Hielscher – Ultrasound Technology

Ultrasonic Processors for Biodiesel Production

When you make biodiesel, slow reaction kinetics and poor mass transfer are lowering your biodiesel plant capacity and your biodiesel yield and quality. Hielscher ultrasonic reactors improve the transesterification kinetics significantly. Therefore lower excess methanol and less catalyst are required for biodiesel processing.

Biodiesel is commonly produced in batch reactors using heat and mechanical mixing as energy input. Ultrasonic cavitational mixing is an effective alternative means to achieve a better mixing in commercial biodiesel processing. Ultrasonic cavitation provides the necessary activation energy for the industrial biodiesel transesterification.

Transesterification (Chemical Conversion to Biodiesel)

Manufacturing biodiesel from vegetable oils (e.g. soy, canola, jatropha, sunflower seed or algae) or animal fats, involves the base-catalyzed transesterification of fatty acids with methanol or ethanol to give the corresponding methyl esters or ethyl esters. Glycerin is an inevitable byproduct of this reaction.

Vegetable oils as animal fats are triglycerides composed of three chains of fatty acids bound by a glycerin molecule. Triglycerides are esters. Esters are acids, like fatty acids, combined with an alcohol. Glycerine (= glycerol) is a heavy alcohol. In the conversion process triglyceride esters are turned into alkyl esters (= biodiesel) using a catalyst (lye) and an alcohol reagent, e.g. methanol, which yields methyl esters biodiesel. The methanol replaces the glycerin.

The glycerine – the heavier phase – will sink to the bottom. Biodiesel – the lighter phase – floats on top and can be separated, e.g. by decanters or centrifuges. This conversion process is called transesterification.

The conventional esterification reaction in batch processing tends to be slow, and phase separation of the glycerin is time-consuming, often taking 5 hours or more.

Ultrasonics for Biodiesel Processing

Tulsa Biofuels_Manufacturer

“We’ve been very pleased with Hielscher’s equipment and service and we have every intention of including the Hielscher ultrasonication technology in all of our future endeavors.”

Todd Stephens, Tulsa Biofuels

Today, biodiesel is primarily produced in batch reactors. Ultrasonic biodiesel processing allows for the continuous inline processing. Ultrasonication can achieve a biodiesel yield in excess of 99%. Ultrasonic reactors reduce the processing time from the conventional 1 to 4 hour batch processing to less than 30 seconds. More important, ultrasonication reduces the separation time from 5 to 10 hours (using conventional agitation) to less than 60 minutes. The ultrasonication does also help to decrease to amount of catalyst required by up to 50% due to the increased chemical activity in the presence of cavitation (see also sonochemistry). When using ultrasonication the amount of excess methanol required is reduced, too. Another benefit is the resulting increase in the purity of the glycerin.

Ultrasonic processing of biodiesel involves the following steps:

  1. the vegetable oil or animal fat is being mixed with the methanol (which makes methyl esters) or ethanol (for ethyl esters) and sodium or potassium methoxide or hydroxide
  2. the mix is heated, e.g. to temperatures between 45 and 65degC
  3. the heated mix is being sonicated inline for 5 to 15 seconds
  4. glycerin drops out or is separated using centrifuges
  5. the converted biodiesel is washed with water

Most commonly, the sonication is performed at an elevated pressure (1 to 3bar, gauge pressure) using a feed pump and an adjustable back-pressure valve next to the flow cell.

Industrial biodiesel processing does not need much ultrasonic energy. The table above shows typical power requirements for various flow rates. The actual energy requirement can be determined using a 1kW ultrasonic processor in bench-top scale. All results from such bench-top trials can be scaled up easily. If required, FM and ATEX-certified ultrasonic devices are available, such as the UIP1000-Exd.

Hielscher supplies industrial ultrasonic biodiesel processing equipment, worldwide. With ultrasonic processors of up to 16kW power per single device, there is no limit in biodiesel plant size or processing capacity.

Costs of Ultrasonic Biodiesel Manufacturing

(Click for larger view!) The overall energy efficiency is important when you make biodiesel. The efficiency describes how much of the power is transmitted from the plug into the oil/methanol mix. Our ultrasonic reactors have an overall efficiency of more than 80%.Ultrasonication is an effective means to increase the reaction speed and conversion rate in the commercial biodiesel processing. Ultrasonic processing costs result mainly from the investment
for ultrasonic equipment, utility costs and maintenance. The outstanding energy efficiency (click chart to the right) of Hielscher ultrasonic devices helps to reduce the utility costs and by this to make this process even greener. The resulting costs for the ultrasonication vary between 0.1ct and 1.0ct per liter (0.4ct to 1.9ct/gallon) when used in commercial scale. For more information about ultrasonic processing costs, please click here.

Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year

The Frost & Sullivan European Technology Innovation of the Year Award in Biodiesel processing technologies goes to Hielscher Ultrasonics in recognition of the company’s development of novel ultrasonics technology for bio-diesel production.

Hielscher Ultrasonics received the prestigious Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year Award in recognition of the company’s development of novel ultrasonics technology for bio-diesel production. Click here to read more.

Request more Information!

Please use the form below, if you wish to request additional information regarding the use of ultrasound in the commercial conversion of biodiesel.

Biodiesel Small Scale Ultrasonication Setup

Single Tank Setup for Ultrasonic Biodiesel Transesterification - Ultrasonic converison of biodiesel can be performed in any scale.Ultrasonication can be used for the conversion of oil into biodiesel at any scale. The picture to the right (Click for larger view!) shows a small scale setup for the processing of 60-70L (16 to 19 gallons). This is the typical setup for initial studies and process demonstration.

This setup consists of the following parts:

Preparation

Potassium Hydroxide (0.2 to 0.4kg, catalyst) is being dissolved into approx. 8.5L Methanol in the catalyst pre-mix tank. This requires stirring of the catalyst premix. The processing tank is being filled with 66L vegetable oil. The oil is being heated by the heating element to 45 to 65degC.

Processing

When the catalyst is fully dissolved into the Methanol, the catalyst premix is mixed with the heated oil. The pump feeds the mixture to the flow cell. By means of the back-pressure valve, the pressure is adjusted to 1 to 3barg (15 to 45psig). Recirculation through the ultrasonic biodiesel reactor should performed for approx. 20 minutes. During this time, the oil is being converted into biodiesel. After this, the pump and the ultrasound are switched off. The glycerin (heavier phase) will separate from the biodiesel (lighter phase). The separation takes approx. 30 to 60 minutes. When the separation is finished, the glycerin can be drained.

Biodiesel Washing

As the converted biodiesel contains impurities, washing is required. For the washing, water is mixed into the biodiesel. Ultrasonication can benefit the mixing of the biodiesel with the water. This increases the active surface area as a result of the droplet size reduction (see: ultrasonic emulsifying). Please consider, that very intense sonication may reduce the water droplets to a size, that an almost stable emulsion is being formed that will require special means (e.g. centrifuge) to be separated.

Biodiesel Manufacturing Plant

The flow-chart below shows a typical setup for the in-line sonication of oil for the conversion into biodiesel. Click at the chart to get a larger view.

Click for larger view! Continuous Biodiesel Processing Flow-Chart Using Ultrasonic Cavitational Mixing - Ultrasonic conversion of biodiesel can be performed in any scale.

Continuous Biodiesel Processing and Separation

In a setup for the continuous biodiesel processing and continuous separation, the heated oil and the catalyst premix are mixed together continuously using adjustable pumps. An inline static mixer improves the homogeneity of the feed to the ultrasonic reactor. The oil/catalyst mixture passes the flow cell, where it is being exposed to ultrasonic cavitation for approx. 5 to 30 seconds. A back-pressure valve is used to control the pressure in the flow cell. The sonicated mix enters the reactor column on the top. The volume of the reactor column is designed to give approx. 1 hour retention time in the column. During that time, the transesterification reaction is completed. The reacted glycerin/biodiesel mix is pumped to the centrifuge where it is separated into the biodiesel and glycerin fractions. Post-processing involves methanol recovery, washing and drying and can be done continuously, too.

This setup eliminates biodiesel reactor batches, conventional agitators and large separator tanks.

Biodiesel Transesterification Reaction Speed

The diagrams below show typical results of the transesterification of rapeseed oil (industrial grade) with sodium methoxide (left) and potassium hydroxide (right). For both tests, a control sample (blue line) was exposed to intense mechanical mixing. The red line represents the sonicated sample of the identical formulation with respect to volume ratio, catalyst concentration and temperature. The horizontal axis shows the time after mixing or sonication, respectively. The vertical axis shows the volume of glycerin that settled at the bottom. This is a simple means of measuring the reaction speed. In both diagrams, the sonicated sample (red) reacts much faster than the control sample (blue).

Biodiesel from Rapeseed Oil using Sodium Methoxide - Transesterification Speed Diagram Biodiesel from Rapeseed Oil using Potassium Hydroxide - Transesterification Speed Diagram

Links for Biodiesel Supplies

Click here for links to suppliers of pumps and tanks for the biodiesel industry.

Chemical and Safety Information

Please read the information below carefully, to prevent complications and adverse health effects.

Biodiesel Chemicals

Methanol is toxic. It can cause nerve deterioration as a result of prolonged usage. It can be adsorbed by the skin, too. If splashed into eyes it may cause blindness and Methanol can be fatal when swallowed. For this reason, take the necessary precautions when handling Methanol. It is recommended to use a good respirator, an apron and rubber gloves.

Potassium hydroxide (KOH) is toxic and causes skin burn upon contact. Good ventilation is required.

Make sure the workspace is generously and thoroughly ventilated to allow fumes to escape. Vapor cartridge respirators are not effective against methanol fumes. A supplied-air system (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) gives better protection against methanol vapors.

Biodiesel and Rubber Parts

Running on 100% biodiesel for longer time may cause complications to wetted rubber parts (pump, hoses, O-rings) of the engine. Replacement by steel parts or heavy duty rubber can eliminate this problem. Alternatively you can mix approx. 25% conventional (fossil) diesel into your biodiesel to prevent complications.

Biodiesel

Biodiesel, such as rapeseed methyl ester (RME) is a renewable and biodegradable fuel. Biodiesel has several advantages when compared to straight vegetable oil (SVO). It requires no engine conversion or fuel system modification to run biodiesel on conventional diesel engines. Biodiesel is commonly added to the petrodiesel sold at pumps today to increase the lubricity of pure Ultra-Low Sulfur Diesel (ULSD), which is advantageous since Biodiesel has almost no sulfur content.

Todd Stephens, Tulsa Biofuels

Heutzutage wird Biodiesel hauptsächlich in Batchreaktoren hergestellt. Der Einsatz von Ultraschall ermöglicht jedoch einen kontinuierlichen Inline-Prozess. Durch das Beschallen kann der Biodieselertrag auf 99% erhöht werden . Ultraschall reduziert die Prozessdauer des konventionellen Batchprozesses, der zwischen 1 und 4 Stunden dauert, auf weniger als 30 Sekunden.

Noch wichtiger ist es jedoch, dass durch das Beschallen die Trennungsdauer von 5 bis 10 Stunden (bei konventionellem Rühren) auf weniger als 60 Minuten reduziert wird. Das Beschallen mittels Ultraschall hilft auch, die Menge der benötigten Katalysatoren um bis zu 50% aufgrund der gesteigerten chemischen Aktivität durch die Ultraschallkavitation zu senken (siehe auch Sonochemie). Durch den Einsatz von Ultraschall sinkt auch die Menge des benötigten Alkohols. Ein weiterer Vorteil ist die daraus resultierende Reinheit des Glyzerins.

Der Einsatz von Ultraschall bei der Biodieselproduktion beinhaltet folgende Schritte:

  1. Das pflanzliche Öl oder tierische Fett wird mit Methanol (wobei Methylester entsteht) oder Ethanol (wobei Ethylester entsteht) und Natrium- oder Kaliummethoxid oder -hydroxid gemischt.
  2. Die Mischung wird erhitzt, z. B. auf eine Temperatur zwischen 45 und 65 °C.
  3. Die erhitzte Mischung wird im Inline-Prozess beschallt.
    Durchfluss
    benötigte Energie
    200 bis 750l/h
    1kW, z. B. UIP1000hd
    800 bis 3000l/h
    4kW, z. B. 4xUIP1000hd
    3 bis 12m³/h
    16kW, z. B. 4xUIP4000
    20 bis 70m³/h
    96kW, z. B. 6xUIP16000
    200 bis 700m³/h
    992kW, z. B. 62xUIP16000
  4. Das Glyzerin wird vom Biodiesel abgetrennt.
  5. Der umgewandelte Biodiesel wird mit Wasser gewaschen.

Für gewöhnlich wird die Beschallung des Umesterungsprozesses bei einem erhöhten Druck (1 bis 3 bar, Überdruck) durchgeführt, wobei eine Zuführpumpe und ein einstellbares Absperrventil an der Durchflusszelle genutzt werden.

Die industrielle Biodieselherstellung erfordert nicht viel Ultraschallenergie. Die oben stehende Tabelle zeigt typische Leistungsanforderungen für verschiedene Durchflussraten. Der entsprechende Energiebedarf kann mit einem 1kW Ultraschallprozessor im Technikums-Maßstab festgestellt werden. All die im Technikums-Maßstab gewonnenen Ergebnisse können problemlos upgescalt werden. Wenn erforderlich, so sind auch FM- und ATEX-zertifizierte Ultraschallgeräte, wie der UIP1000-Exd, erhältlich.

Hielscher liefert weltweit Ultraschallequipment für die Industrie. Durch Ultraschallprozessoren mit bis zu 16kW Leistung je einzelnem Gerät sind der Betriebsgröße und der Prozesskapazität keine Grenzen gesetzt.

Die Kosten des Ultraschalleinsatzes

(Klicken Sie hier für eine größere Ansicht!) Die Gesamtenergieeffizienz ist bei der Beschallung von Flüssigkeiten sehr wichtig. Die Effizienz gibt die Energie an, die vom Netzstecker letztendlich auf die Flüssigkeit übertragen wird. Unsere Ultraschallgeräte weisen eine Gesamtenergieeffizienz von mehr als 80% auf.Das Beschallen mittels Ultraschall ist eine effektive Methode, um die Reaktionsgeschwindigkeit und die Umwandlungsrate in Produktionsprozessen zu erhöhen.

Die Ultraschallprozesskosten resultieren hauptsächlich aus der Investition in die Ultraschallgeräte, den Betriebskosten und der Instandhaltung. Die außerordentlich hohe Energieeffizienz (Klicken Sie auf die Grafik oben) der Hielscher Ultraschallgeräte trägt dazu bei, die Betriebskosten zu reduzieren und macht den Prozess dadurch auch grüner. Die Beschallungskosten variieren zwischen 0,1ct und 1,0ct pro Liter (0,4ct bis 1,9ct/Gallone), wenn Ultraschall im gewerblichen Maßstab eingesetzt wird. Um weitere Informationen über die Prozesskosten beim Einsatz von Ultraschall zu erhalten, klicken Sie bitte hier.

Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year

Der Frost & Sullivan European Technology Innovation of the Year Award für Biodiesel-Prozesstechnologien geht an Hielscher Ultrasonics als Anerkennung für die Entwicklung neuartiger Ultraschalltechnologie für die Biodieselproduktion.

Hielscher Ultrasonics hat den bekannten und begehrten Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year Award als Anerkennung für die Entwicklung neuartiger Ultraschalltechnologie für die Biodieselgewinnung erhalten. Klicken Sie hier, um mehr darüber zu lesen.

Fordern Sie weitere Informationen an!

Ultraschallaufbau für die Biodieselproduktion im kleinen Maßstab

Einzel-Tank-Aufbau für die Biodiesel-Umesterung mit Ultraschall - die ultraschallgestützte Biodiesel-Umwandlung kann in jedem Maßstab durchgeführt werden.Ultraschall-Technologie kann in jedem Größenmaßstab für die Umwandlung von Öl in Biodiesel eingesetzt werden. Das Bild rechts (Klicken Sie hier für eine größere Ansicht!) zeigt einen Aufbau im kleinen Maßstab für die Herstellung von 60-70l (16 bis 19 Gallonen). Die Grafik zeigt den typischen Aufbau für anfängliche Untersuchungen und Prozessdemonstrationen.

Dieser Aufbau setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

Vorbereitung

Kaliumhydroxid (0,2 bis 0,4kg, Katalysator) wird in ca. 8,5l Methanol im Katalysator-Vormischtank aufgelöst. Dabei ist es notwendig, dass die Katalysator-Vormischung gerührt wird. Der Prozesstank wird mit 66l pflanzlichem Öl gefüllt. Das Öl wird durch das Heizelement auf 45 bis 65 °C erhitzt.

Prozess

Sobald der Katalysator vollständig im Methanol gelöst ist, wird die Katalysator-Vormischung in das erhitzte Öl gemischt. Die Pumpe führt die Mischung der Durchflusszelle zu. Durch das Absperrventil wird der Druck auf 1 bis 3barg (15 bis 45psig) eingestellt. Die Ultraschall-Rezirkulation sollte ca. 20 Minuten durchgeführt werden. Während dieser Zeit wird das Öl in Biodiesel umgewandelt. Danach werden die Pumpe und der Ultraschallprozessor abgeschaltet. Das Glyzerin (=schwerere Phase) wird sich vom Biodiesel (=leichtere Phase) trennen. Die Separation dauert ca. 30 bis 60 Minuten. Wenn die Separation abgeschlossen ist, kann das Glyzerin abgeleitet werden

Waschen

Weil der umgewandelte Biodiesel Verunreinigungen enthält, muss er gewaschen werden. Für das Waschen wird Wasser in den Biodiesel gemischt. Ultraschall kann das Vermischen des Biodiesels und des Wassers unterstützen. Aufgrund der Reduktion der Tröpfchengröße wird die aktive Oberfläche vergrößert (siehe:Emulgieren mit Ultraschall). Beachten Sie bitte, dass das intensive Beschallen die Wassertropfen auf eine solch geringe Größe reduzieren kann, dass fast eine stabile Emulsion entsteht, wodurch wiederum spezielle Methoden zur Separation (z. B. Zentrifugieren) notwendig werden können.

Biodiesel-Produktionsstätte

Die unten stehende Grafik zeigt einen typischen Aufbau für das Inline-Beschallen von Öl zur Umwandlung in Biodiesel. Klicken Sie bitte auf die Grafik, um eine größere Ansicht zu erhalten.

Klicken Sie bitte hier für eine größere Ansicht! Flow-Chart zur kontinuierliche Biodieselproduktion mit Ultraschall für das Mischen - Ultraschallgestützte Umwandlung von Biodiesel kann in jedem Größenmaßstab durchgeführt werden.

Kontinuierlicher Prozess und Separation

In einem Aufbau für das kontinuierliche Beschallen und kontinuierliche Separieren werden das erhitzte Öl und die Katalysator-Vormischung miteinander vermischt, wobei eine regulierbare Pumpe verwendet wird. Ein statischer Inline-Mischer erhöht die Homogenität des Zuflussstroms zur Ultraschalldurchflusszelle. Die Öl/Katalysator-Mischung fließt durch die Durchflusszelle, wo sie für ca. 5 bis 30 Sekunden Ultraschallkavitation ausgesetzt ist. Ein Absperrventil wird dazu genutzt, um den Druck innerhalb der Durchflusszelle zu regulieren. Die beschallte Mischung tritt von oben in die Reaktorsäule ein. Das Volumen der Reaktorsäule wurde so entwickelt, um ca. 1 Stunde Retentionsdauer in der Säule zu erreichen. Während dieser Zeit vollzieht sich die Umesterungsreaktion vollständig. Die reagierte Biodiesel/Glyzerin-Mischung wird anschließend in eine Zentrifuge gepumpt, wo der Biodiesel und das Glyzerin separiert werden. In nachgelagerten Prozessen wird der Alkohol entzogen, der Biodiesel gewaschen und getrocknet. Auch dies kann in einem kontinuierlichen Prozess ablaufen.

Dieser Aufbau vermeidet den Einsatz von Reaktorbatches, konventionellen Rührern und großen Separationstanks.

Umesterungs-Reaktionsgeschwindigkeit

Die Diagramme unten zeigen typische Ergebnisse der Umesterung von Rapsöl (industrielle Norm) mit Natriummethoxid (links) und Kaliumhydroxid (rechts). Für beide Tests wurde eine Kontrollprobe (blaue Linie) intensivem mechanischen Mischen unterzogen. Die rote Linie gibt die Ergebnisse wieder, die mit einer hinsichtlich der Formulation gleichen Probe (gleiche Volumenverhältnisse, Katalysatorenkonzentration und Temperatur) beim Einsatz von Ultraschall erzielt wurden. Die horizontale Achse markiert die Zeit nach dem Mischen bzw. nach dem Beschallen. Die vertikale Achse gibt das Volumen des Glyzerins an, das sich am Boden absetzt. Dies ist eine einfache Methode, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu messen. In beiden Diagrammen zeigen, dass die beschallte Probe (rot) viel schneller als die Kontrollprobe (blau) reagiert.

Biodiesel from Rapeseed Oil using Sodium Methoxide - Transesterification Speed Diagram Biodiesel from Rapeseed Oil using Potassium Hydroxide - Transesterification Speed Diagram

Links zu Lieferanten der Biodieselindustrie

Klicken Sie hier, um zu den Links zu gelangen, die Sie zu Lieferanten von Pumpen und Tanks für die Biodieselindustrie weiterleiten.

Chemische Informationen und Hinweise zur Sicherheit

Lesen Sie die unten stehenden Informationen bitte aufmerksam durch, um Unfälle zu vermeiden und gesundheitlichen Schäden vorzubeugen.

Chemikalien

Methanol ist toxisch. Bei anhaltendem Gebrauch können Nervenschäden auftreten. Es kann auch über die Haut aufgenommen werden. Wenn Methanol in die Augen gelangt, kann dies zur Erblindung führen. Methanol hat fatale Konsequenzen, wenn es geschluckt wird. Aus diesem Grund sollten Sie immer alle nötigen Vorsichtsmaßnahmen treffen, wenn Sie mit Methanol hantieren. Eine leistungsstarke Lüftung, Schutzkleidung und Gummihandschuhe sind unbedingt zu empfehlen.

Kaliumhydroxid (KOH) ist toxisch und verursacht bei Kontakt mit der Haut Verbrennungen. Zudem ist eine gute Belüftung notwendig.

Versichern Sie sich bitte, dass Ihr Arbeitsplatz genügend Platz bietet und gut belüftet ist, so dass die Dämpfe abziehen können. Kartuschen-Atemschutzgeräte bieten keinen ausreichenden Schutz vor Methanoldämpfen. Ein unterstütztes Lüftungssystem (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) bietet besseren Schutz gegen die Methanoldämpfe.

Biodiesel und Bestandteile aus Gummi

Gummiteile (Pumpen, Schläuche, O-Ringe) des Motors, die direkt mit Biodiesel in Kontakt kommen und die längere Zeit zu 100% mit Biodiesel laufen, können Probleme verursachen. Ein Ersetzen durch Stahlteile oder durch Hochleistungs-Gummi kann dieses Problem lösen. Alternativ können Sie auch ca. 25% konventionellen (fossilen) Biodiesel in Ihren Biodiesel mischen, um diesen Problemen vorzubeugen.

Biodiesel

Biodiesel, so z. B. Rapsmethylester (RME), zählt zu den erneuerbaren und biologisch abbaubaren Treibstoffen. Biodiesel weist gegenüber reinem pflanzlichem Öl verschiedene Vorteile auf. Ein Motorenwechsel ist nicht notwendig, und es fallen auch keine Modifikationen des Treibstoffsystems an, um einen konventionellen Dieselmotor mit Biodiesel anzutreiben. Dem an den Zapfsäulen verkauften Petrodiesel wird heutzutage schon Biodiesel zugesetzt, um die Schmierfähigkeit des Ultra-Low Sulfur Diesel (ULSD) zu erhöhen. Dies ist vorteilhaft, seitdem Biodiesel keinen Schwefel mehr enthält.