Wpływ wolnych glukozydów steroli na parametry niskotemperaturowe paliw i biopaliw

• Autorzy: Burnus Zygmunt

Identyfikatory

DOI

10.18668/PN2021.236

Warianty tytułu

EN

The influence of free steryl glucosides on low-temperature parameters of fuels and biofuels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wyczerpywanie się pierwotnych źródeł energii oraz wzrost emisji gazów cieplarnianych do atmosfery wymuszają podjęcie działań zmierzających do poszukiwania źródeł alternatywnych, w tym odnawialnych źródeł energii. W marcu 2011 roku Komisja Europejska wydała nową Białą Księgę – Plan utworzenia jednolitego europejskiego transportu – dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu [Komisja Europejska, 2011]. Biała Księga przedstawia wizję konkurencyjnego i zrównoważonego systemu transportu, zapewniającego dalszy wzrost i mobilność przy jednoczesnym osiągnięciu celu obniżenia emisji gazów cieplarnianych o 60% w 2050 roku. Kierunki rozwoju paliw silnikowych są w głównej mierze determinowane przez zachodzące niekorzystne zmiany klimatyczne, które negatywnie wpływają na środowisko naturalne, jak również przez nieustanny rozwój konstrukcji silników w celu sprostania ciągle rosnącym wymaganiom ekologów i użytkowników. Współczesny świat zdał sobie sprawę, że stanął przed poważnym zagrożeniem ekologicznym wywołanym przez emisję CO2 pochodzącą w znacznym stopniu z transportu samochodowego. Szeroko rozumiana ochrona środowiska, a także klimatu wymaga w coraz większym stopniu wykorzystania coraz bardziej ekologicznych paliw silnikowych, co znalazło odzwierciedlenie w przepisach Unii Europejskiej i w konsekwencji w przepisach krajowych. Przewiduje się dalszy wzrost udziału biopaliw i biokomponentów w paliwach przeznaczonych na potrzeby transportu, przy czym będą to nie tylko paliwa pierwszej generacji pochodzące z transestryfikacji olejów roślinnych (VOE), jak obecnie powszechnie stosowane estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME), czy paliwa pochodzące z hydrorafinacji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych (HVO), lecz paliwa ciekłe produkowane z biomasy i bioodpadów poprzez termochemiczną konwersję. Jednym z istotnych parametrów jakościowych paliw przeznaczonych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym (ZS) są właściwości niskotemperaturowe, a także obecność biokomponentów (FAME) w oleju napędowym będących źródłem tworzenia osadów w silniku, jak i w układzie paliwowym jednostki napędowej, powodujących wiele problemów eksploatacyjnych. FAME z oleju rzepakowego, szeroko stosowane w Unii Europejskiej jako biopaliwo do zasilania silników o zapłonie samoczynnym, nie były do niedawna podejrzewane o wpływ zawartych w nich śladowych substancji, takich jak wolne glukozydy steroli, na parametry użytkowe produktu finalnego. W 2011 roku polskie bazy paliwowe sygnalizowały problem dużej ilości mazistych osadów w zbiornikach z mieszaniną 5% (V/V) FAME w paliwie do zasilania silników o ZS. Wykryto wówczas w tych osadach duże ilości wolnych glukozydów steroli – przy zastosowaniu metodyki badawczej opracowanej przez autora niniejszej pracy. W przedmiotowych mieszaninach paliw handlowych oraz materiałów wzorcowych wyznaczono zależności pomiędzy parametrami niskotemperaturowymi, jak temperatura mętnienia (CP), temperatura blokady zimnego filtru (CFPP) oraz czas filtracji na zimno (CSFT), a zawartością składników śladowych FAME z oleju rzepakowego: wolnych glukozydów steroli (FSG), jak również nasyconych monoacylogliceroli (SMG).

EN

The depletion of primary energy sources and the increase in greenhouse gas emissions to the atmosphere necessitate taking action to seek alternative sources, including renewable energy sources. In March 2011, the European Commission issued a new White Paper – "Roadmap to a Single European Transport Area – Towards a competitive and resource efficient transport system" [White Paper; 2011]. The White Paper presents a vision of a competitive and sustainable transport system, ensuring its further growth and mobility while achieving the goal of reducing greenhouse gas emissions by 60% in 2050. The directions of development of motor fuels are mainly determined by the undesirable climate changes that negatively affect the environment, as well as by the constant development of engine designs in order to meet the increasing requirements of environmentalists and users. The modern world has realized that it is facing a serious environmental threat caused by CO2 emissions largely from car transport. Widely understood environmental protection, and also climate protection, requires the use of more eco-friendly engine fuels, which is reflected by European Union Directives and, consequently, in national legislation. A further increase in the share of biofuels and biocomponents in fuels intended for transport is expected, and these will not only be first generation fuels derived from vegetable oil transesterification (VOE) such as the currently commonly used fatty acid methyl esters (FAME) or fuels derived from the hydrotreatment of vegetable oils and animal fats (HVO), but also liquid fuels produced from biomass and bio-waste through thermochemical conversion. Low-temperature properties, and also the presence of biocomponents (FAME) in diesel fuel, which is the source of deposits in the engine and in its fuel system, causing many operational problems, are one of the important quality parameters of fuels intended for supplying diesel engines (ZS). FAME from rapeseed oil, widely used in the European Union as a biofuel for compression-ignition engines, has not, until recently, been suspected of affecting the performance parameters of the final product by the trace substances they contain, such as free sterol glucosides. In 2011, Polish fuel bases signaled the problem of a large amount of greasy deposits in tanks with a mixture of 5% (V/V) FAME in fuel for supplying diesel engines. Large amounts of free sterol glucosides were detected in these sediments using the research methodology developed by the author of this work. In the subject mixtures of commercial fuels and reference materials, relationships between low-temperature parameters such as cloud point CP, cold CFPP filter block temperature, CSFT cold filtration time on the one hand, and the content of FAME trace components from rapeseed oil: free sterol glucosides (FSG) and saturated monoacylglycerols (SMG) on the other hand, were determined.

Słowa kluczowe

PL

parametry niskotemperaturowe; biodiesel; olej napędowy; wolne glukozydy steroli

EN

low-temperature parameters; biodiesel; diesel fuel; free sterol glucosides

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 236
• Strony: 1--118
• Opis fizyczny: Bibliogr. 79 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Burnus Zygmunt

Bibliografia

• 1. Abe H„ Ishikura Y. (2012). Method for producing fatty acid alkyl ester. US Pat. Appl. Publ. US 8378133 (B2), 16.02.
• 2. Ambat I., Srivastava V., Sillanpaa M. (2018). Recent advancement in biodiesel production methodologies using various feedstock: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 90: 356-369.
• 3. Banavali R.M., Schultz A.K., Hanion R.T., Trejo J.A. (2009). Method for purification of oils for biodiesel processes. Pat. Appl. Publ. EP2071014 (Al), 17.06.
• 4. Bauer M., Tarrien M. (2010). Biodiesel cold soak filtering system. International Pat. Appl. Publ.; WO 2010/107446 (Al), 23.09.
• 5. Bondioli P., Cortesi N„ Mariani C. (2008). Identification and quantification of steryl glucosides in biodiesel. Eur J Lipid Sei Technol, 110: 120-126.
• 6. Brask J., Nielsen P.M. (2010). Enzymatic removal of steryl glycosides in fatty acid alkyl esters. International Pat. Appl. Publ. W02010102952 (Al), 16.09.
• 7. Burnus Z. (2012). Badania nad oznaczaniem glikozydów sterolowych (SG) oraz nasyconych monoacylogliceroli (SMG) w oleju napędowym z dodatkiem estrów metylowych kwasów tłuszczowych przy wykorzystaniu techniki chromatografii gazowej. Dokumentacja Instytutu Nafty i Gazu - Państwowego Instytutu Badawczego, nr archiwalny: DK-4100-36/12.
• 8. Burnus Z., Jakóbiec J. (2016). Badania nad wpływem wolnych glukozydów steroli na niskotemperaturowe parametry biopaliw do silników o zapłonie samoczynnym. Przemysł Chemiczny, 9: 1000-1005.
• 9. Cieślikowski В., Jakóbiec J. (2013). Monitorowanie stanu niesprawności układu EGR silników TDCi zasilanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra oraz paliwem B100. Combustion Engines, 2(153): 83-93.
• 10. Cieślikowski В., Jakóbiec J. (2014). Ocena porównawcza stopnia zanieczyszczeń układu EGR silników TDCi. Autobusy - Technika, 7: 62-66.
• 11. Danzer M.F., Ely T.L., et al. (2007). Biodiesel cold filtration process. US Pat. Appl. Publ. US2007175091 (Al), 02.08.
• 12. Dunn R.O. (2009). Effects of minor constituents on cold flow properties and perfor¬mance of biodiesel. Progress in Energy and Combustion Science, 35: 481-489.
• 13. Echim С., Maes J., De Greyt W. (2012). Improvement of cold filter plugging point of biodiesel from alternative feedstocks. Fuel, 93: 642-648.
• 14. Graboski M.S., McCormick R.L. (1998). Combustion of Fat and Vegetable Oil Derived Fuels in Diesel Engines. Progress in Energy and Combustion Science, 24: 124-164.
• 15. Imahara H., Minami E., Saka S. (2006). Thermodynamic study on cloud point of biodiesel with its fatty acid composition. Fuel, 85: 1666-1670.
• 16. Jakóbiec J. (2006). Ocena produktów z oleju rzepakowego przeznaczonych na paliwa silnikowe. Praca habilitacyjna. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, Kraków.
• 17. Jakóbiec J., Ambrozik A. (2009). Ocena wybranych parametrów eksploatacyjnych biopaliwa. XII Forum Motoryzacji w Słupsku „Innowacje w motoryzacji dla ochrony środowiska". Politechnika Koszalińska. PAN. Słupsk 2009: 93-107.
• 18. Jakóbiec J., Janik R. i inni (2009). Wpływ właściwości fizykochemicznych paliw ropopochodnych i pochodzenia roślinnego na właściwości rozruchowe silników o ZS. XI Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe - SYMROZ 2009 - „Rozruch silników spalinowych". Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny. PAN. Szczecin 2009: 48-56.
• 19. Jakóbiec J., Mazanek A., Piekarski W. (2015). Tendencje rozwojowe ekologicznej pracy silników spalinowych maszyn i agregatów rolniczych. Logistyka, 5: 381-388.
• 20. Jakóbiec J., Urzędowska W., Mazanek A. (2008). Badania eksploatacyjne biopaliwa BIO zawierającego 10%(V/V) FAME w nowoczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wysokociśnieniowym wtryskiem paliwa w układzie Common Raił, uwzględniając aspekt współdziałania z olejem silnikowym. Dokumentacja INiG Nr 0698/TE/2008.
• 21. Kim D., Kim S., Oh S., No S.Y. (2014). Engine performance and emission characteristics of hydrotreated vegetable oil in light duty diesel engines. Fuel, 125: 36-43.
• 22. Knothe G. (2005). Dependence of biodiesel fuel properties on the structure offatty acid alkyl esters. Fuel Processing Technology, 86: 1137-1147.
• 23. Koenig J.W. (1997). Biodiesel and Environmental Blessing or a biodegradation Headache for Long Term Storage. 6th International Conference on Stability and Handling of Liquid Fuels. Vancouver 12-17 October 1997: 841-849.
• 24. Kuronen M., Mikkonen S., Aakko P., Murtonen T. (2007). Hydrotreated Vegetable Oil as Fuel for Heavy Duty Diesel Engines. SAE Paper 2007-01-4031.
• 25. Lee I., Pfalzgraf L.M., Poppe G.B., Powers E., Haines T. (2007). The role of sterol glucosides on filter plugging. Biodiesel Mag, 4: 105-112.
• 26. Lee L., Johnson L.A., Hammond E.G. (1995). Use of Branched - Chain Esters to Reduce the Crystallization Temperature of Biodiesel. Journal of the American Oich Chemists Society, 72(10): 1155-1160.
• 27. Lin H., Haagenson D.M., Wiesenborn D.P., Pryor S.W. (2011). Effect of trace contaminants on cold soak filterability of canola biodiesel. Fuel, 90: 1771-1777.
• 28. Łączek Т. (2014). Analiza zmian jakości biopaliw B100 zachodzących podczas ich magazynowania w niskich temperaturach. Nafta-Gaz, 2: 115-120.
• 29. Mazanek A., Jakóbiec J., Burnus Z. (2013). The influence of free sterol glycosides on low - temperature parameters of diesel fuel. Combustion Engines, 154(3): 861-866.
• 30. Mendoza L., Plata V., Gauthier-Maradei P. (2018). Effect of minor components on chemical composition, thermal behavior, and morphology of biodiesel precipitate. Fuel, 228: 323-331.
• 31. Menzella H., Peiru S., Vetcher L. (2013). Enzymatic removal of sterylglycosides. International Pat. Appl. Publ. W02013138671 (Al), 19.09.
• 32. Montpetit A., Tremblay A.Y. (2016). A Quantitative Method of Analysis for Sterol Glycosides in Biodiesel and FAME Using GCFID. J Am Oil Chem Soc, 93: 479-487.
• 33. Moreau R.A., Scott K.M., Haas M.J. (2008). The identification and quantification of steryl glucosides in precipitates from commercial biodiesel. J Am Oil Chem Soc, 85: 761-770.
• 34. Munson J.R., Cooke B.S., Bertram B.L. (2009). Biodiesel purification by a continuous regenerable adsorbent process. US Pat. Appl. Publ. US2009199460 (Al), 13.08.
• 35. No S.Y. (2014). Application of hydrotreated vegetable oil from triglyceride based biomass to CI engines - A review. Fuel, 115: 88-96.
• 36. Pfalzgraf L., Lee I., Foster J., Poppe G. (2007). Effect of minor components in soy biodiesel on cloud point and filterability. Inform supplement - biorenewable resources. Champaign, IL: AO CS Press. 4: 17-21.
• 37. Piazza G.J., Foglia T.A. (2001). Rapeseed oil for oleochemical usage. Eur. J. Liquid Sei. Technol., 103(7): 450-454.
• 38. Pieber В., Schober S., Goebl Ch., Mittelbach M. (2010). Novel sensitive determination of steryl glucosides in biodiesel by gas chromatography-mass spectroscopy. Journal of Chromatography A, 1217: 6555-6561.
• 39. Plata V., Gauthier-Maradei P., Kafarov V. (2015). Influence of minor components on precipitate formation and filterability of palm oil biodiesel. Fuel, 144: 130-136.
• 40. Politechnika Gdańska (2002). Chromatografia gazowa - materiały dydaktyczne Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej, https://chem.pg.edu.pl/kcha/dydaktyka/ chromatografia-gazowa (dostęp: wrzesień 2002).
• 41. Schmidt S.R., Krishnamoorthy M.S. et al. (2014). Catalytic purification of fatty acid alkyl esters used in fuels. US Pat. Appl. Publ. US 2014/0109466 (Al), 24.04.
• 42. Seidel E„ Boensch R. et al. (2013). Process of production of biodiesel. US Pat. Appl. Publ. US 2013/0053591 (Al), 28.02.
• 43. Selvidge C„ Blumenshine S., Campbell K„ Dowell C„ Stolis J. (2007). Effect of biodiesel impurities on filterability and phase separations from biodiesel and biodiesel blends. [ W:] Morris R. (ed.). Proceedings of the 10th International Conference on Stability, Handling and Use of Liquid Fuels. International Association for the Stability and Handling of Liquid Fuels. Atlanta.
• 44. Sohling U., Ruf R (2013). Method for biodiesel production and biodiesel precursor production. US Pat. Appl. Publ. US 2013/0263497 (Al), 10.10.
• 45. Sohling U., Ruf R et al. (2011). Process for removing steryl glycosides from biodiesel. US Pat. Appl. Publ. US20110154723 (Al), 30.06.
• 46. Soriano N.U., Migo V.P., Matsumura M. (2006). Ozonized vegetable oil as pour point depressant for neet biodiesel. Fuel, 85: 25-31.
• 47. Stanik W., Jakóbiec J. (2013). Europejska legislacja emisji spalin z pojazdów samocho¬dowych. Autobusy - Technika - Eksploatacja - Systemy transportowe, 6: 28-31.
• 48. Stanik W., Jakóbiec J. (2015a). Czynniki kształtujące proces koksowania wtryskiwaczy układu paliwa silników o zapłonie samoczynnym. Logistyka, 5: 561-567.
• 49. Stanik W., Jakóbiec J. (2015b). Proekologiczny rozwój technologii silników o zapłonie samoczynnym. Autobusy - Technika - Eksploatacji - Systemy Transportowe, 7-8: 191-196.
• 50. Stanik W., Jakóbiec J„ Mazanek A. (2015a). Badania oleju napędowego zawierającego FAME i dodatek cetanowy w zakresie oceny użytkowej i czystości wtryskiwaczy czopi- kowych. Combustion Engines, 3: 933-943.
• 51. Stanik W., Jakóbiec J., Wądrzyk M. (2013). Czynniki kształtujące proces tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i spalania w silniku o zapłonie samoczynnym. Com¬bustion Engines, 3: 40-50.
• 52. Stanik W., Jakóbiec J., Wądrzyk M., Janus R. (2015b). Wpływ stabilności termooksydacyjnej biokomponentów ON na pracę układu wysokociśnieniowego wtrysku paliwa Common Rail. Logistyka, 5: 509-518.
• 53. Szczepaniak W. (1999). Metody instrumentalne w analizie chemicznej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• 54. Tang H„ De Guzman R.C., Salley S.O., Ng K.Y.S. (2008a). Formation of insolubles in palm oil-, yellow grease-, and soybean oil-based biodiesel blends after cold soaking at 4°C. I Am Oil Chem Soc, 85: 1173-1182.
• 55. Tang H., Salley S.O., Ng K.Y.S. (2008b). Fuel properties and precipitate formation at low temperature in soy-, cottonseed-, and poultry fat-based biodiesel blends. Fuel, 87:3006-3017.
• 56. Van Gerpen J., Hammond E., Yu L.,Moneym A., et al., Determining the influence of contaminants on biodiesel properties. SAE Technical Paper 971685,1997.
• 57. Van Hoed V., Zyaykina N„ De Greyt W„ Maes J., Verte R., Demeestere K. (2008). Identification and Occurrence ofSteryl Glucosides in Palm and Soy Biodiesel. J Am Oil Chem Soc, 85: 701-709.
• 58. Waynick J.A. (1994). Evaluation of commercial stability additives in middle distillate fuels. 6th International Conference on Stability and Handling of Liquid Fuels. Rot¬terdam 3-7 October 1994.
• 59. Whuitee T. (2002), Qualitatskriterienfur Biodiesel. 9 CentralesAgrar - Rochstoff - Marketing und Entwicklungs Netzwerk Forum. Niemcy, Straubing.
• 60. Wiślicki В., Walońska М., Krzyżanowski R. (1993). Fizykochemia własności użytkowych estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego jako paliwa do silników Diesla. [W:] Paliwa alternatywne do silników spalinowych. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, Warszawa 1993.
• Akty prawne i normatywne
• 1. ASTM D 2068-17 Standard Test Method for Determining Filter Blocking Tendency.
• 2. ASTM D 6751-19 Standard Specification for Biodiesel Fuel Blend Stock (B100) for Middle Distillate Fuels.
• 3. ASTM D 7501-18 Standard Test Method for Determination of Fuel Filter Blocking Potential (B100) Blend Stock by Cold Soak Filtration Test (CSFT).
• 4. ASTM D 975-20a Standard specification for Diesel Fuel Oils.
• 5. ASTM E 691-19 Standard Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a Test Method.
• 6. EN 590:2009+Al:2010 Automotive fuel - Diesel - Requirements and test methods.
• 7. EN 590:2013-12 Automotive fuel - Diesel - Requirements and test methods.
• 8. Komisja Europejska (2011). Biała Księga. Plan utworzenia jednolitego europejskiego transportu - dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu. KOM(2011) 144 wersja ostateczna, 28.03.
• 9. PN-EN 116:2015-09 Oleje napędowe i oleje opałowe lekkie - Oznaczanie temperatury zablokowania zimnego filtru - Metoda stopniowego schładzania.
• 10. PN-EN 14105:2012 Produkty przetwarzania olejów i tłuszczów - Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME) - Oznaczanie zawartości wolnego i ogólnego glicerolu oraz mono-, di- i triacylogliceroli.
• 11. PN-EN 14214+A2:2019-05 Ciekłe przetwory naftowe - Estry metylowe kwasów tłusz¬czowych (FAME) do użytku w silnikach samochodowych o zapłonie samoczynnym (Diesla) i zastosowań grzewczych - Wymagania i metody badań.
• 12. PN-EN 16934:2017-10 Paliwa do pojazdów samochodowych oraz produkty przetwarzania olejów i tłuszczów - Oznaczanie glukozydów steroli w estrach metylowych kwasów tłuszczowych (FAME) - Metoda GC-MS ze wstępnym oczyszczaniem techniką SPE.
• 13. PN-EN 17057:2018-02 Paliwa do pojazdów samochodowych oraz produkty przetwarzania olejów i tłuszczów - Oznaczanie zawartości nasyconych monoacylogliceroli w estrach metylowych kwasów tłuszczowych (FAME) - Metoda GC-FID.
• 14. PN-EN ISO 12966-1:2015-01 - wersja angielska, Oleje i tłuszcze roślinne oraz zwierzęce - Chromatografia gazowa estrów metylowych kwasów tłuszczowych - Część 1: Przewodnik po nowoczesnej chromatografii gazowej estrów metylowych kwasów tłuszczowych.
• 15. PN-EN ISO 12966-4:2015-07 Oleje i tłuszcze roślinne oraz zwierzęce - Chromatografia gazowa estrów metylowych kwasów tłuszczowych - Część 4: Oznaczanie techniką kapilarnej chromatografii gazowej.
• 16. PN-EN ISO 3015:2019-06 Przetwory naftowe i produkty podobne pochodzenia syntetycznego i biologicznego - Oznaczanie temperatury mętnienia.
• 17. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 października 2016 r. w sprawie metod badania jakości biopaliw ciekłych (Dz. U. z 2016 r. poz. 1802).
• 18. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 maja 2016 r. w sprawie wymagań jakościowych dla biopaliw ciekłych (Dz. U. z 2016 r. poz. 771).
• 19. Worldwide Fuel Charter, Fifth Edition. September 2013. European Automobile Manufacturers Association, Belgium, Alliance of Automobile Manufacturers, USA, Truck and Engine Manufacturers Association, USA, Japan Automobile Manufacturers Association, Japan.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).