گلیسیرین یا گلیسرول ـ کمیاب ترین مواد اولیه و تله حکومت ها برای تولیدکنندکان
گلیسیرین: ماهیت، منابع و روش‌های تولید
گلیسیرین، با نام سیستماتیک پروپان-۱،۲،۳-تری‌اُل و نام‌های رایج گلیسرول و گلیسیرین، یک الکل سه عاملی (تری‌اُل) ساده است. این ماده یک مایع ویسکوز، بی‌رنگ، بی‌بو و شیرین‌مزه است که به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد.
منابع گلیسیرین:
به طور کلی، گلیسیرین از دو منبع اصلی به دست می‌آید:
* منابع طبیعی: این منبع شامل چربی‌ها و روغن‌های گیاهی و حیوانی است که از طریق فرآیندهای شیمیایی یا بیوشیمیایی به گلیسیرین تبدیل می‌شوند.
* منابع سنتزی (آزمایشگاهی): گلیسیرین سنتزی از مواد اولیه پتروشیمیایی تولید میشود.
تولید گلیسیرین طبیعی:
همانطور که اشاره شد، گلیسیرین طبیعی عمدتاً به عنوان یک محصول جانبی در دو صنعت مهم تولید میشود:
* صنعت صابون‌سازی (Saponification):
* شرح فرآیند: صابون از واکنش قلیایی چربی‌ها یا روغن‌ها با یک باز قوی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) یا هیدروکسید پتاسیم (KOH) تولید میشود. این واکنش که به آن سفیدسازی نیز می‌گویند، منجر به هیدرولیز استری پیوندهای موجود در تری‌گلیسیریدها (مولکول‌های اصلی تشکیل‌دهنده چربی‌ها و روغن‌ها) و تولید نمک‌های اسید چرب (صابون) و گلیسیرین میشود.
* معادله شیمیایی کلی:
\text{Triglyceride} + 3 \text{NaOH} \rightarrow 3 \text{Sodium Fatty Acid (Soap)} + \text{Glycerol}
* مراحل تولید:
* بارگیری مواد اولیه: چربی‌ها یا روغن‌های تصفیه شده به داخل مخازن واکنش منتقل می‌شوند.
* افزودن قلیایی: محلول قلیایی با غلظت مناسب به تدریج به چربی‌ها یا روغن‌ها اضافه شده و مخلوط به شدت هم زده میشود.
* واکنش: واکنش سفیدسازی معمولاً در دمای حدود 80-100 درجه سانتیگراد و برای چند ساعت انجام میشود تا واکنش کامل شود.
* جداسازی صابون و گلیسیرین: پس از اتمام واکنش، مخلوط حاصل شامل صابون و محلول آبی گلیسیرین است. برای جداسازی صابون، معمولاً از روش‌های نمک‌زنی (Salting Out) استفاده میشود که در آن با افزودن نمک طعام (NaCl) حلالیت صابون در آب کاهش یافته و رسوب می‌کند.
* بازیابی و خالص‌سازی گلیسیرین: محلول آبی گلیسیرین جدا شده و برای حذف ناخالصی‌ها و افزایش غلظت، تحت فرآیندهای مختلفی قرار می‌گیرد. این فرآیندها شامل تبخیر آب، فیلتراسیون، استفاده از کربن فعال برای حذف رنگ و بو، و در نهایت تقطیر خلاء برای به دست آوردن گلیسیرین با خلوص بالا است.
* صنعت تولید بیودیزل (Transesterification):
* شرح فرآیند: بیودیزل یک سوخت تجدیدپذیر است که از روغن‌های گیاهی، چربی‌های حیوانی یا روغن‌های بازیافتی از طریق واکنش ترانس استریفیکاسیون با یک الکل سبک (معمولاً متانول یا اتانول) در حضور یک کاتالیزور (اسیدی یا بازی) تولید میشود. در این فرآیند، تری‌گلیسیریدها با الکل واکنش داده و استرهای متیل یا اتیل اسیدهای چرب (بیودیزل) و گلیسیرین تولید می‌کنند.
* معادله شیمیایی کلی (با متانول):
\text{Triglyceride} + 3 \text{CH}_3\text{OH} \xrightarrow{\text{Catalyst}} 3 \text{Fatty Acid Methyl Ester (Biodiesel)} + \text{Glycerol}
* مراحل تولید:
* آماده‌سازی مواد اولیه: روغن یا چربی تصفیه شده و الکل (معمولاً متانول) با کاتالیزور مخلوط می‌شوند.
* واکنش ترانس استریفیکاسیون: مخلوط واکنش در دمای و زمان مشخص (بسته به نوع کاتالیزور و مواد اولیه) هم زده میشود.
* جداسازی بیودیزل و گلیسیرین: پس از اتمام واکنش، مخلوط دو فازی شامل بیودیزل و گلیسیرین خام تشکیل میشود. این دو فاز به دلیل اختلاف چگالی از یکدیگر جدا می‌شوند. گلیسیرین خام معمولاً در فاز سنگین‌تر قرار می‌گیرد.
* خالص‌سازی گلیسیرین: گلیسیرین خام حاصل از تولید بیودیزل حاوی ناخالصی‌هایی مانند متانول، کاتالیزور، صابون، اسیدهای چرب آزاد و آب است. فرآیند خالص‌سازی مشابه با گلیسیرین حاصل از صابون‌سازی شامل خنثی‌سازی، حذف متانول، فیلتراسیون، استفاده از کربن فعال و تقطیر خلاء است.
تولید گلیسیرین سنتزی (آزمایشگاهی):
تولید گلیسیرین سنتزی از مواد اولیه پتروشیمیایی، به ویژه پروپیلن، انجام میشود. دو روش اصلی برای این منظور وجود دارد:
* روش کلرزنی پروپیلن:
* مراحل تولید:
* کلرزنی پروپیلن: پروپیلن در دمای بالا (حدود 500 درجه سانتیگراد) با کلر واکنش داده و آلیل کلرید تولید میشود.
\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2\text{Cl} + \text{HCl}
* تشکیل دی کلروهیدرین گلیسیرین: آلیل کلرید با اسید هیپوکلرو (HOCl) واکنش داده و مخلوطی از 1,2-دی کلروپروپان-3-اُل (α-دی کلروهیدرین) و 2,3-دی کلروپروپان-1-اُل (β-دی کلروهیدرین) تولید می‌کند.
\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2\text{Cl} + \text{HOCl} \rightarrow \text{ClCH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_2\text{OH} + \text{ClCH}_2-\text{CH(OH)}-\text{CH}_2\text{Cl}
* هیدرولیز به گلیسیرین: دی کلروهیدرین‌ها با یک محلول قلیایی (مانند هیدروکسید سدیم) واکنش داده و اپوکسید مربوطه (اپی کلروهیدرین) را تشکیل می‌دهند که سپس هیدرولیز شده و گلیسیرین تولید می‌کند.
\text{ClCH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_2\text{OH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_2\text{O(CH)CH}_2\text{Cl} + \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \text{ (Epichlorohydrin)} \text{CH}_2\text{O(CH)CH}_2\text{Cl} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Catalyst}} \text{CH}_2\text{OH}-\text{CHOH}-\text{CH}_2\text{OH} + \text{HCl}
* روش اپی کلروهیدرین:
* مراحل تولید: این روش یک مسیر تولید کارآمدتر برای اپی کلروهیدرین است که به عنوان یک واسطه کلیدی در تولید گلیسیرین سنتزی استفاده میشود.
* کلرزنی پروپیلن: مشابه روش قبل، پروپیلن به آلیل کلرید تبدیل میشود.
* تشکیل دی کلروهیدرین گلیسیرین: واکنش آلیل کلرید با اسید هیپوکلرو.
* تبدیل به اپی کلروهیدرین: دی کلروهیدرین با یک باز قوی (مانند هیدروکسید کلسیم) واکنش داده و اپی کلروهیدرین تولید می‌کند.
\text{ClCH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_2\text{OH} + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CH}_2\text{O(CH)CH}_2\text{Cl} + \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O}
* هیدرولیز اپی کلروهیدرین به گلیسیرین: اپی کلروهیدرین در حضور یک کاتالیزور اسیدی یا بازی هیدرولیز شده و گلیسیرین تولید می‌کند.
\text{CH}_2\text{O(CH)CH}_2\text{Cl} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Catalyst}} \text{CH}_2\text{OH}-\text{CHOH}-\text{CH}_2\text{OH} + \text{HCl}
خالص‌سازی گلیسیرین سنتزی:
گلیسیرین سنتزی نیز پس از تولید نیاز به خالص‌سازی دارد تا ناخالصی‌های باقی‌مانده از فرآیند تولید حذف شوند. روش‌های خالص‌سازی مشابه با گلیسیرین طبیعی شامل تقطیر، فیلتراسیون و استفاده از مواد جذب‌کننده است.
مقایسه تولید گلیسیرین طبیعی و سنتزی:
* مواد اولیه: گلیسیرین طبیعی از منابع تجدیدپذیر (روغن‌ها و چربی‌ها) به دست می‌آید، در حالی که گلیسیرین سنتزی از منابع فسیلی (پروپیلن) تولید میشود.
* محصولات جانبی: تولید گلیسیرین طبیعی معمولاً به عنوان یک محصول جانبی در کنار تولید صابون یا بیودیزل انجام میشود. در مقابل، تولید گلیسیرین سنتزی هدف اصلی فرآیند است.
* ملاحظات زیست‌محیطی: تولید گلیسیرین طبیعی، به ویژه از منابع پایدار روغن‌های گیاهی، میتواند از نظر زیست‌محیطی جذاب‌تر باشد. با این حال، فرآیندهای خالص‌سازی در هر دو روش می‌توانند چالش‌های زیست‌محیطی خود را داشته باشند.
* هزینه و در دسترس بودن: هزینه و در دسترس بودن گلیسیرین از هر دو منبع تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند قیمت مواد اولیه، فناوری تولید و تقاضای بازار قرار دارد. در سال‌های اخیر، افزایش تولید بیودیزل منجر به افزایش عرضه گلیسیرین طبیعی و تأثیر بر قیمت آن شده است