Биодизел чрез ултразвуково подобрена (транс-)естерификация

Биодизелът се синтезира чрез трансестерификация с основен катализатор. Ако обаче се използват суровини като нискокачествени отпадъчни растителни масла с високо съдържание на свободни мастни киселини, е необходим етап на химична предварителна обработка чрез естерификация с киселинен катализатор. Ултразвуковата обработка и нейните сонохимични и сономеханични ефекти подпомагат и двата типа реакции и увеличават драстично ефективността на превръщането в биодизел. Ултразвуковото производство на биодизел е значително по-бързо от конвенционалния синтез на биодизел, осигурява по-висок добив и качество на биодизела и спестява реагенти като метанол и катализатор.

Превръщане в биодизел с помощта на мощен ултразвук

За получаване на биодизел естерите на мастните киселини се произвеждат чрез трансестерификация на растителни масла, както и на животински мазнини (напр. лой). По време на реакцията на трансестерификация глицероловият компонент се замества с друг алкохол, например метанол. Суровини с високо съдържание на свободни мастни киселини, напр. отпадъчни растителни масла (WVO), изискват предварителна обработка чрез киселинна естерификация, за да се избегне образуването на сапун. Този процес на киселинна катализа е много бавна реакция, когато се провежда по конвенционален периодичен метод. Решението за ускоряване на бавния процес на естерификация е прилагането на мощен ултразвук. Ултразвуковата обработка постига значително подобрение на скоростта на реакцията, степента на превръщане и добива на биодизел, тъй като сонохимичните ефекти на ултразвука с висока мощност подпомагат и интензифицират киселинната катализа. Ултразвуковата кавитация осигурява сономеханични сили, т.е. смесване с интензивно срязване, както и сонохимична енергия. Тези два типа ултразвуково въздействие (сономеханично и сонохимично) превръщат киселинно катализираната естерификация в бърза реакция, изискваща по-малко катализатор.

Как работи ултразвуковото превръщане в биодизел?

Ултразвуковата обработка между различните фази при трансестерификацията (понякога наричана и алкохолиза) и естерификацията се основава на подобряване на смесването, както и на повишен топло- и масообмен. Ултразвуковото смесване се основава на принципа на акустичната кавитация, която възниква в резултат на имплозия на вакуумни мехурчета в течността. Акустичната кавитация се характеризира с големи сили на срязване и турбулентност, както и с много големи разлики в налягането и температурата. Тези сили подпомагат химичната реакция на трансестерификация / естерификация и интензифицират масо- и топлообмена, като по този начин значително подобряват реакцията на превръщане в биодизел.

Трансестерификацията на триглицериди в биодизел (FAME) с помощта на ултразвукова обработка води до ускорена реакция и значително по-висока ефективност.

Научно и в промишлени условия е доказано, че прилагането на ултразвук при превръщането в биодизел подобрява ефективността на процеса. Подобряването на ефективността на процеса може да се отдаде на намаленото потребление на енергия и експлоатационните разходи, както и на намалената употреба на алкохол (т.е. метанол), по-малкото количество катализатор и значително съкратеното време за реакция. Енергийните разходи за нагряване се елиминират, тъй като няма необходимост от външно нагряване. Освен това разделянето на фазите на биодизела и глицерола е по-лесно и отнема по-малко време. Важен фактор за търговското използване на ултразвук в производството на биодизел е лесното мащабиране до всякакъв обем, надеждната и безопасна работа, както и здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване (промишлен стандарт, с възможност за непрекъсната работа 24/7/365 при пълно натоварване).

Промишлена ултразвукова система с проточна клетка за естерификация и трансестерификация при производство на биодизел в поточна линия.

Ултразвуково подпомогнато двуетапно превръщане в биодизел с прилагане на киселинно и основно катализирани реакционни етапи

За суровини с високо съдържание на свободни мастни киселини (FFA) производството на биодизел се извършва като киселинно или основно катализирана реакция в двуетапен процес. Ултразвукът подпомага и двата типа реакции – киселинно катализираната естерификация, както и основно катализираната трансестерификация:

Киселинно катализирана естерификация с помощта на ултразвук

За обработване на излишъка от свободни мастни киселини в суровината е необходим процесът на естерификация. Като киселинен катализатор обикновено се използва сярна киселина.

• Подгответе суровината чрез филтриране и пречистване от замърсители и вода.
• Разтворете катализатора, а именно сярната киселина, в метанол. Подайте потока от катализатор/метанол и суровината през топлообменник и статичен смесител, за да получите груба предварителна смес.
• Предварителната смес от катализатор и суровина постъпва директно в ултразвуковата реакционна камера, където се проявяват действието на ултрафиното смесване и сонохимията и свободните мастни киселини се превръщат в биодизел.
• Накрая обезводнете продукта и го подайте към втория етап – ултразвуковата трансестерификация. Киселият метанол, съдържащ вода, е готов за повторна употреба след възстановяване, изсушаване и неутрализация.
• За суровини с много високо съдържание на FFA може да е необходима конфигурация с рециркулация, за да се намали съдържанието на FFA до разумно ниво преди етапа на трансестерификация.

 
Реакция на естерификация с киселинен катализатор:
FFA + Алкохол → Естер + Вода
 

Прочетете повече за ултразвуково подобрената киселинно катализирана естерификация на свободните мастни киселини!
 
 

Основно катализирана трансестерификация с помощта на ултразвук

Суровината, която вече съдържа само малки количества свободни мастни киселини, може да бъде подадена директно към етапа на трансестерификация. Най-често като основен катализатор се използва натриев хидроксид или калиев хидроксид (NaOH, KOH).

• Разтворете катализатора, а именно калиевия хидроксид, в метанол и подайте потоците от катализатор/метанол и предварително обработена суровина през статичен смесител, за да получите груба предварителна смес.
• Подайте предварителната смес директно в ултразвуковата реакционна камера за кавитационно смесване с интензивно срязване и сонохимична обработка. Продуктите на тази реакция са алкилови естери (т.е. биодизел) и глицерин. Глицеринът може да бъде отделен чрез утаяване или центрофугиране.
• Биодизелът, произведен с ултразвук, е с високо качество и се произвежда бързо, енергийно ефективно и с ниски разходи чрез спестяване на метанол и катализатор.

Реакция на трансестерификация с основен катализатор:
Масло / Мазнина + Алкохол → Биодизел + Глицерол

Употреба и възстановяване на метанол

Метанолът е ключов компонент при производството на биодизел. Ултразвуково задвижваното превръщане в биодизел позволява значително намалена употреба на метанол. Ако сега си мислите „Не ме интересува колко метанол използвам, защото така или иначе го възстановявам“, може да преосмислите това и да вземете предвид изключително високите енергийни разходи за етапа на изпаряване (напр. с използване на дестилационна колона), който е необходим за отделяне и рециклиране на метанола.
Метанолът обикновено се отстранява, след като биодизелът и глицеринът са се разделили на два слоя, което предотвратява протичането на обратната реакция. След това метанолът се пречиства и се връща за повторна употреба в началото на процеса. Като произвеждате биодизел чрез ултразвуково задвижвана естерификация и трансестерификация, можете драстично да намалите употребата на метанол и по този начин да намалите изключително високите енергийни разходи за възстановяването му. Използването на ултразвукови реактори Hielscher намалява необходимото количество излишен метанол с до 50%. Моларно съотношение между 1:4 и 1:4,5 (масло : метанол) е достатъчно за повечето суровини при използване на ултразвуково смесване с Hielscher.

Повишена ефективност на превръщането в биодизел чрез ултразвук – научно доказано

Многобройни изследователски групи са проучили механизма и ефектите на ултразвуковата трансестерификация при получаване на биодизел. Например изследователският екип на Sebayan Darwin демонстрира, че ултразвуковата кавитация повишава химичната активност и скоростта на реакцията, което води до значително увеличено образуване на естери. Ултразвуковият метод намалява времето за реакцията на трансестерификация до 5 минути – в сравнение с 2 часа при обработка с механично разбъркване. Превръщането на триглицериди (TG) в FAME при ултразвукова обработка достига 95,6929%wt при моларно съотношение метанол към масло 6:1 и 1%wt натриев хидроксид като катализатор. (вж. Darwin et al. 2010)

Ултразвукови апарати със среден и голям мащаб за производство на биодизел

Hielscher Ultrasonics доставя малки до средни, както и мащабни промишлени ултразвукови процесори за ефективно производство на биодизел във всякакъв обем. Като предлага ултразвукови системи във всякакъв мащаб, Hielscher може да предложи идеалното решение както за малки производители, така и за големи компании. Ултразвуковото превръщане в биодизел може да се извършва като периодичен процес или като непрекъснат процес в поточна линия. Монтажът и експлоатацията са лесни и безопасни и осигуряват надеждно високи производствени обеми на биодизел с превъзходно качество.
По-долу ще намерите препоръчителни конфигурации на реактори за различни производителности.