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Main Title: Base Catalyzed Glycerolysis of Fatty Acid Methyl Esters: Investigations Towards the Development of a Continuous Process
Translated Title: Basekatalysierte Glycerolyse von Fettsäuremethylester: Untersuchungen zur Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses
Author(s): Negi, Devender
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die basekatalysierte Glycerolyse von Fettsäuremethylester (FAME) wurde in dieser Arbeit mit dem Ziel untersucht, einen kontinuierlichen Prozess für diese Reaktion zu entwickeln. Die Hauptprodukte der Umsetzung sind Mono- und Diglyceride, welche überwiegend als Emulgatoren in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet werden. Monoglyceride werden kommerziell über die basekatalysierte Glycerolyse von Fetten und Ölen hergestellt, meist in Batch-Reaktoren. Durch die Glycerolyse von Fettsäuremethylester können Monoglyceride mit der gewünschten Eigenschaften für spezifische Anwendungen bereitgestellt werden, da dafür Ester einzelner Fettsäuren eingesetzt werden können. Die Glycerolyse stellt eine gleichgewichtlimitierte flüssig-flüssig-Reaktion dar, wobei die Reaktionskinetik und das Phasenverhalten des Reaktionsgemisches zu Beginn dieses Projektes noch nicht vollständig verstanden war. Voraussetzungen für die Auswahl einer günstigen Verfahrensalternative für diese Reaktion waren die Identifizierung und Charakterisierung der Faktoren, die die Reakionskinetik beeinflussen. Auf Basis von vorherigen Untersuchungen über FAME-Glycerolyse wurde der Effekt von Stofftransportphänomenen und der Löslichkeit von flüssig-flüssig Systemen auf die Reaktionsgeschwindigkeit untersucht. Die Tropfengrößenverteilung wurde in Abhängigkeit vom Esterumsatz in Batchreaktionen bestimmt. Es wurde herausgefunden, dass die Reaktionsgeschwindigkeit bei höher Rührerdrehzahl unabhängig von Stofftransportlimitierungen ist. Die Glycerinlöslichkeit hat dagegen einen deutlichen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die experimentell bestimmte Löslichkeit von Glycerol in der Esterphase wich in Gegenwart von Monoglycerid stark von den mit UNIFAC und UNIFAC-Dortmund berechneten Werten ab. In dieser Arbeit wurde ein kinetisches Modell verwendet, dass auf den Untersuchungen von T. Kimmel [1] basiert. In diesem Modell wurde eine empirische Beziehung für die Glycerolkonzentration in der Esterphase benutzt. Um die Modell-Parameter zu bestimmen, wurden Experimente im Batch-Reaktor durchgeführt. Als kontinuierlicher Reaktor wurde eine Glockenboden-Kolonne als potenziell vorteilhaft angesehen, da bei einer effizienten Entfernung des Nebenproduktes Methanol aus der flüssigen Reaktionsmischung höhere Reaktionsgeschwindigkeiten und Umsätze zu erwarten sind. Experimente mit einem einzelnen Glockenboden unterstützten zunächst diese Annahme, aber Simulation für eine Bodenkolonne zeigten eher niedrige Gesamtumsätze. Simulationen für einen kontinuierlichen Rührkessel (CSTR) mit Methanol Entfernung zeigten höhere Gesamtumsätze als eine Bodenkolonne mit gleichem Flüssigkeitsvolumen. Auf Grundlage dieser Simulationsergebnisse wurden Verifikationsexperimente ausgeführt. Die experimentell bestimmten Werte für Ester-Umsatz und Monoglycerid-Selektivität waren in guter Übereinstimmung mit der Simulationsergebnissen.
The base catalyzed glycerolysis of fatty acid methyl esters (FAME) has been investigated in this work with the aim to develop a continuous process for this reaction. Mono- and diglycerides are the main products of this reaction, which find major use as emulsifiers in food and pharmaceutical products. Monoglycerides are commercially manufactured by the base catalyzed glycerolysis of fats and oils, mostly using batch reactors. However, the glycerolysis of fatty acid methyl esters can be used to produce monoglycerides with desirable emulsification properties for specific end uses. The glycerolysis reaction represents an equilibrium limited liquid-liquid reaction where the reaction kinetics and phase behavior were not properly understood at the beginning of this project. For selecting favorable process alternatives for this reaction, a prerequisite was the identification and characterization of the factors that affect the reaction kinetics. Following previous investigations on FAME glycerolysis, the effect of mass transfer limitations and liquid-liquid solubility on the reaction rate was studied in this work. The drop size distribution was investigated parallel to the ester conversion during batch reactions. It was found that under well stirred conditions the reaction is not limited by mass transfer. Rather, the changing glycerol solubility was found to be responsible for the observed reaction rate behavior. The glycerol solubility in the ester phase as predicted by the activity coefficient models UNIFAC and UNIFAC-Dortmund was found to deviate largely from the experimentally observed values in the presence of monoglyceride. A kinetic model based on Kimmel's work [1] was used in this study. In this model an empirical relation was used for the glycerol concentration in the ester phase. To determine the model parameters, experiments were carried out in a batch reactor. As a continuous reactor, a bubble cap tray column was considered potentially advantageous as faster reaction rates and higher conversions were expected by efficiently removing the by-product methanol from the liquid reaction mixture. Experiments with a single bubble cap tray supported this fact but the simulations carried out for a cascade of trays showed low overall conversions. Simulations for a continuous flow stirred tank reactor (CSTR) with methanol removal showed higher overall conversion as compared to a cascade of trays with the same total liquid holdup as the volume of a single CSTR. Experiments were carried out in a CSTR for the verification of the simulations. The experimentally obtained ester conversion and monoglyceride selectivity was found to be in good agreement with simulation results.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13260
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1690
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1393
Exam Date: 7-Jun-2006
Issue Date: 10-Jul-2006
Date Available: 10-Jul-2006
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Fettsäuremethylester
Flüssig-Flüssig Reaktion
Glycerolyse
Monoglyceride
Umesterung
Fatty acid methyl ester
Glycerolysis
Liquid-liquid reaction
Monoglycerides
Transesterification
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