revised bubble column paper€¦ · submitted)to)fuel)processing)technology)–)february)2014)) 1))...

18
Submitted to Fuel Processing Technology – February 2014 1 Esterification of FreeFattyAcids to Fatty Acid Alkyl Esters in a Bubble 1 Column Reactor for Use as Biodiesel 2 Colin J. Stacy, Cory A. Melick, and Richard A. Cairncross * 3 Drexel University, Chemical and Biological Engineering Department, Philadelphia, PA 19104 4 Abstract 5 Biodiesel is readily produced from refined vegetable oils; however, many lowvalue degraded 6 and waste oils contain a high concentration of free fatty acids which are difficult to convert to fatty 7 acid alkyl esters for use as biodiesel. This paper evaluates the performance of an acidcatalyzed 8 bubble column reactor that is highly robust for esterification of free fatty acids to fatty acid alkyl 9 esters. The bubble column reactor typically operated at 120°C and ambient pressure; methanol 10 bubbling through the reactor reacts with free fatty acids and strips byproduct water, which enables 11 high conversions and makes the reactor more robust to water than other reactor designs. This 12 paper shows the effects alcohol, feedstock type and quality, alcohol flow rate, and oil feedstock on 13 the reactor performance. Most reaction conditions produce greater than 98% conversion in less 14 than two hours including reactions with alcohols containing 10% water by volume and lipids 15 extracted from trap grease. 16 Keywords 17 Biodiesel, Fatty Acid Methyl Ester, Free Fatty Acid, Trap Grease, Esterification 18 1 Introduction 19 Rising prices of crude oil and concerns about carbon dioxide emissions have led to increased 20 research into alternative fuels and renewable energy. There are several other pressures for increased 21 research into renewable fuels including: worsening air quality by emissions of sulfur oxides, particle 22 matter, and other gases; security of domestic energy supply; and limited longterm supply of 23 petroleum. This paper analyzes performance of a bubble column reactor for producing biodiesel 24 from lowvalue lipid feedstocks containing high concentrations of Free Fatty Acids (FFA); these low 25 value lipids can be obtained from nonfood crops grown on marginal land or from waste fats, greases 26 and oils. 27 Biodiesel is a promising renewable fuel. Biodiesel is a name given to fatty acid alkyl esters 28 that are suitable dieselsubstitutes. Biodiesel is typically produced chemically by reacting plant or 29 animal derived lipids with an alcohol. The majority of biodiesels are produced by reacting lipids with 30 methanol to produce Fatty Acid Methyl Esters (FAME). Throughout this paper, the term FAME is 31 * Corresponding Author: [email protected], 2158952230, 3141 Chestnut Street, Philadelphia, PA 19104

Upload: dangminh

Post on 17-Apr-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

1  

 

Esterification  of  Free-­‐Fatty-­‐Acids  to  Fatty  Acid  Alkyl  Esters  in  a  Bubble  1  

Column  Reactor  for  Use  as  Biodiesel    2  Colin  J.  Stacy,  Cory  A.  Melick,  and  Richard  A.  Cairncross*  3  

Drexel  University,  Chemical  and  Biological  Engineering  Department,  Philadelphia,  PA  19104  4  

Abstract  5     Biodiesel  is  readily  produced  from  refined  vegetable  oils;  however,  many  low-­‐value  degraded  6  and  waste  oils  contain  a  high  concentration  of  free  fatty  acids  which  are  difficult  to  convert  to  fatty  7  acid  alkyl  esters  for  use  as  biodiesel.    This  paper  evaluates  the  performance  of  an  acid-­‐catalyzed  8  bubble  column  reactor  that  is  highly  robust  for  esterification  of  free  fatty  acids  to  fatty  acid  alkyl  9  esters.    The  bubble  column  reactor  typically  operated  at  120°C  and  ambient  pressure;  methanol  10  bubbling  through  the  reactor  reacts  with  free  fatty  acids  and  strips  by-­‐product  water,  which  enables  11  high  conversions  and  makes  the  reactor  more  robust  to  water  than  other  reactor  designs.        This  12  paper  shows  the  effects  alcohol,  feedstock  type  and  quality,  alcohol  flow  rate,  and  oil  feedstock  on  13  the  reactor  performance.      Most  reaction  conditions  produce  greater  than  98%  conversion  in  less  14  than  two  hours  including  reactions  with  alcohols  containing  10%  water  by  volume  and  lipids  15  extracted  from  trap  grease.    16  

Keywords  17  Biodiesel,  Fatty  Acid  Methyl  Ester,  Free  Fatty  Acid,  Trap  Grease,  Esterification  18  

1  Introduction  19  Rising  prices  of  crude  oil  and  concerns  about  carbon  dioxide  emissions  have  led  to  increased  20  

research  into  alternative  fuels  and  renewable  energy.  There  are  several  other  pressures  for  increased  21  research  into  renewable  fuels  including:  worsening  air  quality  by  emissions  of  sulfur  oxides,  particle  22  matter,  and  other  gases;  security  of  domestic  energy  supply;  and  limited  long-­‐term  supply  of  23  petroleum.        This  paper  analyzes  performance  of  a  bubble  column  reactor  for  producing  biodiesel  24  from  low-­‐value  lipid  feedstocks  containing  high  concentrations  of  Free  Fatty  Acids  (FFA);  these  low-­‐25  value  lipids  can  be  obtained  from  non-­‐food  crops  grown  on  marginal  land  or  from  waste  fats,  greases  26  and  oils.  27  

  Biodiesel  is  a  promising  renewable  fuel.    Biodiesel  is  a  name  given  to  fatty  acid  alkyl  esters  28  that  are  suitable  diesel-­‐substitutes.  Biodiesel  is  typically  produced  chemically  by  reacting  plant  or  29  animal  derived  lipids  with  an  alcohol.  The  majority  of  biodiesels  are  produced  by  reacting  lipids  with  30  methanol  to  produce  Fatty  Acid  Methyl  Esters  (FAME).    Throughout  this  paper,  the  term  FAME  is  31                                                                                                                            

*  Corresponding  Author:  [email protected],  215-­‐895-­‐2230,  3141  Chestnut  Street,  Philadelphia,  PA  19104  

Page 2: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

2  

 

used  to  refer  to  the  reaction  product.    Before  selling  FAME  as  biodiesel  it  is  necessary  to  demonstrate  32  that  the  product  satisfies  the  full  suite  of  ASTM  specifications  for  biodiesel  as  a  diesel  substitute.    The  33  majority  of  current  biodiesel  is  produced  from  refined  lipids  with  low  FFA  concentrations,  such  as  34  soybean  oil  (in  USA),  rapeseed  oil  (in  Europe)  and  palm  oil  (in  Asia),  which  are  agricultural  crops  that  35  are  relatively  high-­‐cost,  require  significant  fertilizer  and  chemical  inputs,  and  compete  with  food  36  crops  for  land.      However,  biodiesel  is  not  a  complete  solution  for  the  United  States  energy  demand.    37  Van  Gerpen  (2005)  notes  that  only  about  14%  of  current  diesel  demand  can  be  replaced  by  biodiesel  38  produced  from  crop-­‐based  lipids  [1].    Other  waste  lipid  feedstocks  can  add  significant  production  39  capacity  [2].      40  

Published  techno-­‐economic  analyses  of  biodiesel  production  processes  have  predicted  41  attractive  conversion  economics,  but  the  results  are  highly  sensitive  to  the  feedstock  used.    42  Apostolakou  (2009)  and  Haas  (2005)  showed  that  the  cost  of  raw  materials  can  be  75-­‐90%  of  the  cost  43  of  manufacturing  [3,  4].    Marchetti  (2008)  reported  three  scenarios  for  producing  biodiesel  from  44  lipids  containing  5%  FFA,  and  all  three  processes  were  profitable  with  raw  materials  being  more  than  45  80%  of  the  manufacturing  costs  [5].    Zhang  (2003)  compared  four  biodiesel  processes;  production  of  46  biodiesel  from  refined  lipids  had  the  lowest  capital  expense  and  highest  cost  of  raw  materials  [6,  7].    47  Processes  converting  waste  lipids  to  biodiesel  required  more  methanol  and  larger  distillation  48  columns  to  recover  methanol  for  recycle.    Because  feedstock  is  a  major  fraction  of  the  manufacturing  49  costs,  processes  that  use  low-­‐value  feedstocks  (such  as  waste  oils)  are  likely  to  show  much  greater  50  economic  profitability  [2,  4].  51  

The  reactor  described  in  this  paper  has  several  potential  advantages  related  to  sustainability  52  including:  flexibility  to  varying  FFA  content,  flexibility  for  alcohol  feed,  robustness  to  moisture  and  53  reduced  energy  requirements.    The  results  section  of  this  paper  presents  parametric  studies  of  how  54  the  bubble  column  reactor  performance  varies  with  some  key  process  variables.    A  robust  reactor  55  that  can  handle  a  variety  of  feedstocks  without  additional  pretreatment  will  reduce  economic  56  hurdles  to  constructing  and  operating  biodiesel  production  facilities  and  will  result  in  lower  consumer  57  prices  of  biodiesel  products.  58  

1.1  Chemistry  for  Production  of  Fatty  Acid  Methyl  Esters  59     The  most  common  reaction  pathway  for  producing  FAME  is  transesterification  of  TriAcyl  60  Glycerides  (TAG),  or  triglycerides.    During  transesterification,  a  TAG  molecule  reacts  with  three  61  alcohol  molecules  to  form  three  FAME  molecules  with  byproduct  glycerin:      62  

R

O

O

CH3

+ CH3 OH +Base

O

O

O

O

O

O

R

R

R

3 3

OH

OH OH  

(1)  

In  this  reaction  equation  the  alcohol  is  methanol  and  R  represents  a  long  aliphatic  fatty  acid  chain,  63  which  typically  contains  8-­‐22  carbon  atoms  [8].    The  reaction  in  Equation  1  is  a  simplification  of  a  64  

Page 3: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

3  

 

series  of  three  reactions  in  which  TAG  sequentially  reacts  with  methanol  molecules  to  form  a  DiAcyl  65  Glyceride  molecule  (DAG)  a  MonoAcyl  Glyceride  (MAG)  and  finally  glycerin  with  one  FAME  molecule  66  produced  at  each  step.    Industrial  biodiesel  processes  predominantly  use  transesterification  reactions  67  and  base  catalysts  because  this  reaction  requires  low  operating  temperature  and  achieves  high  68  conversions  within  a  couple  hours.    A  major  drawback  of  the  base-­‐catalyzed  transesterification  69  reactions  is  that  the  lipid  feedstock  must  be  high  purity  in  TAG;  if  the  FFA  content  exceeds  1%  the  70  soaps  that  form  from  the  reaction  between  the  base  catalyst  and  FFA  hinder  transesterification  and  71  downstream  purification  [1,  9,  10].    The  alternative  acid-­‐catalyzed  reactions  do  not  form  soaps  with  72  FFA,  but  acid-­‐catalyzed  transesterification  reactions  are  much  slower  than  base  catalyzed  73  transesterification  reactions  [1,  11].      74  

  For  high-­‐FFA  lipids,  acid-­‐catalyzed  esterification  is  effective  for  producing  FAME  from  FFA:  75  

R

O

O

CH3

+ CH3 OHR

OH

O

+ OH2Acid

 

(2)  

Esterification  of  FFA  by  reaction  (2)  catalyzed  with  acids  like  sulfuric  acid  have  been  the  subject  of  a  76  number  of  studies  [9,  12-­‐18].    Esterification  reactions  are  reversible  and  are  equilibrium-­‐limited  by  77  accumulation  of  the  byproduct  water.    The  presence  of  water  generally  limits  the  conversion  to  78  FAME  that  can  be  achieved  in  an  acid-­‐catalyzed  reactions,  and  its  continuous  removal  has  been  79  shown  to  dramatically  increase  yields  [14].    The  bubble  column  reactor  described  in  this  paper  is  80  effective  at  continuously  removing  water  from  the  system,  which  results  in  high  yields  of  FAME  when  81  using  FFA  feedstocks.      82  

1.2  Biodiesel  Process  Feedstocks    83     The  quality  and  price  of  potential  lipid  feedstocks  are  related  to  their  FFA  content.  Edible  84  lipids  have  low  FFA  content  and  high  prices.    Inedible  lipids  tend  to  be  high  in  FFA  and  have  low  85  prices.    The  high-­‐FFA  lipids  are  mostly  waste  products  and  have  limited  commercial  value,  while  low-­‐86  FFA  lipids  tend  to  be  viable  food  sources.    For  example,  soybean  oil  currently  sells  for  about  $3.52  per  87  gallon,  and  yellow  grease  (filtered  and  dewatered  waste  cooking  oil  with  FFA  content  <  15%)  sells  for  88  $2.19  [19].    Trap  grease  is  a  potential  source  of  high-­‐FFA  lipids;  wastewater  utilities  charge  $0.06  or  89  more  per  gallon  to  dispose  of  trap  grease  [20].    Trap  grease  contains  2-­‐10%  lipids,  and  lipids  90  separated  from  trap  grease  can  be  over  95%  FFA;  more  details  about  trap  grease  are  provided  in  91  Section  3.4  [2].    Producing  biodiesel  from  high-­‐FFA  lipids  entails  low  feedstock  costs  and  is  less  prone  92  controversies  associated  with  creating  fuels  from  food-­‐grade  lipids  [21,  22]  .        93  

1.3  Process  Options  for  Esterification  of  high-­‐FFA  Lipids  94     There  are  several  technologies  available  for  converting  high-­‐FFA  lipids  to  FAME;  acid-­‐95  catalyzed  esterification  is  effective  over  a  large  range  of  FFA  concentration  and  is  often  used  for  96  pretreatment  prior  to  base-­‐catalyzed  transesterification  in  a  two-­‐step  process.    A  significant  97  disadvantage  of  acid  catalysts  is  slower  reactions.    There  are  several  ways  to  increase  acid-­‐catalyzed  98  esterification  reaction  rates  including:  increasing  temperature,  increasing  catalyst  concentration,  and  99  

Page 4: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

4  

 

removing  by-­‐product  water.    For  feedstocks  containing  1-­‐10%  FFA,  a  two-­‐step  process  (low  100  temperature  acid-­‐catalyzed  esterification  followed  by  base-­‐catalyzed  transesterification)  is  the  most  101  common  method.    For  feedstocks  containing  more  than  50%  FFA,  multiple  moderate-­‐pressure  102  reactors  with  intermediate  removal  of  water  are  used  effectively  [23].    Multiple,  identical  reactors  103  with  intermediate  water  removal  increases  the  reaction  time  and  conversion,  but  it  also  increases  104  the  capital  and  operating  costs  significantly.    To  achieve  acceptable  reaction  rates,  temperatures  105  above  the  boiling  point  of  methanol  are  often  used,  which  requires  elevated  pressure  to  maintain  106  methanol  in  the  liquid  phase;  for  example,  Van  Gerpen  reports  using  240°C  and  90  bar  [1]  and  Berry  107  and  Ratigan  report  115°C  and  5.4  bar  [23].      108  

However,  Kocsisova  (2005)  showed  that  high  conversion  can  be  achieved  with  acid-­‐catalyzed  109  reactions  by  bubbling  methanol  vapor  through  FFA  at  ambient  pressure  and  elevated  temperature  110  [13].    Bubbling  methanol  vapor  through  hot  lipid  provides  several  benefits:  use  of  high  temperatures  111  corresponds  to  faster  reaction  kinetics,  simultaneous  removal  of  water  reduces  equilibrium  112  limitations,  and  intensive  agitation  of  the  reaction  mixture  enhances  mass  transfer.    Kocsisova  (2005)  113  demonstrated  that  esterification  in  a  bubble  reactor  at  temperatures  50-­‐60°C  higher  than  the  boiling  114  point  is  effective  and  requires  lower  amounts  of  methanol  (methanol:FFA  molar  ratio  of  three  to  four  115  is  sufficient)  for  high  conversion.    Kocsisova  (2005)  claims  that  feeding  the  methanol  as  a  liquid  into  116  the  reactor  and  local  excess  of  methanol  near  the  feed  were  necessary  for  high  conversion  [13].    The  117  reactor  described  in  this  paper  extends  on  the  work  of  Kocsisova  by  using  a  column  reactor  118  configuration  and  providing  a  more  detailed  study  of  how  the  rate  of  methanol  fed  to  the  reactor  119  affects  reaction  conversion.    120  

2  Materials  and  Methods  121  

2.1  Chemicals  and  materials  122       Oleic  acid  was  used  to  model  a  FFA  feedstock  for  the  experiments  in  this  paper  unless  123  otherwise  noted.    Oleic  acid  at  technical  grade  purity  (>90%)  as  well  as  toluene  and  methanol  with  124  purities  above  99%  were  purchased  from  Sigma  Aldrich  and  used  without  further  purification.    125  Ethanol  was  anhydrous  and  denatured  with  5%  isopropyl  alcohol  and  was  also  purchased  from  Sigma  126  Aldrich.    Isopropyl  alcohol  was  purchased  from  Azer  Scientific  and  was  99.99%  purity.    Sulfuric  acid  at  127  93%  weight  (66°  Baume)  was  purchased  from  Fischer  Scientific.    Para-­‐toluenesulfonic  acid  (PTSA)  was  128  purchased  from  Sigma-­‐Aldrich  and  dissolved  in  methanol  for  use.    Triglyceride  samples  were  refined  129  soybean  oil  purchased  from  local  supermarkets.    Trap  grease  was  donated  by  Russell  Reid  waste  130  management  and  more  information  about  the  experiments  with  trap  grease  is  included  in  Section  131  3.4.    132  

  Figure  1  displays  a  schematic  of  the  reactor  system.    The  primary  reaction  chamber  was  a  133  jacketed  glass  column  with  several  pumps  used  for  alcohol  feeds  and  recirculation.    Throughout  the  134  system,  all  parts  wetted  by  the  reactants  and  products  were  glass,  stainless  steel,  or  PTFE.    The  135  reactor  and  the  alcohol-­‐vaporizer/lipid-­‐reheater  were  heated  by  circulating  hot  silicone  oil  from  a  136  heating  bath.  137  

Page 5: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

5  

 

2.2  Analysis  of  Conversion  by  Titration  and  NMR  138     Conversion  of  fatty  acid  chains  to  FAME  was  quantified  using  two  techniques  (1)  base  139  titration  and  (2)  and  Nuclear  Magnetic  Resonance  (NMR).    The  titrant  used  was  a  0.1  molar  solution  140  of  sodium  hydroxide  in  methanol,  and  samples  from  the  reactor  were  dissolved  in  a  titration  solution  141  containing  equal  parts  toluene  and  isopropyl  alcohol  with  trace  phenolphthalein  as  an  indicator;  this  142  is  a  titration  procedure  similar  to  AOCS  Cd  3d-­‐63  and  ASTM  D-­‐664  [24,  25].    The  base  titrant  was  143  prepared  from  a  standard  base  concentrate  (Fixanal  purchased  from  Sigma  Aldrich),  and  tested  144  against  an  acid  standard  prior  to  experimentation.    This  titration  determined  the  acid  number  of  the  145  sample  (mg  KOH/g  sample).    For  samples  where  the  average  molecular  weight  of  the  fatty  acid  is  146  known  (for  example,  oleic  acid)  the  mole  fraction  of  FFA  was  readily  determined.        147  

  For  experiments  with  partial  TAG  feedstocks,  titration  cannot  completely  determine  fatty-­‐148  acid  conversion  to  FAME.    So  proton  NMR  (H-­‐NMR)  spectroscopy  was  used  to  measure  the  FAME  149  content  of  samples  over  time.    The  machine  used  for  analysis  of  FAME  samples  was  Drexel  150  University’s  500MHz    Inova  Varian  NMR.    H-­‐NMR  peaks  were  assigned  to  their  appropriate  functional  151  groups  as  shown  in  the  supplementary  documentation.    A  combination  of  NMR  and  titration  enables  152  determining  the  content  of  FFA,  FAME,  and  acyl  glyceride  fatty  acids.      153  

2.3  Bubble  Column  Reactor  Design  154     Although  the  bubble  column  reactor  experiments  were  motivated  by  the  work  of  Kocsisova  155  (2005),  the  reactor  was  redesigned  several  times  before  constructing  the  current  bubble  column  156  reactor  design  shown  in  Figure  1.  The  bubble  column  reactor  was  a  jacketed  glass  column  18”  tall  157  with  a  1”  internal  diameter.    Typically,  the  reactor  operated  at  temperatures  of  about  120°C  with  158  about  180  mL  of  feedstock  lipids.    The  top  of  the  reactor  was  open  to  the  atmosphere,  which  allows  159  the  alcohol  and  water  vapor  bubbling  through  the  reactor  to  exit  into  a  fume  hood  in  which  the  160  experiments  were  performed.    The  interior  of  the  reactor  had  stainless  steel  tubing  to  transport  161  chemicals  into  and  out  of  the  reactor  and  stainless  steel-­‐cladded  thermocouples  to  monitor  the  162  reactor  temperature.    The  column  was  topped  with  a  glass  funnel  that  prevented  overflow  of  reactor  163  contents  during  bubbling.    As  shown  in  Figure  1,    methanol  entered  the  bottom  of  the  reactor  as  a  164  vapor.    Although  the  solubility  of  methanol  in  lipids  is  small,  some  methanol  from  the  vapor  bubbles  165  was  believed  to  dissolve  into  the  liquid  lipids  where  it  reacted  with  the  FFA.    Byproduct  water  formed  166  by  the  reaction  evaporated  and  was  removed  by  the  bubbles.    Some  methanol  reacted  to  form  FAME  167  while  some  methanol  remained  unreacted  and  exited  the  reactor  in  the  bubbles  along  with  water  168  vapor.    The  reactor  design  shown  here  was  much  more  reproducible  and  reliable  than  previous  169  designs  (such  as  a  round-­‐bottomed  flask)  tested  by  the  authors.  170  

  The  reactor  contents  were  circulated  from  the  bottom  of  the  reactor  to  the  top  of  the  171  reactor  through  an  external  sampling  loop.    Before  returning  to  the  top  of  the  reactor,  the  circulating  172  lipids  passed  through  heat  exchanger  tubes  immersed  in  hot  silicone  oil.  This  same  heat  exchanger  173  was  also  used  to  heat  and  vaporize  the  methanol  feed,  which  was  fed  to  the  heat  exchanger  as  a  174  liquid  by  syringe  pumps  and  vaporized  in  separate  tubes  in  the  exchanger  before  reaching  the  175  reactor.    Two  syringe  pumps  were  used  sequentially  during  reaction  experiments;  these  pumps  were  176  

Page 6: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

6  

 

configured  in  a  way  that  allowed  one  syringe  pump  to  be  filled  with  alcohol  while  the  other  was  177  discharging  alcohol  into  the  reactor  through  the  heat  exchanger.    Kocsisova  (2005)  explained  that  178  methanol  should  be  fed  to  the  reactor  as  a  liquid  [13];  however,  feeding  liquid  methanol  to  the  179  reactor  caused  a  drop  in  reactor  temperature  due  to  the  latent  heat  of  vaporization  of  methanol.    For  180  all  of  the  experiments  in  this  paper,  methanol  was  fed  to  the  reactor  as  a  vapor,  which  led  to  more  181  stable  reactor  temperatures.  182  

  Liquid  catalyst,  typically  sulfuric  acid,  was  mixed  with  a  small  volume  of  alcohol  to  form  a  183  catalyst  solution.    The  quantity  of  catalyst  added  to  the  solution  was  0.1%  of  the  weight  the  lipid  184  feedstock  unless  otherwise  specified.    This  solution  was  gradually  added  to  the  reactor  at  the  top  by  185  a  peristaltic  pump  during  the  first  five  minutes  of  the  reaction.      186  

3  Results  and  Discussion  187     Several  parametric  studies  were  performed  to  test  the  bubble  column  reactor  performance  188  for  a  variety  of  conditions.    The  typical  experimental  conditions  for  results  in  this  paper  were  as  189  follows:  a  reactor  temperature  of  120°C,  ambient  pressure,  lipid  volume  of  180  mL  of  pure  oleic  acid,  190  alcohol  feed  at  0.75  mL  of  liquid  methanol  per  minute,  and  0.1%(wt.  catalyst/wt.  lipids)  of  sulfuric  191  acid  catalyst  added  during  first  five  minutes  of  reaction.    Deviations  from  these  conditions  are  192  indicated  in  the  figure  captions.    Oleic  acid  was  used  as  the  FFA  for  these  experiments  as  an  193  appropriate  surrogate  for  naturally-­‐occurring  FFA.  194  

  Before  conducting  the  following  studies,  a  study  of  varying  catalyst  concentration  was  195  conducted.    Concentrations  between  2.0%  (w/w)  and  0.01%  (w/w)  were  evaluated.    The  authors  196  evaluated  0.1%  (w/w)  to  be  the  lowest  concentration  within  the  kinetically-­‐limited  regime,  and  chose  197  this  concentration  of  sulfuric  acid  for  future  experiments.    More  details  of  this  study  can  be  found  in  198  the  supplementary  documentation.  199  

3.1  Effect  of  Methanol  Flow  rate  on  Esterification  of  Oleic  Acid  200     Methanol  was  continuously  fed  to  the  bubble  column  reactor  by  syringe  pumps.    The  effect  201  of  methanol  feed  rate  to  the  reactor  on  conversion  to  FAME  is  shown  in  Figure  2.    The  syringe  pumps  202  fed  liquid  methanol,  which  was  vaporized  before  reaching  the  reactor;  so  methanol  flow  rates  are  203  often  displayed  in  liquid  mL/min  at  which  the  syringe  pumps  operated,  and  alternative  expressions  204  for  feed  rates  are  shown  in  Table  1.    Figure  2(a)  shows  that  as  the  reaction  proceeded,  the  amount  of  205  FFA  in  the  reactor  decreased  rapidly  at  first  and  later  asymptotically  approached  zero.    The  rate  at  206  which  FFA  decreased,  or  the  slope  of  the  conversion  profile,  varied  with  the  rate  at  which  methanol  207  flowed  into  the  reactor  with  higher  initial  slopes  corresponding  to  higher  methanol  flow  rates.    At  208  liquid  methanol  flow  rates  higher  than  1.16  mL/min  (for  180  mL  of  FFA  in  reactor),  conversion  of  209  greater  than  95%  of  FFA  to  FAME  was  achieved  in  less  than  60  minutes.    As  the  flow  rate  of  methanol  210  decreased,  so  did  the  reaction  rate,  and  at  flow  rates  of  less  than  0.43  mL/min,  95%  conversion  of  211  FFA  to  FAME  took  more  than  100  minutes.          212  

Page 7: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

7  

 

  In  Figure  2(a),  the  conversion  profiles  for  the  lowest  flow  rates  are  nearly  linear  because  the  213  supply  of  methanol  limited  the  reaction  rate.    In  the  low-­‐flow  reactions,  the  measured  decrease  in  214  concentration  of  FFA  was  close  to  the  moles  of  methanol  fed  to  the  reactor  divided  by  the  volume  of  215  lipids  in  the  reactor;  consequently,  nearly  all  the  methanol  fed  to  the  reactor  reacted  with  FFA  to  216  produce  FAME.    Because  the  cumulative  amount  of  methanol  fed  to  the  reactor  is  linear  with  time,  at  217  low  flow  rates  the  measured  FFA  content  decreases  nearly  linearly  with  time  due  to  a  limited  supply  218  of  methanol.  As  the  flow  rate  increased,  the  reaction  rate  increased  until  the  reaction  approached  an  219  apparently  kinetically-­‐limited  regime.    Faster  methanol  flow  rates  created  more  vigorous  bubbling,  220  which  leads  to  a  reduction  in  mass  transfer  resistance  and  contributed  to  faster  reaction  rates  and  221  faster  decrease  in  FFA  content  as  shown  in  Figure  2.    For  methanol  flow  rates  higher  than  2.57  222  mL/min,  the  reaction  rate  was  independent  of  the  flow  rate,  which  indicates  that  for  these  reaction  223  conditions,  the  reaction  kinetics  had  a  dominant  effect  on  the  conversion  profile.      224  

  The  curves  in  Figure  2(a)  are  labeled  by  the  flow  rates  of  liquid  methanol  used  in  the  225  experiment  in  mL/min;  Table  1  contains  alternative  expressions  of  those  flow  rates  that  may  be  226  useful  for  interpreting  the  results.    The  first  column  in  Table  1  is  the  liquid  methanol  flow  rates  in  227  mL/min.    The  second  column  shows  the  flow  rate  of  methanol  in  moles  of  methanol  per  minute.    The  228  third  column  shows  the  molar  flow  rate  of  methanol  that  is  scaled  by  the  initial  moles  of  oleic  acid  in  229  the  reactor;  this  is  a  normalized  flowrate  expressed  in  units  of  min-­‐1.    This  normalized  flow  rate  is  230  useful  in  representing  how  much  methanol  is  available  to  react  with  the  Oleic  acid  in  the  reactor;  the  231  normalized  flow  rate  is  also  useful  for  scaling  between  reactors  with  different  volumes  of  FFA.    The  232  fourth  column  is  the  reciprocal  of  the  third  column  and  is  the  time  required  for  the  moles  of  233  methanol  fed  to  the  reactor  to  be  equal  to  the  initial  moles  of  oleic  acid  in  the  reactor.    This  is  the  234  theoretical  minimum  time  for  complete  conversion  if  all  methanol  entering  the  reactor  reacted  with  235  oleic  acid  to  produce  FAME.    236  

  At  all  rates,  some  methanol  passed  through  the  reactor  without  reacting  with  FFA  to  form  237  FAME.    The  ratio  of  the  unreacted  methanol  to  the  initial  amount  of  FFA  in  the  reactor  is  the  238  “unreacted  methanol  ratio”  and  the  unreacted  methanol  was  vented  to  the  fume  hood,  in  which  the  239  experiments  were  conducted.    This  unreacted  methanol  could  be  collected  and  recycled,  which  is  240  especially  important  for  full-­‐scale  production  processes.    The  amount  of  unreacted  methanol  was  241  calculated  from  the  known  methanol  flow  rate  and  the  measured  conversion  of  FFA  to  FAME:  242  

𝑈𝑛𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑒𝑑  𝑀𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙  𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 =𝑁!"#$ ∗ 𝑡 + 𝑁!!"(𝑡)

𝑁!!",!− 1  

 (4)  

Where  ṄMeOH  is  the  molar  flow  rate  of  methanol;  NFFA(t)  is  the  moles  of  FFA  in  the  reactor  at  time,  t  243  measured  by  titration;  and  NFFA,0  is  the  initial  number  of  moles  of  FFA.    Figure  2(b)  plots  the  data  of  244  Figure  2(a)  as  unreacted  methanol  verses  time  with  methanol  flow  rate  indicated  as  time  to  245  stoiciometric  delivery  of  methanol  (last  column  of  Table  1).    At  low  flow  rates,  the  unreacted  246  methanol  was  close  to  zero,  which  means  that  most  of  the  methanol  fed  to  the  reactor  reacted  with  247  FFA  to  produce  FAME,  i.e.  the  methanol  used  is  close  to  the  stoichiometric  ratio  of  methanol  to  248  

Page 8: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

8  

 

FAME.      As  the  methanol  flow  rate  increased,  unreacted  methanol  increased,  to  over  eight  times  the  249  stoichiometric  ratio  of  methanol  required.    In  all  cases,  the  unreacted  methanol  was  initially  lower  250  and  increases  approximately  linearly  at  long  times.        At  long  times,  the  reaction  rate  approached  251  zero,  so  nearly  all  of  the  methanol  that  entered  the  reactor  passed  through  unreacted,  leading  to  a  252  linear  increase  in  unreacted  methanol.    The  dashed  curve  of  Figure  2(b)  indicates  the  time  at  which  253  each  experiment  achieves  95%  conversion  of  FFA  to  FAME;  lower  methanol  flow  rates  correspond  to  254  both  lower  fractions  of  unreacted  methanol  and  longer  time  to  reach  95%  conversion.  255  

  Figure  2(a)  shows  that  high  flow  rates  lead  to  faster  reaction  rates,  and  Figure  2(b)  shows  256  that  high  flow  rates  also  lead  to  a  high  excess  of  methanol  fed  through  the  reactor.    As  flow  rate  257  decreased,  both  of  these  quantities  decrease.    Consequently,  there  is  an  important  trade-­‐off  in  a  258  bubble  column  reactor:  between  short  reaction  time  and  high  methanol  excess.    At  high  methanol  259  excess,  the  amount  of  methanol  used  and  the  cost  of  equipment  required  to  collect,  separate,  and  260  recycle  excess  methanol  increases.    At  low  reaction  rates,  the  rate  of  FAME  production  per  unit  261  volume  of  reactor  is  small,  so  larger  reactors  are  required.    It  is  desirable  to  find  a  balance  between  262  low  methanol  excess  and  fast  reaction  rate.    Figure  2(c)  plots  an  alternative  representation  of  the  263  reaction  conversion  data  as  the  time  required  to  reach  95%  conversion  of  FFA  to  FAME  (t95)  and  the  264  fractional  unreacted  methanol  at  95%  conversion  as  functions  of  flow  rate.    At  low  flow  rates,  t95  265  increases  hyperbolically  as  flow  rate  decreases.    At  high  flow  rates  t95  asymptotically  approaches  a  266  constant  value  of  about  40  minutes.    So  for  a  pure  methanol  feed  at  120°C  in  this  reactor  267  configuration,  40  minutes  is  the  shortest  time  to  reach  95%  conversion  of  oleic  acid  to  FAME.      268  

The  unreacted  methanol  ratio  at  95%  conversion  is  a  function  that  is  nearly  linear  with  269  respect  to  methanol  flow  rate.    While  an  economic  analysis  has  not  yet  been  performed  for  the  flow  270  rate  of  the  bubble  column  reactor,  the  far-­‐left  and  far-­‐right  regions  are  regions  where  the  reactions  271  either  have  a  low  conversion  rate,  or  high  excess  of  methanol.    The  middle  region  of  Error!  Reference  272  source  not  found.  2(c)  may  be  the  region  with  the  most  desirable  flow  rates  that  balance  the  trade-­‐273  off  between  faster  reactions  (smaller  reactor  at  high  flow  rates)  and  lower  unreacted  methanol  (less  274  excess  methanol  that  has  to  be  recovered  and  recycled).    275  

3.2  Robustness  for  Varying  Alcohol  Feed  Quality  on  Esterification  of  Oleic  Acid  276     Figure  3  displays  FFA  conversion  profiles  for  a  series  of  reactions  that  were  performed  with  277  different  alcohol  feedstocks.    Both  ethanol  (EtOH)  and  methanol  (MeOH)  were  used  as  primary  278  alcohols.    Each  alcohol  was  also  mixed  with  water  in  concentrations  of  90:10  and  80:20  alcohol:water  279  by  volume  as  a  liquid.    In  typical  lipid  to  Fatty  Acid  Alkyl  Ester  (FAAE)  reactions,  water  hinders  the  280  esterification  reactions  of  FFA  because  it  enhances  the  reverse  reaction.    However,  in  the  bubble  281  column,  rising  methanol  vapor  bubbles  strip  water  from  the  lipids  and  draw  the  water  out  of  the  282  reactor.    This  allows  high  conversions  to  be  obtained  with  alcohol  feedstocks  containing  in  excess  of  283  10%  water  by  volume.  284  

  The  reaction  profiles  in  Figure  3  show  that  reaction  rates  were  lower  in  experiments  with  285  water-­‐diluted  alcohols.    The  decrease  in  rate  is  likely  because  as  alcohol  feed  rates  were  maintained  286  

Page 9: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

9  

 

at  the  same  volumetric  rate  but  lower  purity,  the  molar  feed  rate  of  alcohol  is  reduced.    For  example,  287  Figure  3  shows  that  an  increase  from  0  to  10%  water  in  the  alcohol  feed  lengthens  the  time  to  90%  288  conversion  from  60  to  80  minutes  for  methanol  and  from  80  to  120  minutes  for  ethanol.    Also,  the  289  conversion  profiles  in  Figure  3  show  that  all  of  the  reactions  with  methanol  proceed  faster  than  290  reactions  with  ethanol  at  the  same  volumetric  water  concentration.    Surprisingly,  the  conversion  291  profile  for  pure  ethanol  feed  was  nearly  the  same  as  the  conversion  for  methanol  feed  with  10%  292  water;  likewise  the  profile  for  ethanol  with  10%  water  overlaps  the  profile  for  methanol  for  20%  293  water.    So,  under  these  conditions  switching  from  methanol  to  ethanol  had  roughly  the  same  effect  294  on  conversion  time  as  adding  10%  water  by  volume  to  the  methanol  feed.          295  

  The  experiments  exploring  different  types  of  alcohol  feedstock  and  alcohol  moisture  content  296  (displayed  in  Figure  3)  demonstrated  that  the  fastest  esterification  reactions  used  pure  methanol  as  297  the  alcohol  feedstock.    However,  the  bubble  column  reactor  is  robust  and  achieved  a  high  conversion  298  of  FFA  to  FAAE  for  varying  alcohol  feeds  and  with  lower  quality  alcohol  feedstocks  containing  water.    299  If  the  reactor  can  utilize  lower  quality  alcohol  feedstocks,  then  the  cost  of  raw  materials  for  making  300  FAAE  can  be  reduced.    Additionally,  the  cost  of  recycling  the  alcohol/water  exhaust  exiting  from  the  301  reactor  can  be  reduced  because  it  is  not  necessary  that  the  recycled  alcohol  be  completely  free  of  302  water,  possibly  eliminating  the  need  to  break  any  alcohol/water  azeotropes.    In  addition  to  being  303  robust  for  impure  feeds,  these  studies  show  that  larger  alcohols  can  react  with  fats,  greases,  and  oils  304  for  FAAE  production  in  the  bubble  column.    Using  ethanol  as  the  alcohol  feedstock  could  have  several  305  advantages  including  being  produced  from  renewable  feedstocks  and  having  lower  toxicity  than  306  methanol.  307  

3.3  Esterification  of  Mixed  FFA/TAG  Feedstocks  308     A  series  of  experiments  were  conducted  to  examine  the  performance  of  the  bubble  column  309  reactor  for  creating  FAME  using  feedstocks  containing  a  mixture  of  FFA  and  TAG.    The  FAME,  FFA  and  310  TAG  content  were  analyzed  using  titration  and  NMR  as  described  in  section  2.2.      Figure  4(a)  plots  311  changes  in  acid  number  versus  time  for  several  experiments  with  different  initial  FFA  content,  which  312  follows  the  pattern  of  an  exponential  decay,  similar  to  that  of  pure  FFA  experiments.    The  data  313  showed  that  after  about  70  minutes  more  than  95%  of  the  initial  FFA  is  converted  to  FAME.    Figure  314  4(b)  shows  the  percent  change  of  acid  number  normalized  to  the  initial  acid  number  of  the  reactions  315  in  Figure  4(a).    The  curves  in  Figure  4(b)  show  that  conversion  profiles  for  esterification  of  FFA  316  collapse  to  a  “master  curve”  when  normalized  to  initial  acid  number.  317  

  Figure  4(c)  shows  the  FAME  content  of  the  reactor  during  mixed  feedstock  reactions  as  318  measured  by  NMR.    The  FAME  content  begins  at  zero  and  increases  in  all  reactions  until  it  reaches  a  319  plateau  value,  which  varies  depending  on  initial  FFA  content.    The  FAME  content  for  reactions  with  320  high  FFA  contents  plateaued  above  90%,  while  reactions  with  equal  parts  FFA  and  TAG  plateaued  321  near  60%  FAME  and  reactions  with  an  initial  FFA  concentration  of  10%  plateaued  at  only  about  40%  322  FAME.    Although  the  FFA  content  (acid  number  from  Figure  4(a))  fell  to  zero,  not  all  fatty  acids  were  323  converted  to  FAME.    These  results  indicate  that  the  transesterification  reaction  (Equation  1)  is  324  incomplete,  and  some  fatty  acid  chains  in  the  reactor  remain  as  acylglycerides:  TAG,  DAG,  and  MAG.    325  

Page 10: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

10  

 

This  indicates  that  under  the  conditions  of  this  reaction  with  an  acid  catalyst,  the  rate  of  326  transesterification  is  significantly  slower  than  esterification.    Additional  experiments  which  utilized  an  327  alcohol  feed  diluted  with  up  to  20%  water  (not  shown  here)  produced  FAME  formation  rates  similar  328  to  those  seen  in  Figure  4(c).    This  indicates  that  hydrolysis  of  acylglycerides  to  FFA  is  also  slow  under  329  these  experimental  conditions.      330  

  The  traditional  route  to  produce  FAME  is  a  base-­‐catalyzed  transesterification,  which  is  readily  331  accomplished  with  lipids  low  in  FFA  and  can  be  carried  out  at  temperatures  below  40°C.    If  the  FFA  332  content  of  lipids  can  be  lowered  to  less  than  1%,  those  lipids  can  be  used  in  a  transesterification  333  process  [9].    For  lipid  feedstocks  containing  more  than  1%  FFA  content,  advanced  reaction  334  technologies  or  2-­‐step  methods  can  be  utilized  to  convert  FFA  to  FAME.    Data  from  the  study  of  335  varying  FFA  and  TAG  contents  of  lipids  (Figure  4)  shows  that  the  FFA  content  of  any  tested  oil  can  be  336  reacted  by  esterification  to  FAME  using  the  bubble  column  reactor  of  this  paper.    This  acid  catalyzed  337  bubble  column  reactor  can  then  be  used  as  the  first  step  of  a  two-­‐step  reaction  process  such  as  one  338  proposed  by  Van  Gerpen.    This  two-­‐step  technology  can  utilize  any  renewable  lipid  resource  that  339  contains  FFA  and  TAG  in  any  ratio,  and  because  the  bubble  column  reactor  does  not  require  340  temperatures  or  pressures  as  high  as  other  esterification  methods,  it  may  prove  to  be  a  cost-­‐effective  341  esterification  step  in  a  2-­‐step  conversion  to  FAME.    This  robustness  of  the  reactor  with  respect  to  342  lipid  feedstocks  allows  biodiesel  manufacturers  employing  this  technology  to  greatly  diminish  their  343  feedstock  costs.    Because  feedstock  costs  are  a  dominant  expense  in  producing  biodiesel,  it  could  344  lower  the  price  of  biodiesel  to  a  level  that  is  more  competitive  with  petroleum  diesel.  345  

3.4  Esterification  of  Trap  Grease  Lipids  346     Trap  grease  is  a  waste  byproduct  of  the  food  service  industry  that  contains  water,  lipids,  347  detergents,  food  particles  and  other  waste.    Trap  grease  is  collected  in  grease  interceptors,  which  are  348  storage  tanks  ranging  from  a  few  gallons  to  several  thousand  gallons.    Grease  interceptors  remove  349  grease  and  sediments  from  kitchen  effluent  that  could  otherwise  enter  the  sewage  systems  and  350  cause  blockages.      Grease  interceptors  are  required  by  law  to  be  emptied  at  specific  intervals,  usually  351  by  commercial  grease  handlers,  who  are  paid  to  pump  and  remove  trap  grease  and  then  must  pay  to  352  process  and  dispose  of  the  grease  properly.    If  the  lipids  could  be  separated  from  trap  grease  and  353  converted  to  FAME,  then  the  feedstock  cost  of  the  resulting  biodiesel  process  can  be  a  fraction  of  354  that  for  refined  soybean  lipids  and  other  conventional  sources  of  TAG  [2,  4].      355  

  Trap  grease  samples  (Figure  5(a))  from  Russell  Reid,  a  commercial  waste  management  356  company,  were  heated  and  gently  stirred  in  the  lab.    The  heating  allowed  the  lipid,  water,  and  357  sediment  layers  to  separate  (Figure  5(b))  so  that  the  lipid  layer  could  be  collected  and  filtered  (Figure  358  5(c)).    Once  filtered,  the  trap  grease  lipids  were  used  as  a  lipid  feedstock  in  the  bubble  column  359  reactor  and  converted  into  FAME  (Figure  5(d))  using  sulfuric  acid  and  occasionally  para-­‐360  toluenesulfonic  acid  (PTSA)  as  catalysts;  the  latter  was  used  in  the  reactor  in  the  same  manner  as  the  361  sulfuric  acid  catalyst.    The  FAME  produced  had  a  visibly  lower  viscosity  than  the  lipid  layer  of  the  trap  362  grease.    Also,  although  the  trap  grease  lipids  solidified  at  room  temperature;  the  crude  FAME  363  produced  from  those  lipids  remained  a  liquid  at  temperatures  below  10°C.  364  

Page 11: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

11  

 

  Figure  5(e)  displays  the  conversion  versus  time  for  FFA  from  trap  grease  with  the  oleic  acid  365  conversion  data  shown  for  comparison.    The  reaction  of  trap  grease  lipids  to  FAME  was  roughly  50%  366  slower  than  pure  oleic  acid  with  approximately  95%  conversion  achieved  in  about  110  minutes.    367  Additionally,  it  was  observed  during  experiments  that  the  typical  0.1%  (w/w)  acid  catalyst  was  not  368  sufficient  for  esterification  of  trap  grease  lipids;  instead  1%  (w/w)  catalyst  was  used  for  the  369  experiments  in  Figure  5(e).    The  need  for  higher  catalyst  concentration  could  indicate  that  an  370  unknown  contaminant  in  the  trap  grease  is  consuming  the  acid  catalyst  before  a  reaction  proceeds.    371  

4  Conclusions  372     A  bubble  column  reactor  that  converts  free  fatty  acids  to  fatty  acid  alkyl  esters  (for  use  as  373  biodiesel)  was  tested  and  developed.    The  bubble  column  reactor  achieves  conversion  of  over  95%  of  374  free  fatty  acid  to  fatty  acid  methyl  esters  in  less  than  two  hours  for  a  variety  of  reaction  conditions.    375  For  example,  with  a  sulfuric  acid  catalyst  concentration  of  0.1  wt%,  a  reaction  temperature  of  about  376  120°C  and  ambient  pressure,  a  methanol  to  fatty  acid  molar  ratio  of  less  than  3:1,  and  bubbling  377  alcohol  vapor  through  the  reactor  at  a  flow  rate  of  0.034  moles  of  alcohol  per  mole  of  FFA  per  378  minute  into  liquid,  the  time  to  95%  conversion  is  about  70  minutes.    At  higher  methanol  feed  379  flowrates,  the  time  to  95%  conversion  decreases  to  about  40  minutes  but  requires  a  methanol  to  380  fatty  acid  molar  ratio  of  five  or  higher.    The  reactor  is  effective  with  low-­‐quality  alcohol  feedstocks  381  containing  water  and  is  robust  for  different  types  of  alcohol  feed.      Because  of  these  attributes,  the  382  reactor  is  potentially  useful  for  conversion  of  low-­‐value  alcohols  and  low-­‐value  lipids  into  biodiesel.    383  As  a  result  of  potentially  lowering  the  feedstock  costs,  the  cost  of  producing  biodiesel  from  384  renewable  resources  could  be  lowered  substantially.              385  

Acknowledgments  386     The  authors  would  like  to  thank  Brittany  Preston  for  her  work  with  NMR  analysis,  387  Minhazuddin  Mohammed  for  his  research  on  biofuels  and  a  model  for  the  bubble  column  reactor,  388  Drexel  University’s  Chemistry  Department  for  use  of  their  500  MHz  NMR,  Jacklyn  Briguglio  for  her  389  work  with  filtering  of  trap  grease,  Megan  Hums  for  consultation  on  process  impacts,  and  Gary  390  Weiner  Russell  Reid  for  supplying  trap  grease  samples.    Work  was  funded  by  EPA  P3  Design  Award:  391  SU-­‐83352401.      392  

Supplemental  Documentation  393     The  supplemental  documentation  submitted  with  this  paper  includes  NMR  spectra  used  to  394  determine  FAME  content  in  mixed  feedstock  studies  and  conversion  data  documenting  the  effect  of  395  catalyst  concentration  on  conversion.  396  

References  397  [1]  J.  Van  Gerpen,  Biodiesel  processing  and  production,  Fuel  Processing  Technology,  86  (2005)  1097-­‐398  1107.  399  [2]  K.S.  Tyson,  J.  Bozell,  R.  Wallace,  E.  Petersen,  L.  Moens,  Biomass  Oil  Analysis:  Research  Needs  and  400  Recommendations,  in,  NREL,  Golden  Colorado,  2004.  401  

Page 12: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

12  

 

[3]  A.A.  Apostolakou,  I.K.  Kookos,  C.  Marazioti,  K.C.  Angelopoulos,  Techno-­‐economic  analysis  of  a  402  biodiesel  production  process  from  vegetable  oils,  Fuel  Processing  Technology,  90  (2009)  1023-­‐1031.  403  [4]  M.  Haas,  Improving  the  Economics  of  Biodiesel  Production  Through  the  use  of  Low  Value  Lipids  as  404  Feedstocks:  Vegetable  Oil  Soapstock,  Fuel  Processing  Technology,  86  (2005)  1087  -­‐  1096.  405  [5]  J.M.  Marchetti,  V.U.  Miguel,  A.F.  Errazu,  Techno-­‐economic  study  of  different  alternatives  for  406  biodiesel  production,  Fuel  Processing  Technology,  89  (2008)  740-­‐748.  407  [6]  Y.  Zhang,  Biodiesel  production  from  waste  cooking  oil:  1.  Process  design  and  technological  408  assessment,  Bioresource  Technology,  89  (2003)  1-­‐16.  409  [7]  Y.  Zhang,  M.A.  Dubé,  D.D.  McLean,  M.  Kates,  Biodiesel  production  from  waste  cooking  oil:  2.  410  Economic  assessment  and  sensitivity  analysis,  Bioresource  Technology,  90  (2003)  229-­‐240.  411  [8]  D.  Samios,  F.  Pedrotti,  A.  Nicolau,  Q.B.  Reiznautt,  D.D.  Martini,  F.M.  Dalcin,  A  Transesterification  412  Double  Step  Process  —  TDSP  for  biodiesel  preparation  from  fatty  acids  triglycerides,  Fuel  Processing  413  Technology,  90  (2009)  599-­‐605.  414  [9]  S.V.  Ghadge,  H.  Raheman,  Biodiesel  production  from  mahua  (Madhuca  indica)  oil  having  high  free  415  fatty  acids,  Biomass  and  Bioenergy,  28  (2005)  601-­‐605.  416  [10]  A.N.A.  Aryee,  F.R.  van  de  Voort,  B.K.  Simpson,  FTIR  determination  of  free  fatty  acids  in  fish  oils  417  intended  for  biodiesel  production,  Process  Biochemistry,  44  (2009)  401-­‐405.  418  [11]  M.G.  Varanda,  G.  Pinto,  F.  Martins,  Life  cycle  analysis  of  biodiesel  production,  Fuel  Processing  419  Technology,  92  (2011)  1087-­‐1094.  420  [12]  M.  Berrios,  J.  Siles,  M.  Martin,  A.  Martin,  A  kinetic  study  of  the  esterification  of  free  fatty  acids  421  (FFA)  in  sunflower  oil,  Fuel,  86  (2007)  2383-­‐2388.  422  [13]  T.  Kocsisova,  J.  Cvengro,  J.  Lutisan,  High-­‐temperature  esterification  of  fatty  acids  with  methanol  423  at  ambient  pressure,  European  Journal  of  Lipid  Science  and  Technology,  107  (2005)  87-­‐92.  424  [14]  I.L.  Lucena,  R.M.A.  Saboya,  J.F.G.  Oliveira,  M.L.  Rodrigues,  A.E.B.  Torres,  C.L.  Cavalcante,  E.J.S.  425  Parente,  G.F.  Silva,  F.A.N.  Fernandes,  Oleic  acid  esterification  with  ethanol  under  continuous  water  426  removal  conditions,  Fuel,  90  (2011)  902-­‐904.  427  [15]  E.  Santacesaria,  R.  Tesser,  M.  Di  Serio,  M.  Guida,  D.  Gaetano,  A.  Garcia  Agreda,  F.  Cammarato,  428  Comparison  of  Different  Reactor  Configurations  for  the  Reduction  of  Free  Acidity  in  Raw  Materials  429  for  Biodiesel  Production,  Industrial  &  Engineering  Chemistry  Research,  46  (2007)  8355-­‐8362.  430  [16]  F.A.P.  Voll,  C.  da  Silva,  C.C.R.S.  Rossi,  R.  Guirardello,  F.  de  Castilhos,  J.V.  Oliveira,  L.  Cardozo-­‐Filho,  431  Thermodynamic  analysis  of  fatty  acid  esterification  for  fatty  acid  alkyl  esters  production,  Biomass  and  432  Bioenergy,  35  (2011)  781-­‐788.  433  [17]  Z.-­‐M.  Wang,  J.-­‐S.  Lee,  J.-­‐Y.  Park,  C.-­‐Z.  Wu,  Z.-­‐H.  Yuan,  Optimization  of  Biodiesel  Production  from  434  Trap  Grease  via  Acid  Catalysis,  Korean  Journal  of  Chemical  Engineering,  25  (2008)  670-­‐674.  435  [18]  B.D.  Wahlen,  B.M.  Barney,  L.C.  Seefeldt,  Synthesis  of  Biodiesel  from  Mixed  Feedstocks  and  436  Longer  Chain  Alcohols  Using  an  Acid-­‐Catalyzed  Method,  Energy  &  Fuels,  22  (2008)  4223-­‐4228.  437  [19]  USDA,  National  Weekly  Ag  Energy  Round-­‐Up,  in:    USDA  Livestock,  Poultry  &  Grain  Market  News,  438  United  States  Department  of  Agriculture,  Des  Moines,  Iowa,  2014.  439  [20]  DELCORA,  Resolution  NO.  2013-­‐21,  in:    Hauled  Waste  Rates,  Delaware  County  Regional  Water  440  Control  Authority,  Chester,  PA,  2013.  441  [21]  M.  Canakci,  The  potential  of  restaurant  waste  lipids  as  biodiesel  feedstocks,  Bioresource  442  Technology,  98  (2007)  183-­‐190.  443  [22]  K.S.  Tyson,  DOE  analysis  of  fuels  and  coproducts  from  lipids,  Fuel  Processing  Technology,  86  444  (2005)  1127-­‐1136.  445  [23]  W.W.  Berry,  B.J.  Ratigan,  Process  of  making  alkyl  esters  of  free  fatty  acids,  in,  Philadelphia  Fry-­‐o-­‐446  Diesel  Inc.,  US,  2010.  447  

Page 13: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

13  

 

[24]  ASTM,  Standard  Test  Method  for  Acid  Number  of  Petroleum  Products  by  Potentiometric  448  Titration,  in,  ASTM  International,  West  Conshohocken,  PA.  449  [25]  AOCS,  Acid  Value,  in:    AOCS  Methods  for  Biodiesel  Feedstock  Quality,  American  Oil  Chemists  450  Society,  Urbana,  IL.  451  

 452  

 453  

 454  

Figure  1:  Schematic  of  reactor  showing  bubbling  action  of  reactor  and  Water  and  Methanol  transfer  455  between  liquid  and  vapor  phase.  456  

   457  

Page 14: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

14  

 

 458  

 459  

 460  Figure  2:  Effect  of  methanol  flowrate  on  conversion  of  FFA  to  FAME  in  a  bubble  column  reactor.    (a)  461  conversion  versus  time,  (b)  Amount  of  methanol  fed  to  the  reactor  that  passes  through  the  reactor  462  without  reacting  as  a  function  of  time  with  black  dashed  line  indicating  the  time  at  which  95%  463  conversion  to  FAME  is  achieved,  (c)  effect  of  methanol  flow  rate  on  the  time  to  reach  95%  conversion  464  (blue  triangles,  left  axis)  and  excess  methanol  at  95%  conversion  (red  square,  right  axis).    465  

0  

20  

40  

60  

80  

100  

0   20   40   60   80   100   120  

FFA  Co

nten

t  (%)  

Time  (min)  

3.5  mL/min  2.57  mL/min  1.75  mL/min  1.16  mL/min  0.75  mL/min  0.43  mL/min  0.20  mL/min  

0  1  2  3  4  5  6  7  8  

0   20   40   60   80   100   120  

Unreacted

 Metha

nol  R

a>o  

Time  (minutes)  

6.2  min  

8.7  min  

12.3  min  

19.1  min  

29.1  min  

52.5  min  

95%  conversion  

113.5  min  

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

20  

40  

60  

80  

100  

120  

140  

160  

180  

0   0.05   0.1   0.15   0.2  

Unreacted

 Metha

nol  R

a>o  

Time  to  95%

 con

version  of    FFA

 (m

inutes)  

Normalized  MeOH  Feed  Rate  (1/min)  

Time  to  95%  conversion  (lew  axis)  

Excess  MeOH  at  95%  conversion  (right  axis)  

(a)  

(b)  

(c)  

Page 15: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

15  

 

 466  

Figure  3:  Measured  FFA  content  during  reactions  in  bubble  column  reactor  during  experiment  467  measuring  the  effect  of  varying  alcohol  quality  at  constant  catalyst  concentration  and  a  constant  468  methanol  flowrate  of  0.75  mL/min.    Methanol  (MeOH)  and  Ethanol  (EtOH)  were  used  as  the  alcohols  469  with  varying  water  content  (on  a  volume  basis).  470  

 471  

 472  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

80  

90  

100  

0   20   40   60   80   100   120  

FFA  Co

nten

t  (%)  

Time  (minutes)  

Pure  MeOH  90:10  MeOH:H2O  80:20  MeOH:H2O  Pure  EtOH  90:10  EtOH:H2O  80:20  EtOH:H2O  

Page 16: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

16  

 

   

   Figure  4:  Performance  of  bubble  column  reactor  for  lipids  containing  a  mixture  of  FFA/TAG  (%v/v)  (a)  473  Change  in  acid  number  from  titration  versus  time,  (b)  Percent  of  initial  acid  number  versus  time,  (c)  474  FAME  content  from  NMR  versus  time,  and  (d)  acyl  glyceride  content  versus  time. 475  

 476  

   477  

0  

20  

40  

60  

80  

100  

120  

140  

160  

180  

200  

0   15   30   45   60   75   90  

Acid  Num

ber  (mg  KO

H/g  sample)  

Time  (minutes)  

100/0  

90/10  

50/50  

10/90  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

80  

90  

100  

0   15   30   45   60   75   90  

FAME  Co

nten

t  (%  of  fax

y  acid  chains)  

Time  (minutes)  

100/0  90/10  50/50  10/90  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

80  

90  

100  

0   15   30   45   60   75   90  

Acid  Num

ber/Ini>al  Acid  Num

ber  (%)  

Time  (minutes)  

100/0  

90/10  

50/50  

10/90  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

80  

90  

100  

0   15   30   45   60   75   90  

Acyl  glycerid

e  faNy  acid  Con

tent    

(%  Fax

y  acid  chains)  

Time  (minutes)  

10:90  

50:50  

90:10  

(a)  

(b)  

(c)  

(d)  

Page 17: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

17  

 

 478  

 479  

Figure  5:  Esterification  of  FFA  from  trap  grease  in  a  bubble  column  reactor.    (a-­‐d)  Photos  of  various  480  stages  of  trap  grease  processing:  (a)  raw  trap  grease  (b)  layers  after  heating  and  settling  trap  grease  481  from  top  to  bottom:  lipid,  floating  solids,  water,  sediment  (c)  trap  grease  lipids  (FOG)  in  solid  state  at  482  room  temperature  (d)  crude  trap  grease  FAME  in  liquid  state  at  room  temperature.  (e)  Changes  in  483  acid  number  versus  time  of  lipid  layer  of  trap  grease  in  bubble  column  reactor  with  oleic  acid  reaction  484  results  for  comparison.  In  these  experiments  the  acid  catalyst  was  p-­‐toluenesulfonic  acid  (PTSA).  485  

 486  

 487  

 488  

 489  

 490  

 491  

(a) (b) (c) (d)

0  20  40  60  80  

100  120  140  160  180  200  

0   20   40   60   80   100   120  

Acid  num

ber  (mg  KO

H/g  oil)  

Time  (minutes)  

Trap  Grease  1%  PTSA  0.75  mL/min  Oleic  acid  1%  PTSA,  0.75  mL/min  

(e)  

(e)  

Page 18: Revised Bubble Column Paper€¦ · Submitted)to)Fuel)Processing)Technology)–)February)2014)) 1)) 1) Esterificationof,Free.Fatty.Acids,toFatty,AcidAlkyl,Esters,in,a,Bubble, 2) Column,Reactorfor,Use,as

Submitted  to  Fuel  Processing  Technology  –  February  2014    

18  

 

 492  

Table  1:  Representations  for  alcohol  flow  rates  for  experiments  shown  in  Figure  2.  493  

Volumetric  Flow  rate  of  liquid  MeOH  (mL/min)  

Molar  flow  rate  of  MeOH  (mol/min)    

MeOH  flow  normalized  by  FFA0  (1/min)  

Time  to  stoichiometric  delivery  of  MeOH  (min)  

3.5   0.0859   0.1617   6.2  2.57   0.0631   0.1146   8.7  1.75   0.0430   0.0816   12.3  1.16   0.0285   0.0523   19.1  0.75   0.0184   0.0343   29.1  0.43   0.0106   0.0190   52.5  0.2   0.0049   0.0088   113.5    494  

 495