4-1 油脂轉酯化之反應動力實驗系統
本研究另一個重點為在助溶劑+植物油+甲醇為均相的情況下，進 行轉酯化反應動力行為的探討。本研究嘗試使用非均相離子交換樹脂 做為促進轉酯化的觸媒；可供選擇的各式離子交換型觸媒的基本性質 顯示強酸性觸媒最高可操作至 190oC；強鹼性觸媒最高至 70oC。由於 鹼性觸媒對油脂與甲醇之轉酯化反應的促進效果較酸性觸媒高，因此 本研究乃優先擇定以鹼性離子交換樹脂為催化此一轉酯化反應；本研 究也採用酸性離子交換樹脂觸媒，並在較高溫下進行轉酯化反應。
植物油中主要成分為三酸甘油酯(triglycerides, TG)與少量的自由 脂肪酸，本研究主要探討三酸甘油酯與甲醇之轉酯化反應，此反應系 統包含三階段轉酯化，中間產物為雙酸甘油酯與單酸甘油酯，主要產 品為甲基酯(methyl esters，FAME，生質柴油)與甘油，該系列反應之 總反應可簡化表為：
三酸甘油酯 (TG) + 3 甲醇 (MeOH) 3 甲基酯 (FAME) + 甘油 (Glycerol)
本研究之轉酯化動力實驗分別採用批式與連續式反應器進行，批 式反應裝置示意圖如圖 4-1，其主要單元為附恆溫夾套之玻璃製反應 釜、電磁攪拌噐、溫度計、恆溫槽等。實驗之步驟為：
1. 設定恆溫槽溫度(最高約至反應釜內混合物的泡點溫度)。
2. 將已秤量之部份反應物進料(助溶劑+葵花油+觸媒)移入反應釜中。
3. 待反應物升溫至設定之溫度時，將已知重量且已預熱至反應溫度的 甲醇移入反應釜中，開始進行反應。
4. 每隔一段時間，以注射針自反應釜中取樣(約 1 mL)，將樣品儲於樣 品瓶中並予於冰凍。
5. 樣品在分析前，先加入 1 g 的 heptadecanoic acid 內標品(internal standard)，再以注射針取微量樣品注入氣相層析儀(GC)，分析樣品 中之組成，以便後續用於計算不同反應時間下植物油之轉酯化產 率。
6. 改變不同的反應條件，包括反應溫度、甲醇/葵花油莫耳比、觸媒添 加量等，重覆進行步驟 1-5 之操作。
為了利於組成分析，反應釜中之混合物宜能維持為均一液相，亦 即助溶劑之量需足夠多，其量可由液液相平衡圖得知。
圖 4-2 為連續式反應裝置，該反應系統可操作於高溫與高壓，其 主要元件包括注射式定量泵(1)、高壓液體泵(2)、過濾器(3)、恆溫槽 (4)、預熱管(5)、反應管(6)、壓力感測器(7)、溫度感測器(8)、背壓調
3. 系統壓力由一背壓調節閥控制，反應系統之壓力與溫度分別以壓力 感測器(7)與溫度感測器(8)量取。
4. 反應後之物料經釋壓後，導入樣品收集槽(10)，取樣後經氣相層析 儀分析樣品中之組成。
5. 樣品在分析前，先加入 1 g 的 heptadecanoic acid 內標品(internal standard)，再以注射針取微量樣品注入氣相層析儀，分析樣品中之 組成，以便後續用於計算不同反應條件下葵花油之轉酯化產率。
6. 改變不同的反應條件，包括反應溫度、反應壓力、甲醇/葵花油莫耳 比、觸媒添加量、觸媒種類等，重覆進行步驟 1-5 之操作。
4-2 組成分析
本研究之樣品組成分析採用可操作於高溫下 (up to 400oC)之 GC-FID 裝置(Model:Varian 3800)進行；GC 分離管柱為 CP9080，固定 相為 select biodiesel for FAME fused silica，膜厚：0.25m，分離管柱 長 30 m x 內徑 0.32 mm x 外徑 0.45 mm (Varian)，GC 恰當的操作條 件摘列如下：
Injector：300oC
Split ratio：Initial，split ratio = 100 After 5 min，split ratio = 20
He makeup flow：29 mL / min H2flow：30 mL / min
Air flow：300 mL / min
FAME 各成分的定量，可採用 heptadecanoic acid 為內標品，並以各 FAME 純質藥品進行 GC 檢量線製作，以便將 GC 圖譜中 FAME 各成 分與內標品間的面積比，轉成各成分之含量，進而求得油脂轉酯化的 產率，產率之計算根據下式：