37
www.recoilproject.eu Assessment of best practices in UCO processing and biodiesel distribution D4.3 - Guide on UCO processing and biodiesel distribution methods TECHNICAL UNIVERSITY OF CRETE M a y · 2 0 1 3

Assessment of best practices in UCO processing and ... · Assessment of best practices in UCO processing and biodiesel distribution ... Advantages and Disadvantages of the ... during

Embed Size (px)

Citation preview

         

 

www.recoilproject.eu  

Assessment of best practices in UCO processing and biodiesel distribution

D4.3 - Guide on UCO processing and biodiesel distribution methods

T E C H N I C A L U N I V E R S I T Y O F C R E T E M a y · 2 0 1 3

 

 

        PROMOTION OF USED COOKING OIL RECYCLING  FOR SUSTAINABLE BIODIESEL PRODUCTION (RecOil)  RecOil aims to increase sustainable biodiesel production and its local market intake by enhancing household used cooking oil collection and transformation. It assesses the “UCO to biodiesel” chain best practices, through a household survey, the industry expertise, the local authorities’ cooperation, and a review of the legal and market barriers and opportunities. The information gathered will integrate an online decision‐making guide: a tool to assist stakeholders in developing an UCO‐to‐biodiesel supply chain adjusted to local specifications. Pilot projects in promotion, collection, transformation and commercialization of UCO/biodiesel will be carried out according to the best practices identified. These projects will be living labs helping to validate the feasibility of these good practices but also showcasing and spreading the project’s results in a way that the achievements can be used to promote similar initiatives in other regions and by other entities. Promotional campaigns and communication tasks will be developed to guarantee stakeholders’ involvement and to increase public interest about UCO recycling, motivating a behavioral change among citizens.  RecOil is supported by the European Commission within the frame of the Intelligent Energy for Europe Programme.  

        

Nº CONTRACT  IEE/11/091/SI2.616369 DELIVERABLE  WP4 –D4.3 WP Leader AUTHOR(s) 

Technical University of Crete, Renewable and Sustainable Energy Systems Lab Theocharis Tsoutsos, Tournaki Stavroula 

DISSEMINATION LEVEL  Public STATUS DATE 

Version 3 Ver1: issued at July 15th, 2013. Current Revision 30/10/2013 

The sole responsibility for the content of this [webpage, publication etc.] lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.

    

        1 

 

CONTENTS 

1.    INTRODUCTION………………………………………….…………………………................................…………...2 

2.    UCO COLLECTION PRACTICES…………………………………………….............................................…..3 

2.1. Existing practices for the UCO collection.........................................................................3 

2.2. Transport and Storage of UCO.........................................................................................5 

2.3. Legal Limitations.............................................................................................................6 

3.  ASSESSMENT OF BEST PRACTICES FOR UCO PROCESSING TO BIODIESEL............................. 7 

3.1. Quality characteristics of the collected UCO used for processing to biodiesel……........7 

3.2. Existing processing technologies and practices……………………………………………….………...8 

3.3. Common practices in transesterification…………………………………………………….…….……..10 

3.3.1. Homogeneous ‐ catalyzed transesterification……………………………………………………….….10 

3.3.2. Heterogeneous – catalyzed transesterification……………………………………..………….…..……11 

3.3.3. Enzyme – catalyzed transesterification………………………………………………………………..…….12 

3.3.4. Non – catalyzed transesterification……………………………………………………………….……………14 

3.4 Comparative analysis of the most common practices…………………………………….…………16 

3.5 Health and Safety……………………………………………………………………………………….….…….…..17 

4.   HARMONIZATION WITH THE EU DIRECTIVE FOR SUSTAINABILITY………………………….…….…19 

5.   CLIMATE AND GEOGRAPHICAL PARAMETERS…………………………………………………..…….………20 

6.   ENVIRONMENTAL PERFORMANCE AND IMPACTS ANALYSIS……………………….………….………22 

7.   DISTRIBUTION PRACTICES………………………………………………………………………………..…………….27 

8.   CONCLUSION……………………………………………………………………………………………………..………….29 

9.   REFERENCES……………………………………………………………………………………………….…….……………30 

10.   ABBREVIATIONS………………………………………………………………………….……………………….………..35

    

        2 

1. INTRODUCTION 

Used Cooking Oils (UCOs) are oils and fats that have been used for cooking or frying  in the food processing  industry,  restaurants,  fast  foods  and  at  a  consumer  level,  in  household;  UCO  can originate  from both  vegetable  and  animal  fats  and oils;  they  can be  collected  and  recycled  for  other uses.  It  is estimated  that currently around 90% of cooking oils and  fat used  in  the EU are produced  from vegetable oils, whereas  in countries such as Belgium  relatively much animal  fats are used (Peters et al, 2013).   According  to  moderate  estimations  in  EU,  the  potential  UCO  to  be  collected  is  around  8L UCO/capita/year. Extrapolated to the total EU population of around 500 million, this means that 4 Mton of UCO are the annually capacity, seven times more than the current collected amount. This potential  increases around 2% per year, following the annual  increase of cooking oil usage  in the EU‐15. In order to achieve this level of collection, the collection infrastructure should be improved (Anderssen et al, 2007).  The current  report aims  to provide useful  technical and practical guidelines of best methods  to process the UCO‐to‐biodiesel chain,  including recommendations for the  interested policy makers and stakeholders, as a background document for the RecOil Guide. Existing practices are evaluated under different criteria including: 

Techno‐economic analysis of the pre‐selected best practices; 

Quality characteristics of the collected UCO; 

Analysis of possible implications to the collection procedures; 

Environmental performance and impacts analysis; 

Risks and weaknesses. 

    

        3 

2. UCO COLLECTION PRACTICES  

The quality of UCO as a raw material is critical for its transformation to biodiesel, since has impact 

in  all  sequential  stages,  so  the  collection  process  is  crucial  for  the  following  transformation 

processes to biodiesel.   

 

2.1. Existing practices for the UCO collection 

Three (3) sourcing strategies of UCO have been identified (BIOSIRE): 

A:   Processor  Decentralized  collection:  The  biodiesel  company  sets  up  a  door  to  door collecting system in order to collect direct from the “producers” of UCO (Figure 1). 

B:   Processor  Centralized  collection:  The  “producers”  of  UCO  deposit  them  at  centralized depots. The biodiesel company collects them directly from the depot (Figure 2). 

C:   Combined Supplied Collection: The biodiesel company supplies the raw vegetable oils to the “producers” of UCO and collects them for recycling as well (Figure 3). 

 

 

Figure 1. Processor Decentralized collection (A) 

 

    

        4 

 

Figure 2. Processor Centralized collection (B) 

 

 

 

Figure 3. Combined Supplied Collection (C) 

    

        5 

 

The above strategies are compared in Table 1. 

 

Table 1. Advantages and Disadvantages of the different collection strategies (Roy, 2009) 

Strategy  Advantages  Disadvantages 

A. Processor Decentralized collection 

Biodiesel processor has direct contact with the oil consumers, so they may educate them on the required quality of the oil (in order to be recycled) and how to reject inappropriate oil. 

Expensive and time consuming collection process (dependent upon the number of households/consumers involved and the volume/quality of used oil per point. 

Potential to deliver biodiesel to consumers during the collection process, cutting distribution costs and promoting biodiesel use. 

Waste license required 

Better working relationship and communication between processor and oil consumer. 

The frequency of collection is usually determined by the oil user. 

Eliminates waste collection fees for the oil user.   

B. Processor Centralized collection 

Low collection cost provided the depot(s) are located close to the processing facility 

No direct control over the quality of the oil feedstock. 

The collection to a centralised depot may already be established by a separate waste management company, reducing setup costs. 

Higher raw material cost from depot. 

If the depot can deliver the used oil to the biodiesel processer, no waste carrier license is required by the processor. 

Biodiesel processor has less control over the efficiency of the supply chain. 

 The biodiesel processor incurs higher financial risk if purchasing from only one UCO depot. 

C. Combined Supplied Collection 

Reduced cost for supply chain activities.  Competing with established oil suppliers. 

Close supply chain communication.   

 

 

2.2 Transport and Storage of UCO 

Transport and storage are parts of the  logistics chain, and as mentioned above they must follow good housekeeping guidelines. As a basic principle,  these must be harmonized with  the CEN/TR 15367‐3 “Prevention of Cross Contamination”. In parallel, the UCO supply chain can adopt partial or totally the following guidelines. The supply chain of UCO consists of the following stages: 

Production site; the site where the UCO is produced. 

Spot terminal; the first site where the UCO is initially collected. 

Filling Terminal; the terminal where the UCO is loaded to the trucks for the last stage of the process; here is the point where the blending of UCO from different oils takes place. 

Biodiesel refinery or Cleaning Terminal; the terminal where the biodiesel is manufactured. 

 

 

    

        6 

Cross contamination may occur at any stage of the supply chain and can be cause by inadequate:  management of operations 

inspection and maintenance 

design of facilities. 

 To ensure good quality of UCO in the spot terminal, it is suggested to verify that the product meets specifications when  it  is delivered  for  further process and  to keep procedures  that will prevent contamination on its way to the biodiesel plant. Proper detailed attention to all activities from the collection to the final delivery to the biodiesel plant, or to the purification installation is essential for the quality of the produced biodiesel. 

There should be operating quality protecting procedures covering: 

Delivery 

Sampling 

Inspection 

Testing 

Documentation 

Volume accounting. 

 

These procedures should be reviewed and updated taking  into account the UCO quality changes during seasonal or feedstock transitions. Another important issue, in any production stage, is that the  involved  personnel  should  be  properly  trained  so  that  they  understand  the  importance  of applying quality standards in the operating procedures. Even if the used installation/equipment is well selected and designed, general hardware faults can appear over time with careless inspection and maintenance. All  the  above will  affect  the biodiesel manufacturer  to maintain  the product quality at the required level. 

 

2.3 Legal Limitations 

The following Regulations, Directives and Decisions of the European Legislation must be followed in the collection of UCO: 

 REGULATIONS 

REGULATION (EC) No 1013/2006 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 14 June 2006 on shipments of waste. 

 DIRECTIVES 

Council Directive 1975/439/EEC of 16 June 1975 on the disposal of waste oils (75/439/EEC). 

Council Directive 1991/689/EEC of 12 December 1991 on hazardous waste. (91/689/EEC). 

Council Directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the landfill of waste. 

Directive 2006/12/EC of the EUROPEAN PARLIAMENT and of the COUNCIL of 5 April 2006 on waste. 

    

        7 

Directive 2008/98/EC of the EUROPEAN PARLIAMENT and of the COUNCIL of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives. 

 

DECISIONS 

Commission Decision of 3 May 2000 replacing Decision 94/3/EC establishing a list of wastes pursuant  to Article  1(a)  of  Council Directive  75/442/EEC  on waste  and  Council Decision 94/904/EC  establishing  a  list  of  hazardous  waste  pursuant  to  Article  1(4)  of  Council Directive 91/689/EEC on hazardous waste. 

Commission Decision of 16  January 2001 amending Decision 2000/532/EC as  regards  the list of wastes (notified under document number C(2001) 108). 

Council  Decision  of  19  December  2002  establishing  criteria  and  procedures  for  the acceptance  of  waste  at  landfills  pursuant  to  Article  16  of  and  Annex  II  to  Directive 1999/31/EC. 

   

3. ASSESSMENT OF BEST PRACTICES FOR UCO PROCESSING TO BIODIESEL  

3.1 Quality characteristics of the collected UCO used for processing to biodiesel  

Table 2 illustrates the physical and chemical properties of UCO collected in Shanghai, China. 

 Table 2. Physical and chemical properties of UCO (Wen et al, 2010) 

Property  Units Value

Palmitic acid  wt%  8.5 

Stearic acid  wt%  3.1 

Oleic acid  wt%  21.2 

Linoleic acid  wt%  55.2 

Linolenic acid  wt%  5.9 

Others  wt%  4.2 

Water content  wt%  1.9 

Density  g/cm3  0.91 

Kinematic viscosity (40 °C)  mm2/s  4.2 

Saponification value  mgKOH/g  207 

Acid value  mgKOH/g  3.6 

Iodine number  g I2/100 g  83 

Sodium content  mg/kg  6.9 

Peroxide value  mg/kg  23.1 

 

    

        8 

The main difficulty in using UCO as a biodiesel resource is their content of impurities, such as Free Fatty Acid  (FFA) and water. This makes necessary  their  treatment before  the  transesterification process due to their significant adverse effects on the process. The quality and the price of UCO are determined by  their acid and  saponification values.  If  the FFA  content of  the UCO  is above 3.0% then significant problems may occur in the transesterification process.  

 Large  amount  of  FFA  in  combination with moisture  are  leading  to  a  large  soap  formation  and hydrolysis respectively. The FFAs of UCO are sensitive to alkali catalyst and they must be removed before  transesterification  (Leung & Guo,  2006;  Banerjee &  Chakraborty,  2009).  Both  reactions mechanism are  resulting  in  low biodiesel yield and  in high catalyst consumption. To  reduce  the high FFA content in the oil, several techniques have been proposed: 

acid esterification with methanol and sulphuric acid (Meng et al, 2008), 

esterification with ion exchange resins (Ozbay et al, 2008), 

neutralization with alkalis followed by soap separation by a decanter, and 

extraction with polar liquids along with acid esterification and distillation of FFA. 

 To eliminate water content, UCO usually is heated to above 100°C (Demirbas, 2009). Alternatively, vacuum distillation at a 0.05 bar pressure is used (Felizardo et al, 2006). Furthermore, suspended solids, phospholipids, and other  impurities  can be washed away with hot water or  removed by centrifugation and paper filtration (Chen et al, 2009). 

 

3.2 Existing processing technologies and practices 

Biodiesel obtained from renewable  lipids, such as those of UCO, consists of  long‐chain fatty acid 

methyl esters (FAMEs).   Biodiesel  is highly biodegradable and has minimal toxicity;  it can replace 

petrodiesel  fuel  in many  different  applications  including  internal  combustion  engines  without 

major  modifications.  A  small  decrease  in  their  performances  is  reported  with  almost  zero 

emissions of sulphates, aromatic compounds and other chemical substances that are destructive 

to  the  environment.  Technical  problems  facing  biodiesel  include  low‐temperature  properties, 

storage  stability  and  slightly  increased NOx  exhaust  emissions. Marketing  issues with  biodiesel 

include economics and the fact that there is only enough vegetable oil or fat available to replace a 

few per cent of the petrodiesel market. 

 

Transesterification  is  the most common method  to produce biodiesel. Methanol  is  the normally 

used  alcohol  in  the  process  due  to  its  low  cost  and  physical  and  chemical  advantages. 

Homogeneous basic catalysts are the most widely used in industry as they accelerate the process 

and achieve more mild reaction conditions. The reaction can be carried out either discontinuously 

(batch) or  continuously. After  the  reaction,  the glycerol  is  separated by  settling or  centrifuging. 

The  biodiesel  phase  is  then  purified  before  being  used  as  diesel  fuel  in  compliance with  the 

EN14214 Standard and other national quality standards and technical norms.  

 

 

 

    

        9 

 

 

In Table 3, the advantages and disadvantages of the transesterification method are summarised, 

as reported in relevant studies and research reports.   

 Table 3. Advantages and disadvantages of the transesterification method 

PROCESSING METHOD  ADVANTAGE  DISADVANTAGE 

Transesterification 

Fuel properties are closer to diesel Low free fatty acid and water content 

are required (for base catalyst) 

High conversion efficiency 

Pollutants are produced because 

products must be neutralized and 

washed 

Low cost  Accompanied by side reactions 

Suitable for industrialized 

production   

 

In cases that UCOs are used as feedstock, more severe transesterification conditions are required compared  to  those  of  the  normal  process  utilizing  new  oils.  This  is  attributed  to  the  fact  that properties of UCOs are different  from  those of  refined and crude oils. As  the  result of  the high temperature during cooking and the water from the food, triglycerides  in the oils are hydrolysed and  this  increases  their  free  fatty  acid  (FFA)  content.  The  FFA  content  is one of  the  important factors  for alkali‐catalysed  transesterification. This  is due  to  the  FFAs  reacting with  the alkaline catalyst to produce soap, which inhibits the reaction and the results in the reduction of biodiesel yield.  

The following flowchart (Figure 4)  indicates the main procedure stages, usually considered  in the 

biodiesel production process.  

 

 

    

        10 

  

Figure 4.  Indicative flowchart of the biodiesel producing procedure 

  

3.3 Common practices in transesterification  

Transesterification is a relatively simple process that produces biodiesel (Fatty Acid Methyl Esters – FAME‐ and Fatty Acid Ethyl Esters – FAEE‐), according to the standards EN 14214 for Europe and ASTM D 6751‐12 for USA.  

The most common processes are: 

Classic transesterification process, Homogeneous ‐ catalyzed transesterification 

Heterogeneous – catalyzed transesterification 

Enzymatic, Enzyme ‐ catalyzed transesterification 

Supercritical methanol, Non – catalyzed transesterification. 

 

3.3.1. Homogeneous ‐ catalyzed transesterification 

This  is the most frequent process with the most commonly catalysts: potassium hydroxide (KOH) and  sodium  hydroxide  (NaOH).  Acid  catalysts  (Sulphuric  acid  ‐  H2SO4,  Sulphonic  acid  ‐  RSO3H, Phosphoric acid  ‐ H3PO4 and Hydrochloric acid  ‐HCl) are used also with  lower efficiency than the base catalysts.  

    

        11 

 

Base  catalysts  provide  the  additional  advantage which  of  the  lower  cost.  Additionally  the  FFA content  in  the  base  feedstock  is  essential  for  the  process,  because  high  FFA  content  needs additional amounts of catalyst and accelerates the soap formation through saponification. Figure 5 presents schematically the full alkali process of FAME from UCO. 

In order to identify the best homogeneous catalysts for the esterification process of UCO, several studies have been reviewed. The majority, suggest to use of larger amount (excess) of Potassium Hydroxide. Others promote the use of methoxide catalysts as the lack of hydroxide radical in their structure reduces the amount of soaps by  inhibition of the saponification reaction. Usually, they are referring to Potassium or to Sodium methoxide catalysts (Shimada et al, 2002; Georgogianni et al.,  2009;  Soriano  et  al,  2009;  Thanh  et  al,    2010;  Guzatto  et  al,  2011;  Charoenchaitrakool & Thienmethangkoon, 2011; Yan et al, 2011). 

 

Figure 5. Production of FAME from UCO by alkali process 

 

3.3.2. Heterogeneous – catalyzed transesterification 

Recently, a  lot of  researchers and  industrial processes manufacturers have  started  to pay more attention to heterogeneous catalysts due to their higher biodiesel yield, higher glycerol purity and easier catalyst separation and recovery. Additionally, this process gains ground because it is being cheaper, safer, and more environmentally friendly; and not require a washing step for the crude ester. Moreover, heterogeneous  catalysts are preferred over homogenous  catalysts  in biodiesel production  from  UCO  because  saponification  and  hydrolysis  reactions  are  eliminated.  The heterogeneous catalysts are separated,  just  like homogeneous catalysts,  in two types: acidic and basic.  Table  4  presents  the  “performance”  of  selective  heterogeneous  catalysts  for  the transesterification of UCO (Sakai et al, 2009; Agarwal et al, 2012). 

 

    

        12 

  

Table 4. Biodiesel production from UCO using heterogeneous catalysts 

Oil  Catalyst Catalyst 

Amount (%wt) 

Alcohol molar ratio 

Process  Ester yield (%) Temperature (°C) Time (h) 

UCO 

Sr/ZrO2  2.7  29:1  115.5  2.82  79.7 

ZS/Si  3.0  6:1  200  10  81.0 

SO42‐/TiO2–SiO2  3.0  9:1  200  5  92.0 

 

 

3.3.3. Enzyme – catalyzed transesterification 

This method  includes the use of enzymes  in the production of biodiesel.  It must be noticed here that  this method  is  not  yet  industrially  available.  Typical  flowchart  of  enzymatic  production  of FAME is presenting in Error! Reference source not found.. 

 

Figure 6. Enzymatic production of FAME 

The methods are presented in Figure 7 and compared in Tables 5 and 6. 

    

        13 

 

Figure 7. Comparison of steps involved in the immobilization of extracellular and intracellular lipase enzymes 

The use of enzymes provides the advantage of the tolerance in the water concentration in the oil and the avoidance of FFA saponification. Additionally the reaction of transesterification can take place  in  lower  pressure  and  temperature,  thus  leading  in  lower  energy  consumption.  On  the contrary,  the enzyme has more expensive,  there  is  inhibition by methanol,  long reaction  time  is required and  the glycerol  is adsorbed on  the enzyme surface  (Hama et al., 2011; Talukder et al, 2011). 

 

Table 5. Comparison of  tasks  in  the  enzymatic production of biodiesel  for  extracellular  lipase  (Ranganathan  et  al, 2008) 

Developer /year  Oil  Enzyme Acyl 

acceptor Conversion 

(%) Technique employed 

Cost of production 

Watanabe et al (2000) 

Vegetable oil Novozyme 

435 Methanol  90–93 

Stepwise addition of methanol 

Moderate 

Samukawa et al (2000) 

Soyabean oil Novozyme 

435 Methanol  97 

Stepwise addition methanol and 

preincubation of enzyme in methyl 

oleate and soyabean oil 

High 

Iso et al (2001)  Triolein P. 

flourescens Butanol  90 

Butanol was used as an acyl acceptor and no solvent was 

used 

Moderate 

Shimada et al (2002) 

UCO Novozyme 

435 Methanol  90 

Stepwise addition of methanol 

Low 

Bako et al (2002) 

Sunflower oil Novozyme 

435 Methanol  97 

Stepwise addition of methanol and 

removal of glycerol by dialysis 

High 

    

        14 

Developer /year  Oil  Enzyme Acyl 

acceptor Conversion 

(%) Technique employed 

Cost of production 

Du et al (2004)  Soyabean oil Novozyme 

435 Methyl acetate 

92 

A novel acyl acceptor, methyl acetate which had 

no inhibitory effects was used 

High 

Xu et al (2004)  Soyabean oil Novozyme 

435 Methanol  98 

Stepwise addition of methanol and 

removal of glycerol using the solvent, iso‐propanol 

High 

Li et al (2006)  Rapeseed oil 

Novozyme 435 & 

Lipozyme TL IM 

Methanol  95 

Combined use of Lipozyme TL IM 

and Novozyme 435 along with tert‐

butanol as solvent 

High 

Royon et al (2007) 

Cotton seed oil, 

Novozyme 435 

Methanol  97 tert‐Butanol was used as a solvent 

High 

Modi et al (2007) 

Jatropha oil Novozyme 

435 Ethyl 

acetate 91.3 

Ethyl acetate having no 

inhibitory effects was used 

High 

 

Table 6. Comparison of works on enzymatic production of biodiesel for Intracellular lipase (Ranganathan et al, 2008) 

Developer /year  Oil  Enzyme Acyl 

acceptor Conversion 

(%) Technique employed 

Cost of 

production 

Ban et al ( 2001)  Vegetable oil Rhizopus oryzae 

Methanol  90 

Stepwise addition of methanol and application of 

glutaraldehyde for stability of enzyme 

Low 

Hama et al (2007) 

Soyabean oil Rhizopus oryzae 

Methanol  90 Stepwise addition of methanol in a 

packed bed reactor Low 

 

 

3.3.4. Non – catalyzed transesterification 

This,  not  yet  industrial  method  uses  methanol  under  supercritical  conditions  (Figure  8).  The supercritical  transesterification has  some  advantages over  the  conventional process due  to  the absence of catalyst,  to  the easier  separation of products,  to  the  faster  reaction  rate and  to  the elimination  the  effects  of  the  high  content  of  FFA  and  of  the  excess  of water.  However,  the method requires high reaction temperature and pressure, as well as  large excess of alcohol. As a result of the supercritical, the energy required is high and increased capital cost (Saka et al, 2010; Tan  et  al,  2010; Quesada‐Medina & Olivares‐Carrillo,  2011).  Typical  flowchart  of  the  proposed procedure is presenting in Figure  (van Kasteren & Nisworo, 2007). 

 

    

        15 

 

 

Figure 8. Supercritical transesterification process for UCO conversion to biodiesel 

According  to  Table  7,  the original optimal  conditions  ‐defined  as  yielding  the highest  extent of reaction as over 90% triglyceride conversion or over 96% alkyl esters content‐ were temperatures within 300 – 350oC, pressure within 20 – 35MPa, an alcohol to oil molar ratio of 40:1 – 42:1 and a reaction time of 5 – 30 min, for both methanol and ethanol (He et al, 2007). These parameters are referred as  the original supercritical  transesterification parameters, and have been employed  to study  the effects of each parameter,  the chemical kinetics,  the phase behavior and  the  techno‐economic feasibility of the process.  

Among  the  general  operating  parameters mentioned  above,  the  Reaction  Temperature  is  the major  determinant  of  reaction's  efficiency.  However,  where  maximum  alkyl  ester  content  is required,  that  is  for  biodiesel  production,  the  higher  operating  temperatures  cause  a  negative effect  on  the  proportion  of  alkyl  esters  obtained  in  the  product  due  to  the  thermal  cracking reaction. Indeed, the thermal cracking is the chemical limitation of supercritical transesterification. Explaining  the  above  limitations  it must  be mentioned  that  the  European  Standard  EN14214, which  requires  over  96.5%  esters  content,  thermal  cracking  of  polyunsaturated  fatty  acids  is  a serious  obstacle. According  various  studies  the methyl  linoleate  content  in  FAME decreases  by approximately 10% compared with the  level  in the feedstock  if the reaction temperature  is over 300oC  and  the  reaction  time  over  15  minutes  (Ngamprasertsith  &  Sawangkeaw,  2011). Additionally,  the  high  temperature  and  pressure  requires  both  expensive  reactor  and  a sophisticated  energy  and  safety management policy.  The high  alcohol  to oil molar  ratio has  as result,  large  energy  consumption,  which  is  required  in  the  reactants  pre‐heating  and  in  the recycling steps. The high amount of alcohol in the biodiesel product retards the biodiesel‐glycerol phase  separation.  Taking  into  account  those  original  parameters  results  in  high  capital  costs, especially for the reactor and pump, being somewhat higher than the novel catalytic methods. In order to increase the technical and economic feasibility of supercritical transesterification, further studies are required to optimize the operating parameters of this process. 

 

    

        16 

Table 7. Reaction parameters and optimal conditions of supercritical transesterification for various oil types and alcohols 

Developer/Year 

Oil type Alcohol 

Temp. P (MPa) 

Alcohol/oil 

(mole/mole) 

Reaction time (min) 

Reactor 

(size/type) 

Extent of reaction 

Bunyakiat  

 

et al (2006) 

Coconut & Palm kernel 

Methanol, 350oC 

19  42:1  7 ‐ 15 

251‐mL 

Continuous reaction in a tubular vesicle 

95% Methyl Ester Content 

Demirbas (2002) 

Hazelnut kernel & 

Cottonseed 

Methanol, 350oC 

Not Reported 

41:1  5 100‐mL 

Batch 

95% Methyl Ester Content 

Rathore & Madras (2007) 

Palm and Groundnut 

Methanol, 400oC 

20  50:1  30 11‐mL 

Batch 

95% Triglyceride Conversion 

Sawangkeaw et al (2007) 

Palm kernel Methanol 350oC 

20  42:1  30 250‐mL 

Batch 

95% Methyl Ester Content 

Saka & Kusdiana (2001) 

Rapeseed Methanol 350oC 

45  42:1  4 5‐mL 

Batch 

98% Methyl Ester Content 

Minami & Saka (2006) 

Rapeseed Methanol 350oC 

20  42:1  30 

200‐mL Continuous reaction in a tubular vesicle 

87% Methyl Ester Content 

Yin et al (2008) 

Soybean Methanol3

50oC 20  42:1  30  250‐mL Batch 

95% Methyl Ester Content 

Madras et al (2004) 

Sunflower Methanol& Ethanol 400oC 

20  40:1  30  8‐mL Batch 97% 

Triglyceride Conversion 

Vieitez et al (2011) 

Castor Ethanol 300oC 

20  40:1 Not 

Reported 

42‐mL Continuous reaction in a tubular vesicle 

75% Ethyl esters content 

Silva et al (2007) 

Soybean Ethanol 350oC 

20  40:1  15 

42‐mL Continuous reaction in a tubular vesicle 

80% Triglyceride Conversion 

Balat (2008)  Sunflower Ethanol 280oC 

Not Reported 

40:1  5  100‐mL Batch 80% Ethyl esters content 

 

3.4 Comparative analysis of the most common practices 

The production of biodiesel from UCO  is expected to be more  important  in the future due to  its low cost and wide availability. The following aspects must be taken into account.  

First, UCO requires several pretreatment steps in order to eliminate solid impurities and to reduce FFA and water contents. The pre‐treatment process may  include a washing step, centrifugation, flash  evaporation,  and  acid  esterification. Methanol  is  used  in  the  transesterification  process because of its wide availability, high activity and low cost. However, ethanol is more soluble in oil, 

    

        17 

which  enhances  mass  transfer  within  the  system.  Thus,  a  methanol  ‐  ethanol  mixture  was proposed to combine the advantages of both alcohols. Several types of catalysts have been used widely  for  esterification  reaction,  such  as  homogenous  catalysts,  heterogeneous  catalysts, enzymes  and  supercritical  esterification.  For  the  production  of  biodiesel  from UCO  a  challenge between Base homogenous and heterogeneous catalysts is established. 

The basic advantages and disadvantages of the above processes are illustrated in Table 8.  Table 8. Advantages and disadvantages of the transesterification processes 

Process  Advantages  Disadvantages 

Homogeneous ‐ catalyzed transesterification 

Acceptable Reaction Time 

Easy 

Sensitive to FFA 

Use of Water 

Glycerol Quality 

Heterogeneous – catalyzed transesterification 

Not so Sensitive to FFA 

Use of Water 

Glycerol Quality 

Expensive 

Longer Reaction Time 

Enzyme ‐ catalyzed transesterification 

Not so Sensitive to FFA 

Use of Water 

Glycerol Quality 

Very Expensive 

Longer Reaction Time 

Supercritical Methanol 

Not so Sensitive to FFA 

Use of Water 

Glycerol Quality 

Very Expensive 

Use of Energy 

 

3.5 Health and Safety 

The production of UCO  is  a  complex process, which  is  involving  several  reactions  affecting  the components;  firstly  the  fatty material used as a  frying medium which are  the Triglycerides  (TG), and secondly the components of the unsaponiable fraction (sterols, tocopherols, carotenes, etc.). Basically three types of reaction take places during the forming process. These are: 

Oxidation reactions 

Hydrolysis of triglycerides 

Polymerization of triglycerides.  The various products of these reactions may be grouped as in the Table 9. 

Table 9. Results of frying 

REACTION  RESULTS 

Oxidation reactions 

Fixed oxidation compounds (oxidised TG, epoxides, etc.) 

Volatiles (hexanal, pentane, 2,4‐decadienal, pentanol, etc.) 

Oxidised oligomers 

Sterol oxides 

Hydrolysis of triglycerides 

Free Fatty Acids (FFA) 

Diglycerides (DG) 

Monoglycerides (MG) 

Polymerization of triglycerides Non‐polar dimers 

Other non‐polar oligomers 

    

        18 

 

The main characteristics of UCOs in relation to their safety are (Riera & Codony, 2000): 

Transfer of  liposoluble  compounds  in  the  food  to  the  frying oil;  it allows  the  liposoluble contaminants in the food to be transferred to the cooking oil. It should also be pointed out that  as  successive  batches  of  food  are  placed  in  the  oil,  these  substances will  become concentrated. 

Transfer of water  from the  food to the  frying oil; this  is a determinant of  its degradation reactions.  It  is  also  important  to  consider  the  remaining  water  concentration  in  UCOs collected for subsequent recycling. 

Formation  of  volatile  compounds  in  the  oil,  at  low  concentrations;  they  are  giving  the typical aromas and flavors in the fried products, but in high concentrations are undesirable. 

Considerable  degradation  in  composition  of  the  cooking  oil,  as  a  result  of  different reactions. Because of its importance regarding safety of use in feeds, this is discussed. 

 

The main harmful effects of the oil’s degradation compounds are presenting in the table 10 below: 

 

Table 10. Harmful effects of the oil’s degradation compounds 

Degradation compounds  Severity  Toxic effects 

Hydroperoxides  Low, only at low temperatures 

Enzymatic dysfunction of the intestinal mucosa 

Induction of colon cellular proliferation 

Epoxides, TG and Oxidized FAcids  Moderate (low temp.) Hepatic hypertrophy. 

Hepatic enzymatic dysfunction 

Secondary compounds  Moderate‐High Hepatoxicity 

Mutagenicity 

Oxidised cyclic monomers Moderate‐Low especially at high 

temperature Reduced growth and death 

Non‐oxidised dimers and 

oligomers 

Moderate‐High at 200°C and low oxygen concentration 

Diarrhea 

Oxidised dimers Predominant at high temperature 

with excess of oxygen Reduced growth 

Oxidised oligomers Predominant at high temperature 

with excess of oxygen Reduced growth 

Oxysterols  Variable Atherogenicity. 

Cytotoxicity/Mutagenicity 

 

It is obvious that these compounds show toxic effects, so the established toxicity value is the sum of  all  the  substances present  in  a  sample. The UCOs  can be  toxic,  so  they must be handled as those. 

 

    

        19 

4. HARMONIZATION WITH THE EU DIRECTIVE FOR SUSTAINABILITY 

The exploitation of UCO to biodiesel is in line with the Renewable Energy Directive (RED), covering 

Green House Gas emissions, biodiversity and carbon stock. UCO and tallow (excluding category 3 

tallow) use the EC default value for  ‘waste vegetable and animal oil’. For the use of the UCOs  in 

the FAME production the carbon intensity is 14 grCO2eq/MJ and the Carbon Saving is 83%. 

The materials most commonly used for biofuel production are UCO, animal fats of categories I and 

II1,  followed at  some distance by  crude glycerin. Added up, an estimated  total of up  to 1  ‐ 1.5 

MTonnes of these three feedstocks are currently used and some 6.1 MTonnes might potentially be 

available  in  the  EU  at  2020,  although  the  retrievable  potential  of UCO  is  unlikely  to  be  totally 

collected.  It  can  be  concluded  that  the  available  UCO,  animal  fats  and  crude  glycerin  are  

insufficiently available to produce the quantity of  7 Mtoe of advanced biofuels required in 2020, 

even taking into account the quadruple counting of crude glycerin. Unless the proposed measures 

lead unexpectedly to a surge in cellulosic ethanol production, it is unlikely that sufficient advanced 

biofuels can be produced  from EU  feedstocks to meet the RED target. This means that a certain 

degree of  feedstock  imports will be necessary  (Peters et al, 2013). Consequently,  this arise  the 

prices of UCO and animal fats prices as it happened in recent past years. EU has to face the threat 

of the cheap imported UCO and animal fats. 

Additionally,  the  impact on  the biofuel price  is estimated  to be  limited since sufficient relatively 

cheap  double  and  quadruple  counting  biofuels  are  available  today.  To  ensure  a  robust 

implementation, the full supply chain needs to check the origin of the feedstock to guarantee  its 

quality. In other words, the full chain needs to start checking from the place of production of the 

feedstock.  For UCO,  the  full  chain  inspection  is  required  to  include  verified  evidence  from  the 

actual restaurant or  food processor.  In cases where  feedstocks are generated at many  locations 

prior to their collection, such as restaurants, the approach might not be very practically realistic. 

This could be partly solved by applying a certain annual sample size, meaning  that every year a 

small percentage of the chain will be actually checked. This is how the German audit requirements 

for double counting materials work and it remains to be seen how much UCO will be supplied to 

the German market in the future. For UCO, the first point to be audited in the supply chain could 

be the first collector of the material (Peters et al, 2013). 

With reference to the EU Directive there are points where the production of FAME and biofuel in 

general is not completely addressed. This explained in detail below: 

The statement “Current  incentives, particularly, those set out  in Article 21(2) of the RED, 

are  not  enough  to  spur  the  desired  level  of  investment  in  advanced  2nd  generation 

biofuels” is partially addressed. This happened because the figures on biofuel deployment 

in the period 2009‐2011 shown a significant increase in advanced biofuel production in the 

EU, mainly  UCOME  and  animal  fat  based  biodiesel.  At  the  same  time,  investments  in 

cellulosic ethanol increased only slightly. Double counting therefore proved to be effective 

1Category I animal fats: animal fat, max. 15 % FFA; also animal fat, max. 15 % FFA, purified to max. 0.15% impurities 

Category II animal fats: animal fat, max. 15 % FFA 

    

        20 

in stimulating production and supply of low‐tech double counting biodiesel whereas it did 

not spur investments in high‐tech advanced biofuels. 

The statement “the availability of biofuels made from waste, residues, non‐food cellulosic 

material and ligno‐cellulosic material" (article 23)  is a question of supply, both in terms of 

availability of  raw‐material e.g. waste oil, but also a  technical question whether enough 

production  capacity  can  be  cost‐efficiently  installed  by  2020.  Achieving  a  supply  of  3.8 

Mtoe of double counted biodiesel would  therefore be challenging  is partially addressed. 

This happened because the term “advanced biofuels” can lead to confusion. It seems to be 

defined by the Commission as biofuels produced from waste, residues and cellulose. While 

the  uptake  of  cellulosic  biofuel  capacity  is  technically  challenging,  the  availability  of 

sufficient  capacity  of  biofuels  produced  from  wastes  and  residues  does  not  pose  a 

technical  challenge.  Esterification  plants  could  be  converted  to  process  waste/residue 

feedstocks  such  as UCO or waste  animal  fat.  This  requires  a high  investment.  Sufficient 

capacity  is  available  in  the  EU  which  could  be  used  for  advanced  biofuel  production, 

although  retrofitting  capacity  which  is  integrated  with  crushing  capacity  might  be 

challenging.  Supply  of  double  counting  feedstocks  in  a  sustainable  way  could  be 

challenging. 

 

 

5. CLIMATE AND GEOGRAPHICAL PARAMETERS 

A  lot  of  FAME  producers  from  vegetable  oils  can  switch  to  producing  UCO  based  biodiesel. 

Switching from FAME to UCO Methyl Esters could require a substantial investment depending on 

the quality of UCO which is used. High quality UCO with little impurities and a low content of FFAs 

could be used without problems in FAME installations (European Biodiesel Board, 2013).  

However, according to the quality of available UCO, an investment at the biodiesel facility may be 

required even  if  the esterification process  remains  the  same.  Such a  retrofit  could  include pre‐

treatment (filtering) of the UCO and building UCO storage tanks. It requires the  installation of an 

esterification unit at the beginning of the process, and a distillation unit at the end, to make sure 

that the biodiesel still meets the European EN 14214 standard for biodiesel. These additional units 

reduce the conversion efficiency of the installation.  

Such  an  investment  typically  cost  2.5‐5.5  Μ€  for  50%  of  a  100,000  tons  installation, meaning 

between 33% ‐ 50% of the initial biodiesel plant investment costs (Peters et al, 2013). Shifting from 

FAME to Used Cooking Oil Methyl Esters (UCOME)  is more suitable for stand‐alone biodiesel plants 

and  less  suitable  for  plants  which  are  integrated  with  oilseed  crushers.  An  investment  in 

retrofitting  is  especially  interesting  for  investors  who  buy  a  biodiesel  installation  who  went 

bankrupt, for a modest sum of money. As feedstock processors are and biodiesel producers, they 

have some flexibility to shift to non‐conventional biofuel or non‐biofuel markets. However, since 

the market  is not expected to  increase up to 2020  is not estimated that the short‐ and mid‐term 

utilization of the capacity will be enlarged. The use of the alternative esterification methods must 

be examined in order to improve the economic results of a retrofit. 

    

        21 

 

The  climate  and  geographical  parameters  are  playing  an  important  role  in  the  production  of 

methyl esters  from UCO. Basically,  they  influence  the quality parameters of  the produced UCO 

indirectly;  they  influence  the  quality  of  the  produced  virgin  vegetable  oil,  so  the  properties  of 

UCOs are affected. The concentration of FFA  in the oil has a main  impact  (Fieldsend & Morison, 

2000). Additionally, many researchers have proved that seed yield was significantly influenced by 

the harvest time, even in autumn season only. The longer growing period of plants influences also 

the yield of seeds. The higher temperature and higher precipitation rate that prevailed during seed 

ripening are producing high seed yield and oil quality. Even the harvest technique, in some cases, 

tended  to  influence  the  seed yield, plant dry matter,  seed dry matter, oil  content,  stearic acid, 

oleic acid and linoleic acid (Ghasemnezhad & Honermeier, 2007). 

All  the  above  parameters  may  influence  important  properties  of  the  produced  FAME.  These 

properties are critical for the oxidation stability of the produced FAME.  At first, the Iodine Value 

or either called Iodine Number (Iodine Value is a stability index measuring level of unsaturation in 

organic compounds, such as FAME), which  is an  indicator of the number of double bonds which 

are present in the sample. The higher the Iodine Value, the higher the number of double bonds.  

The Iodine Value decreases with higher alcohols used in transesterification. Iodine Value is one of 

the oldest and most common methods for determining the  level of unsaturation  in a fatty oil or 

ester  (Pullen &  Saeed,  2012).  Additionally  the  content  of methyl  linolenate  is  restricted  in  EN 

14214 because of its high propensity to oxidize. However, the 12% limit is set so as not to exclude 

high oleic rapeseed oil, which  is one of the major European biodiesel feedstocks (Knothe, 2006). 

FAME or ester content diminishes as esters degrade by oxidation, so that this measurement can 

serve to indicate oxidation progress (Lacoste & Lagardere, 2003). 

Additionally,  the  quantity  of  fatty  acids  and  mineral  acids  influence  the  acid  number  of  the 

biodiesel fuel. High fuel acidity is associated with corrosion and engine deposits, particularly in the 

fuel  injectors. Di‐  and  tri‐  unsaturated  fatty  acids  contain  the most  reactive  bis‐allylic  sites  for 

initiating the autoxidation chain reaction (Pullen & Saeed, 2012).  

Oxidation stability was reported to correlate not with the total number of double bonds, but with 

the  total number of bis‐allylic  sites. Vegetable oils  rich  in polyunsaturated  linoleic and  linolenic 

acids, therefore tend to give methyl ester fuels with poor oxidation stability (Ramos et al, 2009). 

Oxidation products can attack elastomers, clog fuel filters and contaminate engine lubricating oil. 

Corrosive  acids  and  deposits may  cause  increased  engine wear.  Blending  biodiesel with  petro‐

diesel  can  exacerbate  insoluble  formation. Oxidation  of  biodiesel  can  only  be  delayed  and  not 

completely prevented. Delaying techniques include control of fatty acids composition and storage 

conditions among other procedures. 

 

 

    

        22 

 

6. ENVIRONMENTAL PERFORMANCE AND IMPACTS ANALYSIS 

The current integrated management of UCOs is presented in Figure  (Peiro et al, 2010). 

 

 

Figure 9. Overall production of FAME from UCO 

 

The environmental  impact of 1  ton biodiesel production  from UCO has  the  following  impacts  to the following ten (10) categories as depicted in Table 11 (Peiro et al, 2010).   

    

        23 

Table 11. The environmental impact of 1 ton biodiesel production from UCO 

Impact Categories Contribution of the UCO 

Collection (%) 

Contribution of UCO Pre‐

treatment (%) 

Contribution of UCO 

Delivery (%) 

Contribution of Transesterification 

(%) 

Total impact 

Units 

Abiotic Depletion  0  10  0  90  5.51  kg Sb eq 

Global Warming Potential 

0  25  0  75  299.60  kg CO2 eq 

Ozone Layer Depletion 

0  29  0  71  5.80 x 10‐5  kg CFC 11 eq 

Human Toxicity  0  34  0  66  106.97 kg 1,4 

dichlorobenzene eq 

Fresh Water Aquatic Ecotoxicity 

0  27  0  73  19.18 kg 1,4 

dichlorobenzene eq 

Marine Aquatic Ecotoxicity 

0  60  0  40 1.39 x 105 

kg 1,4 dichlorobenzene 

eq 

Terrestrial Ecotoxicity 

0  30  0  70  0.52 kg 1,4 

dichlorobenzene eq 

Photochemical Oxidation 

0  25  0  75  0.08  kg C2H4 eq 

Acidification  0  43  0  57  1.39  kg SO2 eq 

Eutrophication  0  37  0  63  0.10  kg PO4 eq 

 In  relevance  to  the  commitments  for  increasing  the  share  of  renewables  in  the  electricity generation, the ecological footprint of FAME production from UCO presents a significant decrease (Table 12) as the electricity consumption  in the manufacturing process  is becoming more green. The  impact  in  the  marine  aquatic  ecotoxicity  decreased  35.54%.  The  only  increment  in  the environmental impact referring to the Ozone layer depletion and the percentage is 0.17%.   Table 12. Environmental impact of 1 ton of FAME from UCO for 2006 and 2010 in Spain 

Impact Categories  2006  2010  Difference (%)  Units 

Abiotic Depletion  5.51  5.34  ‐3.08  kg Sb eq 

Global Warming Potential  299.60  275.61  ‐8.01  kg CO2 eq 

Ozone Layer Depletion  5.80 x 10‐5  5.81 x 10‐5  0.17  kg CFC 11 eq 

Human Toxicity  106.97  97.28  ‐9.06  kg 1,4 dichlorobenzene eq 

Fresh Water Aquatic Ecotoxicity 

19.18  17.10  ‐10.84  kg 1,4 dichlorobenzene eq 

Marine Aquatic Ecotoxicity  1.39 x 105  8.96 x 104  ‐35.54  kg 1,4 dichlorobenzene eq 

Terrestrial Ecotoxicity  0.52  0.43  ‐17.31  kg 1,4 dichlorobenzene eq 

Photochemical Oxidation  0.08  0.07  ‐12.50  kg C2H4 eq 

Acidification  1.39  1.05  ‐24.46  kg SO2 eq 

Eutrophication  0.10  0.08  ‐20.00  kg PO4 eq 

    

        24 

 

The BIOSIRE project summarizes the LCA analysis for the Rapeseed Methyl Ester (RME) produced. It was mentioned that RME biodiesel has a mean CO2 equivalent saving of 2.7kg  for every kg of substituted  fossil  fuel. At  the  same  report  it  is mentioned  that  FAME made  from  sunflower or soybean oil has even greater savings of CO2 equivalent due to the need for  less nitrogen derived fertilisers. A  typical LCA assessment  for RME according  to  the BIOSIRE project  is  summarized  in Table 13 (Roy, 2009).   Table 13. LCA assessment for RME (BIOSIRE project) 

Balanced Category  General assessment  Ecological relevance 

Demand for mineral resources  Disadvantage  Disadvantage 

Demand for finite energy  Advantage  High 

Global warming potential  Advantage  Very high 

Acidification potential  Disadvantage  Medium 

Eutrophication potential  Disadvantage  Medium 

Stratospheric ozone depletion  Disadvantage  High/Very High 

Tropospheric ozone formation potential 

Difference of less 

than 10% Disadvantage 

Human and Ecotoxicity biodegradability 

Advantage  Medium 

 

Table 14 compares the four main transesterification processes: 

Homogeneous ‐ catalyzed transesterification. 

Heterogeneous – catalyzed transesterification. 

Enzyme ‐ catalyzed transesterification. 

Supercritical Methanol 

 

The evaluation criteria are: 

Environmental 

Technical 

Health & Safety 

Market Opportunities & Barriers 

Harmonization with EU Directive & Sustainability 

Climate / Geographical Parameters 

 

 

 

 

    

        25 

Table 14. Evaluation criteria of examined biodiesel production processes 

  EVALUATION CRITERIA 

Process  Environmental  Technical Health & Safety 

Market Opportunities & Barriers 

Harmonization with EU 

Directive & Sustainability 

Climate / Geographical Parameters 

Homogeneous ‐ catalyzed 

transesterification 

Waste Water and Saponified Products 

Poor quality of glycerin. 

Established Technology 

Normal 

Increasing Market Share. 

Low Quality 

Covering the EU Directive on Sustainability 

High dependent 

Heterogeneous – catalyzed 

transesterification 

No waste water. 

Low to normal glycerin purity. 

Longer Time 

Reaction Normal 

High Costs 

Increased production of Methylesters 

Covering the EU Directive on Sustainability 

High dependent 

Enzyme ‐ catalyzed transesterification. 

No waste water. 

Normal or triacetylglycerol as 

byproduct 

  Normal 

High Costs. 

Increased Production of Methylesters. 

High reaction time 

Covering the EU Directive on Sustainability 

Moderate 

Supercritical Methanol 

No waste water. 

Higher impact on the environment, because of its requirement for large amounts of methanol during the reaction and consequently the 

energy expenditure in methanol 

recirculation in the recycle loop. 

Large amounts of energy. 

High glycerin purity 

High 

High Costs 

Increased Production of Methylesters. 

Large amounts of energy. 

Not proved industrial production. 

Covering the EU Directive on Sustainability 

Moderate 

 

The supercritical process always generated a higher  impact on  the environment, because of  the requirement  for  large  amounts  of methanol  during  the  reaction  and  consequently  the  energy expenditure  in  methanol  recirculation.  In  order  to  make  the  supercritical  methanol  process feasible, from the environmental point of view, the distillation column  in the methanol recovery process  has  to  be  replaced  with  a  different  less  energy‐intensive  process  technology.  Alternatively,  it  remains  to be  confirmed  if  the promising  results of  the  two‐stage  supercritical process, with reduced operating pressure, temperature and methanol to oil ratios, will be reliably translated into industrial scale production (Kiwjaroun et al, 2009). 

Obviously acid, alkali, or enzymatic catalyzed and supercritical  transesterification are alternative  approaches that have been used for biodiesel production. However, all of them have advantages and  disadvantages.  The  type  of  feed  stock  is  the most  important  factor  in  the  production  of biodiesel. It is important to understand that UCO can decrease biodiesel production costs. On the 

    

        26 

other hand,  the  shortage of UCO  in  EU may  lead  in  imports  so  the price of obtaining  the  raw material may be higher than it is today. However, the cooking process has negative influences on oil properties and can create different types of impurities in the oil and can also increase the FFA and water  content  of  oil.  Therefore,  these  obstacles  increase  the  cost  for  the  purification  and separation process in the downstream biodiesel production. 

The  transesterification with alkali catalysts  is  the conventional method  for biodiesel production, but this method causes serious problems in the purification part since they are highly sensitive to FFA and water content  in the UCO. The acid catalyzed process  is not sensitive to FFA and water content like base catalysts. However, the production process is much longer. 

The utilization of enzymatic catalysts showed very promising  results, but  they are expensive, so this is not suitable for industrial production of biodiesel (Kiakalaieh et al, 2013). Furthermore, the supercritical  method  requires  high  temperature  and  pressure,  making  the  process,  yet,  not economical and not environmental friendly. 

Therefore, scientists focus on the utilization of heterogeneous acid and base catalysts in biodiesel production  since  the  catalysts  may  be  reusable  many  times.  The  reuse  of  catalyst  is  an environmental friendly practice. The reusability of catalyst  is the most  important property which can make  them  economical  for  industrial  production  in  a  continuous  process.  Hence,  various methods  such  as membrane  reactor,  reactive  distillation,  reactive  absorption, microwave,  and ultrasonic to reduce production costs, reaction time, catalyst and alcohol requirements have been used in transesterification reactions. These methods are trying to increase the quality and quantity of FAME for applications to diesel engines without any kind of engine modification. 

Being  realistic,  for  the  current  time  the  use  of  homogenous  catalysts  is  the  optimum way  of producing biodiesel from UCO. The following considerations must be taken into account: 

KOH catalyst  is  less effective than the sodium based catalysts. A catalyst concentration of 0.8 (wt%) for UCOs ensures that viscosity is within the limits, but then purity is lower than the minimum required according to the European biodiesel standard EN 14214. Because at the highest catalyst concentrations purity was generally very close to the limit, best results would be expected by increasing the catalyst concentration (Dias et al, 2008; Atapour et al, 2013). 

Kinematic  viscosity  and  methyl  ester  content  are  the  most  important  properties  to evaluate which catalyst type and concentration are needed. 

Methanol, being cheaper, is the commonly used alcohol during transesterification reaction. 

    

        27 

7. DISTRIBUTION PRACTICES 

Biodiesel distribution involves the steps and provisions required to transfer the biodiesel from the 

producer  into  the  marketplace  or  into  the  refinery  for  blending.  This  includes  the  storage 

infrastructure,  the  blending  techniques,  the  quality  assurance  and  transportation methods  and 

means.  

Figure 10 indicates the stages which should be considered in the biodiesel distribution process. 

Figure10. Indicative flowchart of the biodiesel distribution steps 

Due mainly  to  taxing  reasons  there  are  specific  strict  rules  for  the  distribution  practices  per 

country. An indicative picture of the end users in RecOil countries is presented in Table 15. 

Table 15. Potential customers of the biodiesel production plants 

Country  End Users/Destination 

Greece Refineries 

 Distributor 

Denmark Refineries 

 Distributor 

Portugal 

Refineries 

 Distributor 

 End Users (Transport Companies) 

Italy  Refineries, Distributor 

Spain

Refineries

Distributor

End Users (Transport Companies)

Gas Stations

  

    

        28 

 

A comparison of the three main distribution methods is presented in the Table 16. 

Table 16. Assessment of the biodiesel distribution methods 

Destination  Advantages  Disadvantages 

Refineries Constant buyer 

More constant rules 

Oligopsony controlling the market 

Distributor Selection of the best prices and trade agreements 

Sensitive market depending on national policies 

Transport Companies and Gas Stations 

Selection of the best prices and trade agreements 

Risk for black market and tax evasion 

 

 

 

8. CONCLUSIONS 

UCO  full  chain  is  a dynamic business  activity  in EU with essential economic  and environmental benefits. The analysis of  the  current  report  reviewed  the best methods  to process  the UCO‐to‐biodiesel chain putting emphasis on the most critical technical and practical guidelines  including best practices, quality characteristics of the collected UCO, potential  implications, Environmental performance and Risks.  This analysis was based on: 

the existing know‐how and experience of the members of the consortium 

reviews with the real market stakeholders 

important S&T literature.  

 

 

 

 

 

 

 

 

    

        29 

9. REFERENCES 

Agarwal, M.,  Chauhan,  G.,  Chaurasia,  S.  P.,  &  Singh,  K.  (2012).  Study  of  catalytic  behavior  of  KOH  as 

homogeneous  and  heterogeneous  catalyst  for  biodiesel  production.  Journal  of  the  Taiwan  Institute  of 

Chemical Engineers, 43, 89 ‐ 94. 

Anderssen,  I., Webber, C., Kelly, R., & Andersen, O.  (2007).  Localised production and  supply of biodiesel 

from used cooking oils. BIODIENET IEE Project . 

Atapour, M., Kariminia, H.‐R., & Moslehabadi, P. M. (2013). Optimization of biodiesel production by alkali‐

catalyzed transesterification of used frying oil. Process Safety and Environmental Protection. 

Bako, K. B., Kova, F. S., Gubicza, L., & Hansco, J. K. (2002). Enzymatic biodiesel production from sunflower 

oil by Candida antarctica  lipase  in a solvent  free system. Biocatalysis and Biotransformation, 20(6), 437  ‐ 

439. 

Balat, M. (2008). Biodiesel fuel production from vegetable oils via supercritical ethanol transesterification. 

Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, 30(5), 429 ‐ 440. 

Ban, K., Kaieda, M., Matsumoto, T., Kondo, A., & Fukuda, H. (2001). Whole‐cell biocatalyst for Biodiesel fuel 

production  utilizing  Rhizopus  oryzae  cells  immobilized  within  biomass  support  particles.  Biochemical 

Engineering, 8(1), 39 ‐ 43. 

Banerjee, A., & Chakraborty, R. (2009). Parametric sensitivity in transesterification of waste cooking oil for 

biodiesel production ‐ a review. Resources, Conservation and Recycling, 53, 490 ‐ 497. 

BIODIENET.  (n.d.). EL LIBRO  ‐ The Handbook for Local  Initiatives  for Biodiesel  from Recycled Oil.  Inteligent 

Energy for Europe BioDieNet project (EIE/06/090). 

BIOSIRE. (n.d.). BIOSIRE IEE project, Creating Sustainable Transport in Tourism Regions. Carles Petit. 

Bunyakiat,  K.,  Makmee,  S.,  Sawangkeaw,  R.,  &  Ngamprasertsith,  S.  (2006).  Continuous  Production  of 

Biodiesel via Transesterification from Vegetable Oils in Supercritical Methanol. Energy and Fuels, 20(2), 812 

‐ 817. 

Charoenchaitrakool, M., & Thienmethangkoon,  J.  (2011). Statistical optimization  for biodiesel production 

from waste frying oil through two‐step catalyzed process. Fuel Processing Technology, 92, 112 ‐ 118. 

Chen, Y., Xiao, B., Chang, J., Fu, Y., Lv, P., & Wang, X. (2009). Synthesis of biodiesel from waste cooking oil 

using immobilized lipase in fixed bed reactor. Energy Conversion and Management, 50, 668 ‐ 673. 

Demirbas, A. (2002). Biodiesel from vegetable oils via transesterification  in supercritical methanol. Energy 

Conversion and Management, 43(17), 2349 ‐ 2356. 

Demirbas,  A.  (2009).  Biodiesel  from  waste  cooking  oil  via  base‐catalytic  and  supercritical  methanol 

transesterification. Energy Conversion & Management, 50, 923 ‐ 927. 

Dias,  J. M.,  Alvim‐Ferraz, M.  C., &  Almeida, M.  F.  (2008).  Comparison  of  the  performance  of  different 

homogeneous alkali catalysts during transesterification of waste and virgin oils and evaluation of biodiesel 

quality. Fuel, 3572 ‐ 3578. 

European  Biodiesel  Board.  (2013).  European  Biodiesel  Board.  Retrieved  from  European  Biodiesel  Board: 

www.ebb‐eu.org 

    

        30 

Felizardo,  P., Neiva,  C. M.,  Raposo,  I., Mendes,  J.,  Berkemeier,  R., &  Bordado,  J.  (2006).  Production  of 

biodiesel from waste frying oils. Waste Management, 26, 487 ‐ 494. 

Fieldsend, A. F., & Morison,  J.  I.  (2000). Climatic  conditions during  seed growth  significantly nfluence oil 

content  and quality  in winter  and  spring evening primrose  crops  (Oenothera  spp.).  Industrial Crops and 

Products, 12, 137 ‐ 147. 

Georgogianni,  K.  G.,  Katsoulidis,  A.  K.,  Pomonis,  P.  J.,  Manos,  G.,  &  Kontominas,  M.  G.  (2009). 

Transesterification of rape seed oil for the production of biodiesel using homogeneous and heterogeneous 

catalysis. Fuel Processing Technology, 90, 1016 ‐ 1022. 

Ghasemnezhad,  A.,  &  Honermeier,  B.  (2007).  Seed  yield,  oil  content  and  fatty  acid  composition  of 

Oenothera biennis L. affected by harvest date and harvest method. Industrial Crops and Products , 25, 274 ‐ 

281. 

Guzatto, R., deMartini, T. L., & Samios, D. (2011). The use of a modified TDSP for biodiesel production from 

soybean, lin seed and waste cooking oil. Fuel Processing Technology, 92, 2083 ‐ 2088. 

Hama,  S.,  Tamalampudi,  S.,  Yoshida,  A.,  Tamadani,  N.,  Kuratani,  N.,  Noda,  H.,  et  al.  (2011).  A  Process 

engineering  and  optimization  of  glycerol  separation  in  a  packed‐bed  reactor  for  enzymatic  biodiesel 

production. Bioresource Technology, 102(22), 10419 ‐ 10424. 

He,  H., Wang,  T.,  &  Zhu,  S.  (2007).  Continuous  production  of  biodiesel  fuel  from  vegetable  oil  using 

supercritical methanol process. Fuel, 86(3), 442 ‐ 447. 

Iso, M., Chem, B., Eguchi, M., Kudo, T., & Shrestha, S. (2001). Production of Biodiesel from triglycerides and 

ethanol using immobilized enzyme. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 16(1), 53 ‐ 58. 

Kiakalaieh, A. T., Amin, N. A., & Mazaheri, H. (2013). A review on novel processes of biodiesel production 

from waste cooking oil. Applied Energy, 104, 683 ‐ 710. 

Kiwjaroun, C., Tubtimdee, C., & Piumsomboon, P. (2009). LCA studies comparing biodiesel synthesized by 

conventional and supercritical methanol methods. Journal of Cleaner Production, 17, 143 ‐ 153. 

Knothe, G. (2006). Analyzing biodiesel: standards and other methods. Journal of the American Oil Chemists 

Society, 83(10), 823 ‐ 833. 

Lacoste, F., & Lagardere, L. (2003). Quality parameters evolution during biodiesel oxidation using Rancimat 

test. European Journal of Lipid Science and Technology, 105(3 ‐ 4), 149 ‐ 155. 

Leung,  D.,  &  Guo,  Y.  (2006).  Transesterification  of  neat  and  used  frying  oil:  optimization  for  biodiesel 

production. Fuel Process Technology, 87, 883‐890. 

Li,  L., Du, W.,  Liu, D., Wang,  L., &  Li,  Z.  (2006).  Lipase‐catalyzed  transesterification  of  rapeseed  oils  for 

biodiesel production with a novel organic solvent as the reaction medium. Journal of Molecular Catalysis B: 

Enzymatic, 43, 58 ‐ 62. 

Madras, G., Kolluru, C., & Kumar, R. (2004). Synthesis of biodiesel  in supercritical fluids. Fuel, 83(14  ‐ 15), 

2029 ‐ 2033. 

Meng, X., Chen, G., & Wang, Y. (2008). Biodiesel production from waste cooking oil via alkali catalyst and its 

engine test. Fue lProcessing Technology, 89, 851 ‐ 857. 

    

        31 

Minami, E., & Saka, S.  (2006). Kinetics of hydrolysis and methyl esterification  for biodiesel production  in 

two‐step supercritical methanol process. Fuel, 85(17 ‐ 18), 2479 ‐ 2483. 

Modi, M. K., Reddy, J. C., Rao, B. S., & Prasad , R. N. (2007). Lipase mediated conversion of vegetable oils 

into biodiesel using ethyl acetate. Bioresource Technology, 98(6), 1260 ‐ 1264. 

Ngamprasertsith,  S.,  &  Sawangkeaw,  R.  (2011).  Transesterification  in  Supercritical  Conditions.  In  D. M. 

Stoytcheva (Ed.), Biodiesel ‐ Feedstocks and Processing Technologies (pp. 247 ‐ 268). InTech. 

Niederl, A., & Narodoslawsky, M. (December 2004). Life Cycle Assessment – study of Biodiesel from Tallow 

and Used Vegetable Oil. Graz: BIODIEPRO Project. 

Ozbay, N., Oktar, N., & Tapan, N. (2008). Esterification of free fatty acids in waste cooking oils (WCO): role 

of ion‐exchange resins. Fuel, 87, 1789 ‐ 1798. 

Peiro, L. T., Lombardi, L., Mendez, G. V., & Gabarrell, X. i. (2010). Life cycle assessment (LCA) and exergetic 

life cycle assessment (ELCA) of the production of biodiesel from used cooking oil (UCO). Energy, 35, 889 ‐ 

893. 

Peters, D., Toop, G., van den Bos, A., & Spöttle, M. (2013). Assessing the EC ILUC proposal "Dutch national 

ILUC Impact Assessment". ECOFYS Netherlands B.V. Utrecht: ECOFYS Netherlands B.V. 

Pullen,  J., &  Saeed,  K.  (2012).  An  overview  of  biodiesel  oxidation  stability.  Renewable  and  Sustainable 

Energy Reviews, 16, 5924 ‐ 5950. 

Quesada‐Medina,  J.,  &  Olivares‐Carrillo,  P.  (2011).  Evidence  of  thermal  decomposition  of  fatty  acid 

methylesters  during  the  synthesis  of  biodiesel with  supercritical methanol.  The  Journal  of  Supercritical 

Fluids, 56, 56 ‐ 63. 

Ramos,  M.  J.,  Fernandez,  M.  C.,  Casas,  A.,  Rodrıguez,  L.,  &  Perez,  A.  (2009).  Influence  of  fatty  acid 

composition of raw materials on biodiesel properties. Bioresource Technology, 100(1), 261 ‐ 168. 

Ranganathan, S. V., Narasimhan, S. L., & Muthukumar, K. (2008). An overview of enzymatic production of 

biodiesel. Bioresource Technology, 99, 3975–3981. 

Rathore, V., & Madras, G.  (2007).  Synthesis of biodiesel  from  edible  and non‐edible oils  in  supercritical 

alcohols and enzymatic synthesis in supercritical carbon dioxide. Fuel, 86(17 ‐ 18), 2650 ‐ 2659. 

Riera, J. B., & Codony, R. (2000). Recycled Cooking Oils: Assessment of risks for public health. University of 

Barcelona, Department  of Nutrition. Barcelona:  European  Parliament, Directorate General  for Research, 

Directorate A, The STOA Programme. 

Roy, J. (2009). Deliverable 2.2 "Implementation Handbook". BIOSIRE project. 

Royon, D., Daz, M., Ellenrieder, G., &  Locatelli, S.  (2007). Enzymatic production of Biodiesel  from  cotton 

seed oil using t‐butanol as a solvent. Bioresource Technology, 98(3), 648 ‐ 653. 

Saka, S., & Kusdiana, D. (2001). Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. Fuel, 

80(2), 225 ‐ 231. 

Saka, S., Isayama, Y., Ilham, Z., & Jiayu, X. (2010). New process for catalyst‐free biodiesel production using 

subcritical acetic acid and super critical methanol. Fuel, 89, 1442 ‐ 1446. 

    

        32 

Sakai,  T.,  Kawashima,  A.,  &  Koshikawa,  T.  (2009).  Economic  assessment  of  batch  biodiesel  production 

processes  using  homogeneous  and  heterogeneous  alkali  catalysts.  Bioresource  Technology,  100,  3268  ‐ 

3276. 

Samukawa, T., Kaieda, M., Matsumoto, T., Ban, K., Kondo, A., Shimada, Y., et al.  (2000). Pretreatment of 

Immobilized Candida antarctica  lipase  for Biodiesel  fuel production  from plant.  Journal of Bioscience and 

Bioengineering, 90(2), 180 ‐ 183. 

Shimada,  Y., Watanabe,  Y.,  Sugihara, A., &  Tominaga,  Y.  (2002).  Enzymatic  alcoholysis  for biodiesel  fuel 

production and application of the reaction oil processing. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 17(3 ‐ 

5), 133 ‐ 142. 

Silva, C., Weschenfelder, T. A., Rovani, S., Corazza, F. C., Corazza, M. L., Dariva, C., et al. (2007). Continuous 

Production of Fatty Acid Ethyl Esters from Soybean Oil  in Compressed Ethanol.  Industrial and Engineering 

Chemistry Research, 46(16), 5304 ‐ 5309. 

Soriano Jr, N. U., Venditti, R., & Argyropoulos, D. S. (2009). Biodiesel synthesis via homogeneous Lewis acid 

catalyzed transesterification. Fuel, 88, 560 ‐ 565. 

Talukder, M. M., Das, P., Fang, T. S., & Wu, J. C. (2011). Enhanced enzymatic transesterification of palm oil 

to biodiesel. Biochemical Engineering Journal, 55, 119 ‐ 122. 

Tan, K. T., Lee, K. T., & Mohamed, A. R. (2010). Effects of free fatty acids, water content and cosolvent on 

biodiesel production by supercritical methanol reaction. The Journal of Supercritical Fluids, 53, 88 ‐ 91. 

Thanh, L. T., Okitsu, K., Sadanaga, Y., Takenaka, N., Maeda, Y., & Bandow, H. (2010). A two‐step continuous 

ultra  sound  assisted  production  of  biodiesel  fuel  from  waste  cooking  oils:  a  practical  and  economical 

approach to produce high quality biodiesel fuel. Bioresource Technology, 101, 5394 ‐ 5401. 

van  Kasteren,  J. M., & Nisworo,  A.  P.  (2007).  A  process model  to  estimate  the  cost  of  industrial  scale 

biodiesel  production  from waste  cooking  oil  by  supercritical  transesterification. Resources,  Conservation 

and Recycling, 50, 442 ‐ 458. 

Vieitez,  I., Pardo, M.  J., Da Silva, C., Bertoldi, C., De Castilhos, F., Oliveira,  J. V., et al.  (2011). Continuous 

synthesis of castor oil ethyl esters under supercritical ethanol. The Journal of Supercritical Fluids, 56(3), 271 

‐ 276. 

Watanabe,  Y.,  Shimada,  Y.,  Sugihara,  A.,  Noda,  H.,  &  Tominaga,  Y.  (2000).  Continuous  production  of 

biodiesel  fuel  from  vegetable  oil  using  immobilized  Candida  antarctica  lipase.  Journal  of  American  Oil 

Chemists' Society, 77(4), 355 ‐ 360. 

Wen,  Z.,  Yu,  X.,  Tu,  S.‐T.,  Yan,  J.,  &  Dahlquist,  E.  (2010).  Biodiesel  production  from  waste  cooking 

oilcatalyzed byTiO2–MgO mixedoxides. Bioresource Technology, 101, 9570 ‐ 9576. 

Xu, Y., Du, W., Zeng, J., & Liu, D. (2004). Conversion of soyabeen oil to biodiesel fuel using lipozyme TL IM in 

a solvent free medium. 22(1), 45 ‐ 48. 

Yan, J., Yan, Y., Liu, S., Hu, J., & Wang, G. (2011). Preparation of cross‐linked lipase‐coated micro‐crystals for 

biodiesel production from waste cooking oil. Bioresource Technology, 102, 4755 ‐ 4758. 

Yin,  J.‐Z., Xiao, M., Wang, A.‐Q., & Xiu,  Z.‐L.  (2008).  Synthesis of biodiesel  from  soybean oil by  coupling 

catalysis with subcritical methanol. Energy Conversion and Management, 49(12), 3512 ‐ 3516. 

    

        33 

10. ABBREVIATIONS  

ASTM  :  American Society for Testing and Materials 

BHT  :  Butylated hydroxyl‐toluene 

BIOSIRE  :  BIOSIRE Creating Sustainable Transport in Tourism Regions 

CEN  :  European Committee for Standardization 

CFPP  :  Cold Filter Plugging Point 

CONCAWE  :  CONservation of Clean Air and Water in Europe 

FAEE  :  Fatty Acid Ethyl Ester 

FAME  :  Fatty Acid Methy Ester 

FFA  :  Free Fatty Acid 

HCl  :  Hydrochloric acid 

H3PO4  :  Phosphoric acid 

H2SO4  :  Sulphuric acid 

IV  :  Iodine Value 

KOH  :  Potassium Hydroxide 

NaOH  :  Sodium Hydroxide 

PME  :  Palmseed Methyl Ester 

RME  :  Rapeseed Methyl Ester 

RSO3H  :  Sulphonic acid 

Sr  :  Strontium 

Si  :  Silicon 

SiO2  :  Silicon dioxide 

SO42‐  :  Sulfate 

TG  :  Triglycerides 

Ti  :  Titanium 

TR  :  Technical Regulation 

UCO  :  Used Cooking Oils 

UCOME  :  Used Cooking Oil Methyl Esters 

UK  :  United Kingdom 

ULSD  :  Ultra Low Sulfur Diesel 

WP  :  Work Package 

ZrO2  :  Zirconium dioxide 

    

        34 

 

RecOi l Partnership

Energy and Environment Agency of Arrábida (coordinator)

Factor Social

Technical University of Crete

Local Energy Agency Province of Cosenza

Energy Management Agency Province of Cádi z

Regional Energy Agency for Barreiro, Moita, Montijo and Alcochete

Elin Biofuels S.A.

Energy, Transport, Agriculture SRL

Municipality of Castrolibero

European Biomass Industry Association

Agro Business Park.

www.recoilproject.eu

    

        35 

  Energy and Environment Agency of Arrábida, Factor Social, Technical University of Crete, Local Energy Agency Province of Cosenza, Energy Management Agency Province of Cádiz, Regional Energy Agency for Barreiro, Moita, Montijo and Alcochete, Elin Biofuels S.A., Energy, Transport, Agriculture SRL, Municipality of Castrolibero, European Biomass Industry Association, Agro Business Park.

www.recoilproject.eu