气泡柱反应器中酸性粗棕榈油酯化反应参数的优化研究及其在生物柴油生产中的应用

本研究针对非食用性原料酸性粗棕榈油（ACPO）的高游离脂肪酸（FFA）转化难题，创新性地采用气泡柱反应器（BCR）结合硫酸（H2SO4）和对甲苯磺酸一水合物（PTSA）催化酯化反应。通过优化反应条件（催化剂用量、甲醇油比等），实现了84.06%（H2SO4）和79.51%（PTSA）的FFA转化率，证实BCR在降低能耗与提升混合效率方面的潜力，为生物柴油预处理工艺提供了新思路。

　　

在全球能源转型的背景下，生物柴油因其可再生性和环境友好特性成为化石燃料的重要替代品。然而，传统生物柴油生产依赖食用植物油，引发“与粮争地”的伦理争议。非食用性原料如酸性粗棕榈油（ACPO）虽能缓解这一问题，但其高游离脂肪酸（FFA）含量需通过酯化预处理才能进一步转化为脂肪酸甲酯（FAME）。现有机械搅拌反应器存在能耗高、混合不均等缺陷，而气泡柱反应器（BCR）凭借其高效传质与低能耗特性，为这一难题提供了潜在解决方案。

马来西亚King Saud University的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表论文，系统探究了BCR中ACPO的FFA酯化反应。研究采用H₂SO₄和PTSA两种催化剂，通过调控反应参数（催化剂剂量、甲醇油比等），结合伪二级动力学模型分析反应机制。关键技术包括BCR系统设计、气相色谱（GC）分析FFA转化率，以及反应活化能计算。

材料与方法
实验采用马来西亚雪兰莪州棕榈油厂的ACPO，通过BCR进行批次酯化反应。空气以0.5 L/min流速鼓泡促进混合，反应温度控制在30°C，催化剂（H₂SO₄或PTSA）用量为1-5 wt%，甲醇与油摩尔比为15:1至20:1。

结果与讨论

1. 催化剂剂量影响：H₂SO₄在3 wt%时FFA转化率达84.06%，而PTSA需5 wt%实现79.51%转化率，表明前者催化效率更高。
2. 反应条件优化：最佳参数为30分钟反应时间、30°C、0.5 L/min气流速率，甲醇油比对PTSA更敏感（15:1优于20:1）。
3. 动力学分析：反应符合伪二级动力学，H₂SO₄和PTSA活化能分别为28.59 kJ/mol和22.23 kJ/mol，揭示PTSA在低温下的潜在优势。
4. 反应器设计：BCR的气泡湍流有效替代机械搅拌，降低能耗且避免局部过热。

结论与意义
该研究证实BCR可高效实现ACPO的FFA酯化，H₂SO₄催化性能优于PTSA，但后者在温和条件下仍具竞争力。反应动力学数据为工业放大提供理论依据，而BCR的低能耗特性契合可持续发展目标。未来研究可探索BCR与其他非食用油脂的兼容性，进一步推动生物柴油生产的绿色化进程。