Αξιοποίηση παραπροϊόντων καφέ στην παραγωγή στερεών και υγρών βιοκαυσίμων

Abstract

Σαν βιοκαύσιμα μπορούν να οριστούν ως τα καύσιμα που παράγονται από τις βιολογικές (π.χ. γεωργικές) πηγές και ποικιλία άλλων πρώτων υλών. Πολλές από αυτές είναι γεωργικά προϊόντα που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά στην τροφική αλυσίδα. Ως πρώτη ύλη για το βιοντίζελ συνιστούν γενικά τα φυτικά έλαια που προέρχονται από σπόρους. Μια συνεχώς αυξανόμενη παραγωγή των βιοκαυσίμων συνεπώς, πιθανόν να απομάκρυνε τους γεωργικούς πόρους από άλλες χρήσεις. Εντούτοις, μη φαγώσιμα οργανικά υλικά, όπως τα κυτταρινικά υλικά από τις χλόες (συμπεριλαμβανομένου του άχυρου) και το ξύλο, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν βίο-καύσιμα. Αν και οι δαπάνες επεξεργασίας αυτών των υλών υπερβαίνουν στην παρούσα φάση εκείνες της επεξεργασίας των αγροτικών υλών, μια αύξηση στην παραγωγή βιοκαυσίμων βασισμένη στις πρώτες θα είχε μικρότερη σύνδεση με τις αγορές γεωργικών προϊόντων. Τα βιοκαύσιμα μπορούν να παραχθούν ακόμη και από τα αστικά και βιομηχανικά απόβλητα. Η ταχεία ανάπτυξη της κατανάλωσης ενέργειας και, πιο συγκεκριμένα, η αυξημένη χρήση ορυκτών καυσίμων στον τομέα των μεταφορών, έχει οδηγήσει σε υπερβάλλουσα μεγέθυνση εκπομπών ρύπων και κατά συνέπεια σε σημαντική μόλυνση του περιβάλλοντος σε τοπικό, περιφερειακό και διεθνές επίπεδο. Οι υψηλές τιμές του ακατέργαστου πετρελαίου, η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση, παράλληλα με τα πεπερασμένα αποθέματά του, δημιουργούν πρόσθετα οικονομικά κίνητρα για τη χρησιμοποίηση εναλλακτικών πηγών καυσίμων, και έτσι ενθαρρύνουν την έρευνα σε αυτήν την περιοχή. Τέλος, η αναζήτηση από μέρους των αγροτικών συνεταιρισμών/οργανώσεων νέων εναλλακτικών καλλιεργειών με υψηλότερες αποδόσεις, αποτελεί επίσης έναν παράγοντα που συντελεί στη σχετική συζήτηση. iv Ο τομέας των μεταφορών εκτιμάται ότι συμμετέχει με ποσοστό πάνω από 30% στη συνολική κατανάλωση ενέργειας στην ΕΕ. Σο γεγονός αυτό αποτελεί σημαντικό λόγο λήψης άμεσων μέτρων για την μείωση της κατανάλωσης συμβατικών καυσίμων στις μεταφορές και την αποτροπή της αύξησης εκπομπών CO2, δεδομένου ότι ο τομέας αυτός αναπτύσσεται ταχέως τις τελευταίες δεκαετίες. Προς αυτήν την κατεύθυνση, η ΕΕ έχει ήδη θέσει συγκεκριμένους στόχους για την ανάπτυξη του τομέα των βιοκαυσίμων: έως το 2020 το 10% των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στις οδικές μεταφορές θα πρέπει να αντικατασταθεί από βιοκαύσιμα. Έτσι θα μειωθεί σημαντικά η εξάρτηση της ΕΕ από τις εισαγωγές ορυκτών καυσίμων διασφαλίζοντας το εγχώριο ενεργειακό ισοζύγιο και δημιουργώντας ευκαιρίες ανάπτυξης της αγροτικής και ενεργειακής οικονομίας καθώς και νέες ευκαιρίες στον τομέα της Έρευνας και Ανάπτυξης. Η εθνική πολιτική, μέσω του νόμου 3423/2005 που εναρμονίζεται με την Ευρωπαϊκή Οδηγία 2003/30/EC, έχει θεσμοθετήσει τη χρήση των βιοκαυσίμων στην ελληνική αγορά, ικανοποιώντας τη δέσμευση της χώρας μας ως Κράτους Μέλους της ΕΕ για σύγκλισή της με το όραμα και την πολιτική της ΕΕ στον τομέα της ανάπτυξης των βιοκαυσίμων. ΢την παρούσα φάση το βιοντίζελ είναι το μοναδικό βιοκαύσιμο που παράγεται στην Ελλάδα, και χρησιμοποιείται σε ποσοστό ανάμιξης με το ντίζελ κίνησης 7%.Η κατανάλωση καυσίμων μεταφορών (και ιδιαίτερα του ντίζελ κίνησης) αναμένεται, ωστόσο, να αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Πέραν της αύξησης αυτής, ο στόχος για το μερίδιο βιοκαυσίμων στην ελληνική αγορά φαίνεται ότι είναι δύσκολο να επιτευχθεί και για το λόγο αυτό θα πρέπει να πραγματοποιηθούν συντονισμένες προσπάθειες, προκειμένου η χώρα μας να αυξήσει την χρήση βιοκαυσίμων, αλλά και να συνεισφέρει στην επίτευξη του στόχου της ΕΕ για την ανάπτυξη των βιοκαυσίμων στην Ευρώπη. Ο καφές είναι ένα από τα μεγαλύτερα γεωργικά προϊόντα που χρησιμοποιείται κυρίως για ροφήματα. ΢ύμφωνα με το Σμήμα Γεωργίας των Η.Π.Α. η παγκόσμια παραγωγή καφέ είναι 7,35 δισεκατομμύρια kg ανά έτος. v Η ποσότητα του ελαίου που προέρχεται από τον καφέ ποικίλλει από 11 έως 20% ανάλογα με τα είδη του. Κατά μέσο όρο οι χρησιμοποιημένοι κόκκοι καφέ περιέχουν περίπου 12% έλαιο, το οποίο μπορεί να μετατραπεί σε ανάλογη ποσότητα βιοντίζελ μέσω μεθόδων μετεστεροποίησης. Αυτό είναι αρκετά σημαντικό σε σχέση με άλλες βασικές πρώτες ύλες του βιοντίζελ, όπως λάδι ελαιοκράμβης(37-50%), φοινικέλαιο(20%) και σογιέλαιο(20%). Αυτό μπορεί να προσθέσει περίπου 340 εκατομμύρια γαλόνια στον παγκόσμιο εφοδιασμό καυσίμου. Σαν βιοντίζελ από καφέ διαθέτει την καλύτερη σταθερότητα συγκριτικά με βιοντίζελ από άλλες πηγές, λόγω του υψηλού αντιοξειδωτικού περιεχομένου. Σαν υπόλοιπα στερεά απόβλητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λίπασμα, ως πρώτη ύλη για παραγωγή αιθανόλης και ως pellets καυσίμων. Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στην πράξη την μελέτη της αξιοποίησης των παραπροϊόντων καφέ προς παραγωγή υγρών και στερεών βίο-καυσίμων. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε περιλάμβανε την ξήρανση υπολειμμάτων καφέ, την εκχύλισή τους με διαλύτη εξάνιο, την μετέπειτα απόσταξη του εκχυλίσματος για τον διαχωρισμό του ελαίου από το εξάνιο και την μετεστεροποίηση του ελαίου με μεθανόλη και καταλύτη το καυστικό κάλιο (ΚΟΗ) για την παραγωγή μεθυλεστέρων. Για τις αντιδράσεις μετεστεροποίησης πραγματοποιήθηκαν αναμίξεις του ελαίου του καφέ με ηλιέλαιο και με χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια σε διαφορετικές αναλογίες. ΢το τέλος κάθε πειραματικής προσπάθειας μετρήθηκαν οι σχετικές με το βιοντήζελ φυσικοχημικές ιδιότητες. Επιπλέον απαραίτητη θεωρήθηκε και η μέτρηση της απόδοσης σε λάδι των υπολειμμάτων καφέ. Οι αναλύσεις που έγιναν στα προϊόντα απέδειξαν ότι το έλαιο του καφέ από μόνο του δεν είναι ικανό να παράγει βιοντήζελ. Όμως, η χρησιμοποίησή του σε μίγματα με άλλα φυτικά αλλά και μαγειρεμένα έλαια έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή μεθυλεστέρων. Αξίζει ακόμα να σημειωθεί ότι παρουσιάστηκε ενδιαφέρον για το έλαιο του καφέ λόγω της αυξημένης οξειδωτικής σταθερότητάς του. Αυτό το χαρακτηριστικό του το καθιστά κατάλληλο για χρήση στην παραγωγή αντιοξειδωτικών προσθέτων. Επιπλέον, οι μετρήσεις της ανώτερης vi θερμογόνου δύναμης έδειξαν ότι τα υπολείμματα καφέ έχουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο. Η ιδιότητά τους αυτή σε συνδυασμό με το χαμηλό ποσοστό τέφρας και τα μηδαμινά ποσοστά θείου που εμφανίζουν, τα καθιστούν μια ελκυστική εναλλακτική λύση για παραγωγή ενέργειας ως στερεό καύσιμο.

Bio-fuels can be defined as fuels derived from biological (e.g. agricultural) sources and a variety of other raw materials. Many of these are agricultural products traditionally used in the food chain. Feedstock for biodiesel is generally vegetable oils from seeds. A continuously growing production of bio-fuels is therefore likely to remove their agricultural resources from other uses. However, non-edible organic material such as cellulosic materials from the grasses (including straw) and wood can also be used to produce bio-fuels. Although the cost of the treatment of these materials is currently beyond those in the processing of agricultural materials, an increase in production of bio-fuels based on the first would have less connection to the markets of agricultural products. Finally, bio-fuels can be produced even from urban and industrial waste. The rapid growth of energy consumption and, more specifically, the increased use of fossil fuels in the transport sector has led to excessive growth of pollutants emissions and thus significant contamination of the environment at local, regional and international level. The high prices of crude oil, the ever increasing demand, along with finite reserves, create additional financial incentives for using alternative fuel sources and thus encourage research in this area. Coffee is one of the largest agricultural products that is mainly used for beverages. According to the U.S.Department of Argicultural global coffee production is 7.35 billiob kg per year. The amount of oil derived from coffee varies from 11 to 20% depending on the species. On average, spent coffee beans contain about 12% oil, which can be converted to an equivalent amount of biodiesel through transesterification methods. This is quite significant in relation to other key raw materials for biodiesel, such as rape oil (37-50%), palm oil (20%) and soybean oil(20%). This can add about 340 million gallons of fuel in the global supply. Biodiesel from coffee has better stability than biodiesel from other sources because of the high antioxidant content. The remaining solid waste can be used as a fertilizer feedstock for ethanol production and fuel pellets. This thesis concerns the practical study of the use of bio-products of coffee in the production of liquid and solid bio-fuels. This procedure included frying coffee residue, the extraction with hexane solvent, the subsequent distillation of the extract to separate the oil from the hexane and the transesterification of oil and KOH as a catalyst to produce methyl esters. For the transesterification reactions, oil from brown coffee was mixing with sunflower and also with used cooking oils in different proportions. After each experiment, the relevant physicochemical properties of biodiesel were measured. Furthermore, it considered necessary to measure the efficiency in oils of coffee residue. Analyses conducted on the products showed that the oil derived from the coffee itself is not able to produce biodiesel. Nevertheless, its use in blends with other vegetable oils and used cooking oils has resulted in the production of methyl esters. It is also worth noting that there was an interest about coffee oil due to its increased oxidative stability. This feature makes it suitable for use in the production of antioxidant additives. In addition, measurements of gross calorific value showed that coffee residues have high energy content. This property in combination with low ash and minimal sulfur percentages, make it an attractive alternative way for energy production as a solid fuel.