酸堿催化酯交換的反應機理
脂肪酸甲酯主要是由甘油三酯與甲醇通過酯交換制備，其反應方程式如下：

油脂（甘油三酯）先與一個甲醇反應生成甘油二酯和甲酯，甘油二酯和甲醇繼續反應生成甘油單酯和甲酯，甘油單酯和甲醇反應最后生成甘油和甲酯。
酯交換催化劑包括堿性催化劑、酸性催化劑、生物酶催化劑等。其中，堿性催化劑包括易溶于醇的催化劑（如NaOH、KOH、NaOCH3、有機堿等）和各種固體堿催化劑；酸性催化劑包括易溶于醇的催化劑（如硫酸、磺酸等）和各種固體酸催化劑。
堿性催化劑
在堿性催化劑催化的酯交換反應中，真正起活性作用的是甲氧陰離子，如下圖所示。甲氧陰離子攻擊甘油三酯的羰基碳原子，形成一個四面體結構的中間體，然后這個中間體分解成一個脂肪酸甲酯和一個甘油二酯陰離子，這個陰離子與甲醇反應生成一個甲氧陰離子和一個甘油二酯分子，后者會進一步轉化成甘油單酯，然后轉化成甘油。所生成的甲氧陰離子又循環進行下一個的催化反應。

堿性催化劑是目前酯交換反應使用最廣泛的催化劑。使用堿性催化劑的優點是反應條件溫和、反應速度快。有學者估計，使用堿催化劑的酯交換反應速度是使用同當量酸催化劑的4000倍。堿催化的酯交換反應甲醇用量遠比酸催化的低，因此工業反應器可以大大縮小。另外，堿性催化劑的腐蝕性比酸性催化劑弱很多，在工業上可以用價廉的碳鋼反應器。除了上述優點外，使用堿性催化劑還有以下缺點：堿性催化劑對游離脂肪酸比較敏感，因此油脂原料的酸值要求比較
高。對于高酸值的原料，比如一些廢棄油脂，需要經過脫酸或預酯化后才能進行堿催化的酯交換反應。
已經工業化的堿性催化劑主要有兩類：易溶于甲醇的KOH、NaOH、
NaOCH3等催化的液相反應，以及固體堿催化的多相反應。 目前絕大多數的生物柴油工業生產裝置都采用液相催化劑，用量為油重的0.5～2.0%。甲醇鈉與氫氧化鈉（或鉀）用作酯交換催化劑時還有所不同。當使用甲醇鈉為催化劑時，原料必須經嚴格精制，少量的游離水或脂肪酸都影響甲醇鈉的催化活性，國外工藝中要求兩者的含量都不超過0.1％；但其產物中皂的含量很少，有利于甘油的沉降分離及提高生物柴油收率。而氫氧化鈉（或鉀）為催化劑對原料的要求相對不嚴格，原料中可含少量的水和游離脂肪酸，但這會導致生成較多的脂肪皂，影響甘油的沉降分離速度，同時會導致甘油相中溶解較多的甲酯，從而降低生物柴油的收率。一般說來，以氫氧化鈉（或鉀）為催化劑，油脂原料的酸值不要超過2 mg KOH/g，催化劑的用量為油脂重量的0.5～2.0%。即使油脂原料的酸值較高，超過2 mg KOH/g，理論上還可以使用氫氧化鈉（或鉀）催化劑，但需要加入過量的催化劑以中和游離脂肪酸。這種條件下皂的生成量高，甘油沉降分離困難，且甘油相中溶解的甲酯量較高，因此不宜采取。對于氫氧化鈉和氫氧化鉀，當用作酯交換催化劑時也有所不同。1）在對粗產物進行沉降分離過程中，催化劑主要存在于甘油相中。由于KOH的分子量大于NaOH，因此會提高甘油相的密度，加速甘油相的沉降分離。2）使用KOH為催化劑皂的生成量要比使用NaOH時少，這會減少甲酯在甘油相中的溶解。國外一項研究表明，以KOH為催化劑催化葵花籽油酯交換，分離后的甘油相中，甲酯的摩爾含量為3％，而以NaOH為催化劑時的摩爾含量為6％。3）以KOH為催化劑，產物用磷酸中和可生成磷酸二氫鉀，這是一種優質肥料，不僅可以減少廢物的排放，同時還會增加經濟效益。與其相比，鈉鹽只能作為廢物處理。NaOH為催化劑的優點是其價格便宜。除此之外，國內外還在開發有機堿催化劑，比如胺類等。當以有機胺為催化劑時，在常壓低溫下經過6~10h的反應，可以達到比較高的轉化率，但產物中甘油單酯和二酯的含量很高，而甘油的量很低，難以工業應用；當提高反應壓力和溫度時，反應過程中又有可能生成酰胺，降低產品質量。因此，以有機堿為酯交換催化劑還需要有做大量的研究工作來證明其可行性。 固體堿催化劑最近幾年正在工業化。與液堿催化劑相比，使用固體催化劑可以大大提高甘油相的純度，降低甘油精制的成本，“三廢”排放少，產物不含皂，提高生物柴油收率；但反應速度慢，需要較高的溫度和壓力，較高的醇油比，且對游離脂肪酸和水比較敏感，原料需嚴格精制。法國石油研究院開發的Esterfip-H工藝是第一個將固體堿為催化劑成功應用于工業生成的生物柴油生成工藝，其催化劑是具有尖晶石結構的雙金屬氧化物，已經建成16萬噸/年的生成裝置。另外，德國波鴻的魯爾大學也開發了一種固體堿催化劑，這種固體堿催化劑是一種氨基酸的金屬絡合物，催化酯交換反應的溫度為125℃，高于液堿催化劑的反應溫度（60℃左右）。將建設1噸/小時的工業示范裝置。日本正在開發強堿性陰離子樹脂催化劑，已取得很大進展。不過陰離子樹脂只能在低溫（60℃以下）操作，否則很快失活，而低溫下酯交換活性又比較低，所以限制了其工業應用。由于樹脂容易再生，因此若將來能開發出耐高溫的強堿性樹脂，則具有一定的工業化前景。除此之外，國內外正在開發的固體堿催化劑還包括粘土、分子篩、復合氧化物、碳酸鹽以及負載型堿（土）金屬氧化物等。

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