats

Zusammenfassung

Hintergrund und Ziel

In Deutschland werden jährlich ca. 120.000 t Altspeisefette aus Gastronomie und Lebensmittelindustrie gesammelt. Bis vor kurzem fanden diese Fette größtenteils als Futtermittelbestandteil Verwendung. Ausgelöst durch Futtermittelskandale und die BSE-Krise werden die Fette kaum noch als Tierfutterergänzung eingesetzt. Heute substituieren sie in der chemischen Industrie z.T. frische Pflanzenöle und werden auch als Rohstoff für die Biodieselherstellung verwendet. Diese Randbedingungen legen es nahe, nach neuen Verwertungswegen zu suchen. Von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) wird daher ein Verbundprojekt finanziert, in dessen Rahmen durch Umesterung der Fette Grundöle für Kühlschmierstoffe (KSS) hergestellt und die KSS-Produkte anschließend in der spanenden Bearbeitung von Metallen in der Praxis getestet werden.

Methoden

In einem ersten Schritt wurden durch analytische Untersuchungen die Eigenschaften und die Qualität von sieben verschiedenen Altspeisefetten festgestellt. Die fettspezifischen Parameter umfassten Gesamtverschmutzung, Sulfatasche, Wassergehalt, Peroxidzahl, Jodzahl, kinematische Viskosität, Säurezahl (freie Fettsäuren) und Fettsäurespektrum.

Im folgenden Schritt wurde eine Verfahrensentwicklung/-optimierung für die Methylesterherstellung unter Einsatz des Rohstoffs Altspeisefett durchgeführt, die in der Konstruktion einer Technikumsanlage mündete. Um den Verbleib von Schadstoffen während der Altfettmethylesterherstellung zu untersuchen, wurden Proben eines der Fette gezielt mit PCB, PAK, PCDD, PCDT und den Elementen Al, Cd, Cr, Cu, Ni, P, Pb, Sn und Zn versetzt. Diese dotierten Fettproben wurden unter Nachstellung des Verfahrens zur Methylesterherstellung im Labormaßstab umgesetzt und die einzelnen Haupt- und Nebenprodukte anschließend analysiert.

Ergebnisse

Die fettspezifischen Parameter lieferten wertvolle Hinweise für die Auslegung des technischen Prozesses zur Herstellung der Fettsäuremethylester. So erwiesen sich Filtration und Entwässerung der Ferte als notwendig. Die für die Kühlschmierstoffherstellung interessierenden gesättigten Fettsäuren repräsentierten 11,3% bis 31,6% des Fettsäurespektrums. Da die Mischfettproben einen relativ geringen Anteil an freien Fettsäuren aufwiesen, konnte bei der Entwicklung des Verfahrens zur Methylesterherstellung auf eine basisch katalysierte Umesterung ohne Vorveresterung der freien Fettsäuren zugegriffen werden. Spurenanalytische Untersuchungen bezüglich anorganischer und organischer Schadstoffe belegten die niedrige Grundbelastung eines Altspeisemischfettes. Dotierexperimente zur Fettsäuremethylester-Herstellung zeigten eine bevorzugte Anreicherung der Schwermetalle im Glycerin. Die organischen Schadstoffe wurden hingegen zu 80 bis 95% in der Methylesterfraktion nachgewiesen.

Ausblick

In einem nächsten Schritt soll der Prozess der Weiterverarbeitung der Methylester zu Monoalkylestern mit Alkoholen der Kettenlänge C2 bis C8 vorgestellt werden. Damit verbunden werden Ergebnisse chemisch-analytischer Untersuchungen präsentiert werden, die sowohl beim Herstellungsprozess als auch während des Kühlschmierstoffeinsatzes an der Werkzeugmaschine durchgeführt wurden.

Abstract

Aims and Scope

In Germany, 120,000 tons per year of waste edible fats are collected from the catering and the food industry Until recently, these fats have widely been used as a nutritional additive for poultry and other animals fodder. Due to the BSE crisis and some affairs based on dioxins in feeding stuff, waste fats are now barely used as fodder. Currently, these fats substitute fresh vegetable oils in the chemical industry and are used as raw material for the production of biodiesel.

Therefore, alternative fields of application are required. In this context, the Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) is sponsoring a joint research project which deals with the production and testing of cooling lubricants based on monoesters made from waste edible fats.

Methods

In a first step, characteristics and quality of wasteedible fats of different origins were chemically analysed and monitored. The investigations covered the following fat specific parameters: total contamination, sulphate ash, water content, peroxide number, iodine value, kinematical viscosity, neutralisation number (free fatty acids) and fatty acid spectra.

In the next step, a process development/optimisation was carried out for the production of methylesters based on the raw material waste fat, leading to the construction of a pilot plant. To investigate the fate of trace pollutants during the production process of waste-fat methylester, samples were systematically contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons, polychlorinated biphenyls, polychlorinated dibenzo-p-dioxins, polychlorinated dibenzofurans and the elements Al, Cd, Cr, Cu, Ni, P, Pb, Sn, and Zn. These contaminated fat samples were transesterified in laboratory scale. The primary and by-products were analysed subsequently.

Results

Valuable hints on the design of the technical process of fatty adid methylester production based on waste edible fats were gained by regarding the fat specific parameters. For example, filtration and dewatering of the waste fats proved necessary. The saturated fatty acids, most wanted for the production of cooling lubricants due to their high oxidation stability, were present in the range of 11,3% to 31,6%. Due to the low content of free fatty acids, a base catalysed process occurred more suitable for the transesterification of the waste edible fats.

Trace analytical investigations concerning inorganic and organic pollutants proved a low basic contamination of the waste edible fats. Experiments with systematic contamination of the fats indicated an accumulation of the heavy metals in the glycerol phase during the transesterification process, whereas the organic pollutants were detected in the methylester fraction by amounts of 80% to 95%.

Outlook

In a next step, the further processing of the methylesters to monoesters with alcohols of the chain length C2 to C8 will be presented. Associated results of chemical-analytical investigations on the process and the application of the cooling lubricants will also be given.

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Correspondence to Hubertus Wichmann.

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OnlineFirst: 09. Februar 2004

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Falk, O., Wichmann, H., Jopke, P. et al. Verbleib von spurenschadstoffen bei der methylesterherstellung aus altspeisefett im technikumsmaßstab. UWSF - Z Umweltchem Ökotox 16, 255–261 (2004). https://doi.org/10.1065/uwsf2004.02.077

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Schlagwörter

  • Altspeisefett
  • Biodiesel
  • Fettanalytik
  • Fettsäuremethylester
  • Kühlschmierstoff
  • PAK
  • PCB
  • PCDD/F
  • Schwermentalle

Keywords

  • Biodiesel
  • cooling lubricant
  • fat analysis
  • fatty acid methylester
  • heavy metal
  • PAH
  • PCB
  • PCDD/F
  • waste edible fat