Biodiesel Umesterung: Reaktion, Ablauf und Vergleich

Pflanzenöle wie Rapsöl sind Fette im flüssigen Zustand. Ein Fettmolekül ist ein Triglycerid: Drei Fettsäuren sind über Estergruppen an ein Glycerinmolekül gebunden. Würdest du Rapsöl direkt in einen modernen Dieselmotor füllen, wäre es viel zu zähflüssig. Es verstopft Düsen und lagert Rückstände im Motor ab.

Um aus dem Öl einen brauchbaren Kraftstoff zu machen, ersetzt man das Glycerin durch Methanol. Dabei zerfällt das große Triglycerid in drei kleinere Moleküle, die Fettsäuremethylester, kurz FAME. Sie sind viel dünnflüssiger und haben ähnliche Eigenschaften wie Dieselkraftstoff. Weil ein Alkohol gegen einen anderen ausgetauscht wird, spricht man von Umesterung.

Die Reaktion ist keine Verbrennung und keine Veresterung mit Säure. Es ist eine Gleichgewichtsreaktion, bei der die Estergruppe bleibt, nur der Alkoholteil wechselt. In Deutschland wird Biodiesel überwiegend aus Rapsöl hergestellt und heißt deshalb auch Rapsölmethylester, RME.

Die allgemeine Reaktion lautet: Ein Triglycerid reagiert mit drei Molekülen Methanol zu drei Fettsäuremethylestern und einem Molekül Glycerin. Die drei Fettsäurereste des Öls können verschieden sein, zum Beispiel Ölsäure, Linolsäure und Linolensäure. Deshalb ist Biodiesel ein Gemisch verschiedener Ester.

Die Reaktion läuft ohne Hilfe nur sehr langsam. Als Katalysator verwendet man eine Base, meist Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, die in Methanol Methanolat bildet. Das Methanolat-Ion greift die Estergruppe an und löst die Fettsäure vom Glycerin ab. Das Gleichgewicht verschiebt man mit einem Überschuss an Methanol zur Produktseite. Bei etwa 60 Grad Celsius und Rühren ist die Umsetzung nach rund einer Stunde weitgehend abgeschlossen.

Wasser stört, denn es würde die Fettsäureester verseifen. Es entstehen dann Seifen, die das Produkt trüben und die Trennung von Glycerin erschweren. Deshalb müssen Öl und Methanol möglichst wasserfrei sein. Auch freie Fettsäuren im Öl sind problematisch, weil sie den Katalysator neutralisieren.

In der Technik und im Schulversuch folgt die Herstellung demselben Plan. Zuerst wird das Öl gereinigt, getrocknet und auf etwa 60 Grad Celsius erwärmt. Parallel löst man den Katalysator in Methanol. Das Natriumhydroxid reagiert mit Methanol zu Natriummethanolat und Wasser, daher arbeitet man mit wenig Katalysator und frischem Methanol.

Dann gibt man die Methanolat-Lösung zum warmen Öl und rührt etwa eine Stunde. Danach lässt man das Gemisch ruhen. Weil Glycerin dichter ist als Biodiesel, sinkt es als untere Phase ab. Du siehst im Gefäß zwei Schichten: oben der klare gelbliche Biodiesel, unten das dunklere, zähe Glycerin. Die untere Phase wird abgelassen.

Im letzten Schritt wird der rohe Biodiesel mit Wasser gewaschen, um Reste von Katalysator, Seife und Methanol zu entfernen. Anschließend trocknet man ihn und filtert ihn. Das Methanol wird zurückgewonnen und wiederverwendet. Das Glycerin dient als Rohstoff für Kosmetik, Pharmazie und Biogasanlagen.

Ein häufiger Fehler: Umesterung wird mit Verseifung verwechselt. Bei der Verseifung entstehen mit Natronlauge Seife und Glycerin, bei der Umesterung mit Methanol Ester und Glycerin. Der entscheidende Unterschied liegt im zweiten Reaktionspartner: Wasser oder Hydroxid ergibt Seife, Alkohol ergibt einen neuen Ester.

Der zweite Fehler ist, den Katalysator als Edukt aufzuführen. Natrium- oder Kaliumhydroxid beschleunigt die Reaktion, steht aber nicht in der Gleichung. Er wird zwar in Methanolat umgewandelt, taucht aber am Ende unverändert, wenn auch zum Teil als Seife gebunden, wieder auf.

Auch bei der Bilanz wird oft geschlampt: Man vergisst, dass drei Moleküle Methanol benötigt werden. Und manche glauben, Biodiesel sei immer klimaneutral. Der CO2-Ausstoß beim Verbrennen wurde zuvor von der Pflanze aufgenommen, doch Anbau, Düngung, Transport und Herstellung verbrauchen Energie. Die Bilanz hängt vom Rohstoff ab. Altspeisefett und Reststoffe schneiden besser ab als Palmöl von gerodeten Flächen.

Wenn du an der Tankstelle Diesel tankst, ist darin meist schon Biodiesel enthalten. Nach der Kraftstoffnorm dürfen bis zu 7 Volumenprozent Fettsäuremethylester beigemischt sein, die Sorte wird als B7 bezeichnet. Reiner Biodiesel, B100, ist nur für dafür freigegebene Fahrzeuge geeignet, weil er manche Gummidichtungen angreift und bei Kälte früher ausflockt.

Biodiesel hat Vor- und Nachteile. Positiv sind der nachwachsende Rohstoff, der geringere Ausstoß an Ruß und Schwefel und die gute biologische Abbaubarkeit. Negativ sind der Flächenbedarf für den Anbau, der Konflikt mit der Nahrungsmittelerzeugung, ein etwas geringerer Energiegehalt je Liter und das Kälteverhalten. Moderne Verfahren setzen deshalb auf Altspeisefette und Reststoffe.

Du siehst an diesem Beispiel, wie Estergruppen, Gleichgewichte und Katalysatoren aus dem Chemieunterricht in der Technik zusammenkommen. Wer die Umesterung versteht, versteht auch, warum Frittierfett zu Kraftstoff werden kann.