Biodiesel aus gebrauchtem Küchenfett oder Pflanzenöl[Autor: Mike Pelly, Übersetzung: C.Hirschhäuser, Bearbeitung: M.Neihs]Alte Brat- und Fritierfette aus Gastronomie und Großküche sind ein wertvoller Rohstoff zur Herstellung von Biodiesel. Täglich landen mehrere Tonnen gebrauchtes Öl und Küchenfett achtlos im Abfall. Unseren Rohstoff kann man daher meistens kostenlos und sogar in größeren Mengen direkt vom Erzeuger beziehen. Neben diesen zu verwertenden Altfetten und Abfallölen benötigt man nur einige wenige verbreitete Chemikalien sowie eine kleine Geräteausrüstung, die man ohne weiteres selber bauen oder in der Apotheke erwerben kann.Ziel soll es sein, preiswertes, sauber verbrennendes, ungiftiges, erneuerbares, qualitativ hochwertiges Dieselöl, das man in jedem (Diesel) PKW ohne Modifikationen nutzen kann, herzustellen.

Herkömmlicher Diesel-Kraftstoff von der Tankstelle Üblicher Diesel-Kraftstoff (Dieselöl) besteht aus langkettigen Gemischen verschiedener gesättigter (Paraffine, Alkane) und ungesättigter (Olefine, Alkene) Kohlenwasserstoffe hoher Dichte und Siedetemperatur (180 bis 370 Grad C). Er zählt zu den Mineralölen, die in ihren physikalischen Eigenschaften den Ölen der lebenden Organismen ähneln, jedoch nicht wie diese aus Fettsäureglyceriden bestehen.

Warnhinweise Achtung! Dieser Versuch darf nur in entsprechend ausgerüsteten Chemie-Laboratorien unter Beachtung der gesetzlichen Sicherheits- und Umweltvorschriften durchgeführt werden!Bei sachgerechter Handhabung geht von diesem Experiment keine Gefahr aus. Dennoch erfolgt die Durchführung der hier dargestellten Arbeitsschritte und die Anwendung des Produktes grundsätzlich auf eigenes Risiko! ChemInsight übernimmt keine Verantwortung!In jedem Fall wird die bei chemischen Arbeiten erforderliche Schutzkleidung (Baumwollkittel, dicht sitzende Schutzbrille, festes Schuhwerk und Gummihandschuhe) dringend empfohlen. Bei den folgenden Chemikalien handelt es sich um Gefahrstoffe, die für Kinder und Haustiere unzugänglich aufbewahrt werden müssen und entsprechend der geltenden Gefahrenhinweise (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze) gehandhabt werden müssen! Methanol (Methylalkohol, Methylhydroxid)[R11] Leichtentzündlich.[R23] Giftig beim Einatmen.[R24] Giftig bei Berührung mit der Haut.[R25] Giftig beim Verschlucken.[R39] Ernste Gefahr irreversiblen Schadens.[S07] Behälter dicht geschlossen halten.[S16] Von Zündquellen fernhalten, nicht rauchen.[S36] Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen.[S37] Geeignete Schutzhandschuhe tragen.[S45] Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen. Isopropanol (Isopropylalkohol, 2-Propanol)[R11] Leichtentzündlich.[R36] Reizt die Augen.[R67] Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.[S07] Behälter dicht geschlossen halten.[S16] Von Zündquellen fernhalten, nicht rauchen.[S24] Berührung mit der Haut vermeiden.[S25] Berührung mit den Augen vermeiden.[S26] Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren. Natriumhydroxid (wässrige Lösung = Natronlauge)[R35] Verursacht schwere Verätzungen.[S26] Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.[S37] Geeignete Schutzhandschuhe tragen.[S39] Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.[S45] Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen.

Natriummethanolat (Natriummethylat, Natriummethoxid)[R11] Leichtentzündlich.[R14] Reagiert heftig mit Wasser.[R34] Verursacht Verätzungen.[S08] Behälter trocken halten.[S16] Von Zündquellen fernhalten, nicht rauchen.[S26] Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.[S43] Zum Löschen einen trockenen chemischen Stoff verwenden. Kein Wasser verwenden.[S45] Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen.

I. Zutaten

Mischung: - Altes Pflanzenöl APÖ (altes Küchenöl, Fritierfett, Salatöl)- Methanol CH3OH (Reinheit: 99%)- Natriumhydroxid NaOH (in fester Form meist als Plättchen, stark hygroskopisch)

Titration: - Isopropylalkohol CH3-CH(OH)-CH3 (Reinheit 99%)- Destilliertes Wasser (darf nicht verschluckt werden)- Phenolphthaleinlösung[*] (Indikator, lichtempfindlich)

Waschen: - Essig (= verdünnte Essigsäure)- Destilliertes Wasser (darf nicht verschluckt werden

[*] "Phenol" oder "Phenol-Rot" aus dem Fachhandel für Swimming Pools ist nicht unbedingt Phenolphthalein, kann aber auch benutzt werden, obwohl dann andere Bedingungen gelten.

II. benötigte Geräte

Glasstab oder Rührwerk 1x 1 Liter Glasflasche 1x 100 ml Erlenmeyerkolben 2x 100 ml Becherglas 1x 500 ml Becherglas 1x 25 bis 50 ml Bürette 1x 250 ml Messzylinder oder Messbecher

III. Durchführung:

1. Man filtert das APÖ, um Essensreste und ähnliches zu entfernen.2. Kochen des APÖ, um Wasserreste zu entfernen (optional).3. Durchführung einer Titration, um festzustellen, wieviel NaOH benötigt wird.4. Darstellung des Natriummethanolats.5. Erhitzen des APÖ und Zugabe des Natriummethanolats.6. Trennen der einzelnen Reaktionsprodukte.7. Behandlung entstandener Nebenprodukte.8. Biodiesel: Reinheit & Qualität.

Die Reaktion heißt Umesterung und ist der Verseifung sehr ähnlich. Um Seife herzustellen, braucht man eine Fettsäure oder ein Triglycerid (Öl oder Küchenfett) und versetzt es mit Natronlauge. Natronlauge ist eine Lösung aus Natriumhydroxid (NaOH) und Wasser. Die Reaktion separiert die Esterketten in Glycerin und Fettsäure. Das entstehende Natriumsalz der Fettsäure ist die gewünschte Seife.

Für eine Umesterung werden Lauge und Methanol gemischt, um Natriummethanolat darzustellen. Dies ergibt zusammen mit Fett: Glycerin und Biodiesel (Fettsäuremethylester) und auch etwas Seife, wenn man nicht sauber arbeitet (dazu später mehr). Würde man Ethanol benutzen, bekäme man den Fettsäureethylester.

1. FilterungDas APÖ muss gefiltert werden, um Essensreste und sonstige Partikel zu entfernen. Dazu empfiehlt es sich, das Öl auf ca. 35° C zu erwärmen, damit es besser fließt. Als Filter bietet sich eine Doppelte Lage aus Käsetüchern in einem Sieb oder ein Kaffeefilter an.

2. Entfernen des WassersViele erhitzen das APÖ, um sämtliche Wasserreste zu entfernen, denn diese verlangsamen die Reaktion und führen zur Seifenbildung. Je weniger Wasser enthalten ist, um so besser. Und so wird es gemacht: Das APÖ wird auf 100° C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird das Wasser verkocht. Ein Mixer verhindert, das beim Kochen Öl verspritzt. Wenn das Öl nicht mehr kocht, wird die Temperatur noch einmal für 10 Minuten auf 130° C erhöht. Danach lässt man das Öl abkühlen. Es sollte bedacht werden, daß dieser Prozeß einiges an Energie verbraucht.

3a. Die TitrationUm zu bestimmen, wieviel Natriumhydroxid (NaOH) für die Umsetzung der gesamten Menge an APÖ benötigt wird, muß eine Titration durchgeführt werden. Dies ist der schwierigste Schritt bei dem ganzen Prozeß und auch der kritischste. Diese Titration muss so genau wie möglich gemacht werden! Wichtig: Reines und festes NaOH in Form von Plättchen ist hygroskopisch (wasseranziehend). Es sollte stets trocken und luftdicht gelagert werden.Man löst 40 g (dies entspricht einer Stoffmenge von 1 mol) festes Natriumhydroxid NaOH vollständig in 1 Liter destilliertem Wasser. Die entstehende Natriumhydroxid Lösung (Natronlauge) besitzt dann eine Stoffmengenkonzentration von 1 mol/l. In Fachkreisen spricht man auch von einer 1-molaren Lösung. Es ist sehr wichtig, daß diese Lösung in keiner Weise kontaminiert (verunreinigt) wird, denn man kann sie zu einem späteren Zeitpunkt für viele weitere Titrationen einsetzen. Die Natronlauge ist unsere Referenzlösung für die nun folgende Titration:Man überführt genau 1,0 ml APÖ in ein kleines Becherglas oder (sofern vorhanden) entsprechend proportionierten Erlenmeyerkolben. Anschließend wird diese Probe mit 10,0 ml Isopropylalkohol (Isopropanol) verdünnt, um das zumeist hochviskose (zähflüssige) APÖ besser verarbeiten zu können. Zu dieser Lösung (in der Fachwelt auch als 'Vorlage' bezeichnet) werden nun zwei Tropfen Phenolphthalein gegeben. In sauren Lösungen ist Phenolphthalein farblos, in basischen Medien verfärbt es sich rot. Wichtig: Phenolphthalein Lösung hält sich ungefähr nur 1 Jahr. Dies allerdings auch nur dann, wenn es im Dunkeln aufbewahrt wird.Nun wird mit der Natronlauge titriert. Dazu benötigt man ein skaliertes Instrument, mit dem man möglichst genau die zugegebene Menge an Natronlauge bestimmen kann. Ein solches Instrument kann man in der örtlichen Apotheke bereits für wenig Geld erwerben. Man nennt dieses Gerät Bürette. Die Bürette wird komplett mit Natronlauge bis zur oberen Nullmarke aufgefüllt. Im unteren Teil der Bürette befindet sich ein Dosierventil. Dieses wird bei Titrierbeginn so justiert, daß die Natronlauge nur tropfenweise aus der Bürette heraus in die APÖ-Lösung fließt.

Die BüretteNach jedem Tropfen muss sorgfältig gerührt werden. Irgendwann wird die Lösung pink und bleibt in dieser Färbung für ca. 10 Sekunden stabil. In diesem Zustand hat die Lösung einen pH-Wert von ungefähr 8-9. Bei weiterer Zugabe wird die Lösung vollständig rot (magenta). Es ist jedoch wichtig, den Punkt zu finden, der einem pH-Wert von 8-9 entspricht. Ab diesem Punkt darf keine weitere Lauge hinzutitriert werden. Nun kann man den Verbrauch in ml an Natronlauge an der Bürette ablesen.Es bietet sich an, die Titration mehrmals durchzuführen, um sicher zu gehen, daß man den richtigen Punkt (Farbumschlag des Phenolphthaleins von farblos nach pink) gefunden hat. Aus den Meßergebnissen (Verbrauch an Natronlauge in ml) der durchgeführten Titrationen bildet man dann einen aussagekräftigen Mittelwert (gemittelter Verbrauch an Natronlauge in ml). Erfahrungsgemäß werden je nach Alter und Zusammensetzung des APÖs 1,5 bis 3,0 ml Natronlauge benötigt.Anmerkungen: Statt Phenolphthalein kann man auch Lackmuspapier oder ein PH-Meter benutzen. Probiert man diese Titration noch einmal mit frischem Küchenöl, so wird man feststellen, daß man wesentlich weniger Lauge benötigt.

3b. Berechnung: wieviel Natriumhydroxid wird benötigt?Da wir nur eine kleine, stellvertretende Teilmenge an APÖ (Vorlage 1,0 ml) für die Titration eingesetzt haben, müssen wir als nächstes ermitteln, wieviel Natronlauge benötigt wird, um das gesamte APÖ umzusetzen. Dies ist eine einfache Rechenaufgabe (Dreisatz-Beziehung):Nehmen wir an, wir hätten insgesamt 250 ml APÖ aus diversen Quellen zusammengetragen, so hätte sich bei der Titration dieser gesamten Menge an APÖ ein sehr viel größerer Verbrauch an Natronlauge ergeben, nämlich der genau 250-fache Verbrauch.

[ 2,40 ml ] x [ 250 ] = [ 600,0 ml ]

[Beispielwert! gemittelter Verbrauch an Natronlauge bei einer APÖ-Vorlage von 1,0 ml][Multiplikationsfaktor][Verbrauch an Natronlauge zur Umsetzung der gesamten APÖ Menge]

Nun können wir auch ausrechnen, wieviel Gramm reines Natriumhydroxid (feste Plättchen) für die Umsetzung der gesamten APÖ-Menge verbraucht werden. Dieser Wert läßt sich direkt aus der Konzentration unserer Natronlauge und dem Verbrauch ableiten:

[ 40,0 g / 1000 ml ] x [ 600,0 ml ] = [ 24,0 g ]

[Konzentration der Natronlauge, hier 1-molar][Verbrauch an Natronlauge zur Umsetzung der gesamten APÖ Menge][Masse der benötigten Menge an reinem Natriumhydroxid]

4. Herstellung des NatriummethanolatWie anhand unseres Beispiels ermittelt, benötigen wir also 24,0 g Natriumhydroxid für die Verseifung der gesamten Menge unseres zur Verfügung stehenden APÖ. Da wir für unsere Hauptreaktion (Umesterung) jedoch keine Natronlauge sondern ein Alkoholat einsetzen möchten, muss zunächst noch berechnet werden, wieviel ml des entsprechenden Alkohols (in unserem Falle Methanol) eingesetzt werden müssen. Grundlage dieser stöchiometrischen Beziehung bildet die folgende Gleichung:

Na-OH + CH3-OH → CH3-O-Na + H2O

An der Reaktion ist also jeweils 1 Mol des entsprechenden Edukts (Ausgangsstoffes) beteiligt. 1 Mol des Stoffes Natriumhydroxid entspricht einer Masse von 40,0 g und 1 Mol des Stoffes Methanol entspricht einer Masse von 32,0 g. Um auszurechnen, welche korrespondierende Menge an Methanol benötigt wird, wenn - wie in obigem Falle - nur 24,0 g reines Natriumhydroxid zum Einsatz kommen, kann wieder mittels Dreisatz-Beziehung ermittelt werden.

40,0 g NaOH ... entspricht ... 32,0 g Methanol24,0 g NaOH ... entspricht ... [x] g Methanol[x] = 19,2 g reines Methanol

Wir benötigen in unserem Falle also 19,2 g reines Methanol zur Herstellung von Natriummethanolat. Wer möchte, kann nun 19,2 g reines Methanol abwiegen. Das Abwiegen von Lösungsmitteln ist allerdings weniger gebräuchlich. Einfacher und schneller in der Handhabung wäre eine Angabe über das entsprechend einzusetzende Volumen an Methanol in ml. Aus der Dichte des Methanols kann man diesen Wert ermitteln. Reines Methanol besitzt bei 20° C eine Dichte von 0,791 g/ml. Um an das Volumen heranzukommen, wenden wir wieder unseren altbekannten Dreisatz an:

00,791 g Methanol ... entspricht ... 1,00 ml Volumen19,200 g Methanol ... entspricht ... [x] ml Volumen[x] = 24,27 ml reines Methanol

Wir benötigen in unserem Falle also 24,27 ml (gerundet 25 ml) reines Methanol zur Herstellung von Natriummethanolat. Mit einem geeigneten Meßbecher läßt sich diese Menge leicht abfüllen. 25 ml Methanol werden nun in unser Reaktionsgefäß (z.B. ein Becherglas) überführt. Die Menge an festen NaOH-Plättchen gibt man mit einem Teelöffel(*) in kleinen Portionen unter ständigem Rühren hinzu. Die Reaktion zu Natriummethanolat ist exotherm. Exotherm bedeutet, daß sich das Reaktionsgemisch selbständig erwärmt. Es muß so lange gerührt werden, bis sich das gesamte Natriumhydroxid vollständig gelöst hat. Zum Rühren eignet sich bspw. ein Glasstab, der ebenfalls in der Apotheke erworben werden kann. Nach 10 bis 20 Minuten sollte die Reaktion abgeschlossen sein. (*) Der Teelöffel darf als Eßbesteck nicht mehr eingesetzt werden.Vorsicht!Natriummethanolat ist mit extremer Vorsicht zu behandeln! Es dürfen keinerlei Dämpfe eingeatmet werden. Kommt es in Berührung mit der Haut, treten Verbrennungen auf, die erst bemerkt werden, wenn es zu spät ist. Man sollte stets einen Schlauch mit fließendem Wasser griffbereit haben, wenn man mit Natriummethanolat arbeitet. Außerdem wirkt es sehr korrodierend auf Farben und Lacke.Natriumhydroxid ist stark ätzend. Ein dirketer Kontakt mit den Augen und Schleimhäuten ist zu vermeiden. Es reagiert mit Aluminium, Zink und Blech. Das Reaktionsgefäß sollte daher aus einem inerten Material bestehen. Eine gute Wahl sind Reaktionsgefäße aus Edelstahl, Glas oder glasiertem Ton.

5. HauptreaktionDen APÖ Vorrat erwärmen wir nun in einem zweiten, größeren Becherglas (dies ist der "Hauptreaktor") auf rund 50 bis 60° C, damit er besser fließt und sich dadurch besser verarbeiten und rühren läßt. Das gewonnene Natriummethanolat wird unter Rühren zum warmen APÖ gegeben und dann für ca. 50 Minuten bis zu einer Stunde gerührt. Meistens ist die Reaktion bereits nach 30 Minuten abgelaufen, aber längeres Rühren erhöht die Ausbeute.Wurde zu viel Natriumhydroxid verwendet (Überschuss an NaOH bei der Natriummethanolat Darstellung), ist das Ergebnis ein Gel. Wurde zu wenig Natriumhydroxid verwendet (Mangel an NaOH bei der Darstellung von Natriummethanolat), reagiert nicht das ganze APÖ und man erhält mehrere Produktphasen: Oben

Biodiesel, darunter die Reste des APÖ und am Boden Glycerin. War zu viel Wasser vorhanden, so wird sich noch eine Schicht Seife über dem Glycerin absetzen. Diese Phase ist schwer von dem restlichen APÖ und dem Glycerin zu trennen.

6. Reaktionsprodukte trennenNach Abschluß der Reaktion läßt man das Reaktionsgemisch solange ruhen, bis sich einzelne Phasen unserer Produkte (Stoffe lassen sich nicht homogen vermischen und ordnen sich in mehreren Schichten übereinander an) scharf abzeichnen. Die Methylester-Biodiesel (honigfarben) setzen sich oben ab, während die dichteren Komponenten (dunkel braun) unten bleiben und wahrscheinlich eine zähe Masse bilden werden. Die untere Phase besteht vorallem aus hochviskosem bis festem Glycerin. Die dunkle Farbgebung resultiert überwiegend aus Verunreinigungen.Wir wollen nun die einzelnen Phasen voneinander trennen. Hierzu stehen zwei Verfahren zur Auswahl:Je nachdem, welche Temperatur das Reaktionsgemisch noch besitzt, empfiehlt sich entweder ein Abdekantieren der oberen Phase oder ein Abscheiden der unteren Phase. Das Abscheiden vollstreckt sich mit einem sog. Scheidetrichter und setzt voraus, das noch alle Komponenten unseres Produktgemisches flüssig sind. Beim Abdekantieren wird die obere Biodiesel Produktphase direkt aus unserem "Hauptreaktor" vorsichtig in ein weiteres Becherglas überführt.

7a. GlycerinDas aus dem APÖ gewonnene Nebenprodukt Glycerin ist braun und wird bei ca. 38° C fest. Glycerin aus frischem Öl hat meist einen niedrigeren Festpunkt. Das entstandene Glycerin kann kompostiert werden. Vorher muss jedoch eventuell noch vorhandenes Methanol entfernt werden. Dazu lässt man das Glycerin entweder drei Tage in einem gut belüfteten Raum stehen oder man verkocht das Methanol bei 66° C. Bei dieser Methode kann das Methanol, nachdem es kondensiert ist, aufgefangen und eventuell sogar wiederverwendet werden.

7b. SeifenrückständeDa bei dieser Art der Darstellung von Natriummethanolat auch Wasser entsteht, kommt es auch immer zur Bildung von Seife, die dann in dem Biodiesel gelöst verbleibt. Sollten große Mengen an Seife entstehen, so war das eingesetzte Natriumhydroxid wahrscheinlich nicht wasserfrei oder das APÖ hatte noch einen größeren Wasseranteil. In diesem Fall muss das APÖ vorher abgekocht werden. Alternativ bietet es sich an, flüssiges APÖ-Ausgangsmaterial mit CaCl2 Calziumchlorid auszuschütteln.

8a. QualitätsfaktorenDie im Biodiesel enthaltene Seife bestimmt die Qualität des Kraftstoffes. Je weniger Seife vorhanden ist, desto hochwertiger der Biodiesel. Die Reinheit des Biodiesel läßt sich zum Beispiel mittels Destillation steigern. Mit diesem Verfahren lassen sich auch die Ester unterschiedlicher Fettsäure-Kettenlängen als einzelne Fraktionen gewinnen. Voraussetzung dafür ist allerdings eine professionelle Laborausstattung (Art der Rückflusskühler & Fraktionierkolonnen).

8b. Qualitätskontrolle (optisch)Der gewonnene Biodiesel ist honigfarben. Diese Farbgebung sollte er auch im erkalteten Zustand besitzen. Bei auftretender Trübung sollte das Produkt erneut getrocknet werden. Schwimmen Partikel und Fremdstoffe im Biodiesel, sind diese mittels Filtration zu entfernen.