印度尼西亚废弃牛脂与猪脂可持续生物柴油生产：碱催化酯交换、FAMEs表征及燃料性能比较研究

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Sustainable Biodiesel Production from Beef Tallow and Lard: A Comparative Study in Indonesia

　　

废动物脂肪作为生物柴油原料的利用，为传统植物油提供了可持续替代方案，特别是在棕榈油生产与粮食资源竞争的地区。研究人员考察了通过甲醇和氢氧化钠进行碱催化酯交换(alkali-catalyzed transesterification)由牛脂(beef tallow)和猪脂(lard)合成的生物柴油的生产与表征。所产生的脂肪酸甲酯(fatty acid methyl esters, FAMEs)经液–液萃取(liquid–liquid extraction)纯化，随后采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和质子核磁共振(¹H NMR)光谱、气相色谱(gas chromatography, GC)以及理化分析进行表征。牛脂的生物柴油转化率达到97.3%，猪脂>99%，良好分离产率分别为72%和82%。鉴定出的主要脂肪酸为棕榈酸(palmitic acid)、硬脂酸(stearic acid)和油酸(oleic acid)，而猪脂生物柴油含有更高比例的单不饱和FAMEs。关键燃料特性如黏度(viscosity)、十六烷值(cetane number)、密度(density)和酸值(acid value)符合ASTM D6751、EN 14214和印度尼西亚国家标准，尽管由于饱和脂肪含量，浊点(cloud point)和倾点(pour point)略高。本研究证实，可由动物脂肪高效生产高质量生物柴油，为印度尼西亚可再生能源部门提供了棕榈油的可持续替代方案。

研究人员围绕印度尼西亚废弃动物脂肪资源化利用开展比较研究。全球对化石燃料的依赖带来能源安全、气候变化和环境退化问题；生物柴油因可再生、可生物降解、较低温室气体排放和较高闪点而受到关注。传统生物柴油多来自大豆油、菜籽油和棕榈油，但食用油脂大规模用于燃料会与粮食资源竞争。在印度尼西亚，棕榈油是主要原料，粗棕榈油(CPO)用于生物柴油的消费已超过人类食用消费，造成能源需求与粮食安全紧张。动物脂肪是屠宰场废弃物，估计印度尼西亚每年约205千吨，具有高十六烷值、无需专门种植和生物质可持续等优势，但印尼将牛脂和猪脂转化为生物柴油的对比研究有限。因此，研究人员假设经适当前处理的牛脂和猪脂可满足生物柴油标准，并可作为棕榈油原料替代，开展碱催化酯交换制备、FAMEs表征、转化效率和理化性质比较。研究人员从印度尼西亚日惹当地屠宰场收集牛脂和猪脂，经湿法熬炼(rendering)提取脂肪，采用单步碱催化酯交换，经液–液萃取纯化，并以FTIR、¹H NMR、GC-FID和理化分析评价。结果显示牛脂和猪脂转化率分别为97.3%和>99%，分离产率72%和82%，总FAMEs含量94.53%和96.48%；主要脂肪酸为棕榈酸、硬脂酸和油酸，猪脂含更多单不饱和FAMEs。燃料特性基本符合ASTM D6751、EN 14214和印度尼西亚国家标准，但浊点和倾点较高。意义在于证实屠宰场废弃动物脂肪可高效转化为高质量生物柴油，为印尼可再生能源部门提供不与粮食竞争的可持续原料，并符合循环经济与废物增值。

关键方法：样本来源为印度尼西亚日惹当地屠宰场的牛脂和猪脂。脂肪切块后经湿法熬炼(90°C，45 min)并过滤。采用单步碱催化酯交换，NaOH/甲醇体系，甲醇与脂肪摩尔比9:1，60°C反应1 h，搅拌700 rpm；冷却分层后经液–液萃取和洗涤纯化，旋转蒸发去除甲醇。薄层色谱(TLC)监测反应；FTIR和¹H NMR确认甲酯形成并计算转化率；GC-FID分析FAMEs；按AOCS和ASTM方法测定酸值、碘值、密度、水分、颜色、运动黏度、闪点、浊点、倾点，并用经验公式计算十六烷值(CN)。实验三平行，数据以mean ± SD表示(p<0.05)。

研究结果：3.1 原料性质(Raw Material Properties)：湿法熬炼获得约80–85 wt%脂肪；酸值约1.68–1.72 mg KOH g^?1，属低游离脂肪酸(FFA)原料，适合直接碱催化。牛脂碘值21.55 g I₂/100 g，低于猪脂45.73 g I₂/100 g，牛脂饱和脂肪酸(SAFs)65.73 wt%，猪脂38.37 wt%，说明牛脂更饱和，影响氧化稳定性和冷流性。3.2 碱催化酯交换制生物柴油(Biodiesel Production through Alkali-Catalyzed Transesterification)：由于酸值低，无需酸酯化，单步碱催化即可。TLC监测反应；¹H NMR积分显示牛脂转化率97.3%、猪脂>99%，分离产率72%和82%；转化率与分离产率差距归因于下游回收损失、皂化、传质限制和中间反应。液–液萃取具有较高纯化效率、较快分离和溶剂回收潜力。3.3 甲基酯定量(Quantification of Methyl Ester)：GC-FID确认两种原料均生成FAMEs，牛脂富含棕榈酸(C16:0)和硬脂酸(C18:0)，猪脂以油酸(C18:1)为主；总FAME牛脂94.53%、猪脂96.48%，符合ASTM D6751和EN 14214。长链脂肪酸(C>15)有利于燃烧和氧化稳定性，废动物脂肪利用具有环境和经济优势，但仍需优化混合、冷流性和发动机兼容性。3.3.1 牛脂和猪脂制生物柴油机理(Mechanism of Biodiesel Production from Beef Tallow and Lard)：碱催化酯交换中NaOH与甲醇形成甲氧基离子，亲核攻击甘油三酯羰基碳，经甘油三酯→二甘油酯→单甘油酯→甘油三步可逆反应，每步生成一分子甲酯；总反应为甘油三酯+3甲醇→3 FAME+甘油。脂肪酸组成影响燃料性质：牛脂饱和FAME多，十六烷值和氧化稳定性较高；猪脂不饱和脂肪酸多，冷流性较好但氧化稳定性可能降低。3.4 生物柴油燃料特性表征(Characterization of Fuel Properties of Biodiesel)：密度、黏度、闪点、浊点、倾点、水分、酸值、碘值、皂化值和十六烷值等符合ASTM D6751、EN 14214和SNI 7182:2015；十六烷值超过最低标准。浊点和倾点较高源于饱和FAME，可能在寒冷气候受限，但印尼热带环境影响较小；可通过冬化、调合和添加剂改善冷流。动物脂肪生物柴油氧化稳定性高，NO_x排放较豆油基B20（20%生物柴油调合燃料）低3.2–6.2%。3.5 光谱分析(Spectral Analysis of Biodiesel, FTIR and ¹H NMR)：FTIR约1740 cm^?1的C=O伸缩、1190–1000 cm^?1的C–O伸缩和3400 cm^?1 O–H减弱，支持甲酯形成和纯化；¹H NMR在3.67 ppm出现–COOCH₃单峰，2.26 ppm为α–CH₂–COO–，5.28 ppm为烯烃质子，4.1和5.2 ppm甘油三酯信号缺失，表明几乎完全转化。3.6 排放、氧化稳定性和经济可行性(Evaluation of Emission Characteristics, Oxidative Stability, and Economic Feasibility)：动物脂肪生物柴油NO_x排放较低，氧化稳定性与豆油基生物柴油相当或更优，低成本副产物原料降低生产成本并保障供应，但原料变异和加工效率仍是挑战。3.7 可扩展性与生命周期可持续性(Scalability and Lifecycle Sustainability Considerations)：3.7.1 可扩展性：取决于原料可得性、预处理和操作稳定性；熬炼去除杂质、水分和蛋白；高FFA和水分会导致皂化，需低水分低FFA或酸酯化预处理，皂化还会形成乳液、增加水耗并污染甘油。3.7.2 生命周期与可持续性：动物脂肪为现有畜牧系统副产物，上游环境负担可分配给肉产品，但受系统边界和共产品分配影响，能源比敏感性0.81–17.29；熬炼、干燥和预处理增加排放；将屠宰副产物转化为生物柴油符合循环经济，较传统柴油可减少约60–80%温室气体排放。

讨论部分总结：动物脂肪生物柴油在排放、氧化稳定性、经济可行性、可扩展性和生命周期方面具有优势，但FFA、水分、皂化、冷流性和原料变异等需通过预处理、工艺优化和调合解决。研究结论翻译：本研究成功证明，可将印度尼西亚丰富可得的废弃动物脂肪牛脂和猪脂通过碱催化酯交换过程转化为高质量生物柴油。两种原料制得的生物柴油具有良好性质，基本满足国家和国际燃料标准。高转化效率（高达99%）和有利的脂肪酸谱，尤其是饱和与单不饱和甲酯占优势，表明这些废弃脂肪具有作为可行替代原料的强大潜力。尽管冷流性质略高可能限制在寒冷地区应用，但总体结果表明，动物脂肪衍生生物柴油可在热带国家补充或部分替代棕榈油基生物柴油。建议进一步开展过程优化、经济分析、生命周期排放和长期发动机性能研究，以支持工业规模实施。总体而言，结果表明废弃动物脂肪如牛脂和猪脂可通过碱催化酯交换过程高效转化为高质量生物柴油，支持其作为可再生燃料生产的可持续原料的潜力。