Biodizel putem ultrazvučno poboljšane (trans-)esterifikacije

Biodizel se sintetizira transesterifikacijom koristeći bazni katalizator. Međutim, ako se koristi sirovina kao što je otpadno povrće niskog kvaliteta s visokim sadržajem slobodnih masnih kiselina, potreban je korak kemijske predtretmana esterifikacije korištenjem kiselinskog katalizatora. Ultrazvučna obrada i njeni sonohemijski i sonomehanički efekti doprinose oba tipa reakcija i dramatično povećavaju efikasnost konverzije biodizela. Proizvodnja ultrazvučnog biodizela je znatno brža od konvencionalne sinteze biodizela, rezultira većim prinosom i kvalitetom biodizela i štedi reagense kao što su metanol i katalizator.

Pretvorba biodizela pomoću ultrazvuka

Za biodizel, estri masnih kiselina se proizvode transesterifikacijom biljnih ulja kao i životinjskih masti (npr. loj). Tokom reakcije transesterifikacije, komponenta glicerola se zamjenjuje drugim alkoholom, kao što je metanol. Sirovine s visokim sadržajem slobodnih masnih kiselina, npr. otpadna biljna ulja (WVO), zahtijevaju prethodnu obradu kiselinske esterifikacije kako bi se izbjeglo stvaranje sapuna. Ovaj proces kiselinske katalize je vrlo spora reakcija, kada se izvodi kao konvencionalna šaržna metoda. Rješenje za ubrzanje sporog procesa esterifikacije je primjena ultrazvuka. Sonikacija postiže značajno poboljšanje brzine reakcije, konverzije i prinosa biodizela jer sonohemijski efekti ultrazvuka velike snage promoviraju i intenziviraju kiselinsku katalizu. Ultrazvučna kavitacija obezbeđuje sonomehaničke sile, tj. mešanje visokog smicanja, kao i sonohemijsku energiju. Ove obje vrste ultrazvučnog udara (sonomehanički i sonohemijski) pretvaraju esterifikaciju kataliziranu kiselinom u brzu reakciju koja zahtijeva manje katalizatora.

Kako radi ultrazvučna konverzija biodizela?

Ultrazvučna obrada između različitih faza u transesterifikaciji (koja se ponekad naziva i alkoholiza) i esterifikacija zasniva se na poboljšanju miješanja, kao i na povećanom prijenosu topline i mase. Ultrazvučno miješanje se zasniva na principu akustične kavitacije, koja nastaje kao rezultat implodiranja vakuumskih mjehurića u tekućini. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju velike posmične sile i turbulencije, kao i vrlo visoke razlike tlaka i temperature. Ove sile podstiču hemijsku reakciju transesterifikacije/esterifikacije i intenziviraju prenos mase i toplote, čime se značajno poboljšava reakcija konverzije biodizela.

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) upotrebom ultrazvuka dovodi do ubrzane reakcije i značajno veće efikasnosti.

Naučno i industrijski dokazano da primjena ultrazvuka tokom konverzije biodizela poboljšava efikasnost procesa. Poboljšanje efikasnosti procesa može se pripisati smanjenoj potrošnji energije i operativnim troškovima, te smanjenoj upotrebi alkohola (tj. metanola), manje katalizatora i značajno skraćenom vremenu reakcije. Troškovi energije za grijanje su eliminisani jer nema potrebe za vanjskim grijanjem. Dodatno, fazno odvajanje između biodizela i glicerola je jednostavnije uz kraće vrijeme razdvajanja faza. Važan faktor za komercijalnu upotrebu ultrazvuka u proizvodnji biodizela je jednostavno povećanje na bilo koju zapreminu, pouzdan i siguran rad, kao i robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme (industrijski standard, sposoban da radi neprekidno 24/7/ 365 pod punim opterećenjem).

Ultrazvučni industrijski sistem sa protočnom ćelijom za inline esterfikaciju i transesterifikaciju biodizela.

Ultrazvučno potpomognuta konverzija biodizela u dva koraka primjenom koraka reakcije katalizirane kiselinom i bazom

Za sirovine sa visokim sadržajem FFA, proizvodnja biodizela se odvija kao reakcija katalizirana kiselinom ili bazom u dvofaznom procesu. Ultrazvuk doprinosi dvije vrste reakcija, esterifikacija katalizirana kiselinama kao i transesterifikacija katalizirana bazama:

Esterifikacija katalizirana kiselinom uz pomoć ultrazvuka

Za tretiranje viška slobodnih masnih kiselina u sirovini potreban je proces esterifikacije. Sumporna kiselina se obično koristi kao kiseli katalizator.

• Pripremite sirovinu filtriranjem i rafiniranjem od zagađivača i vode.
• Otopiti katalizator, odnosno sumpornu kiselinu, u metanolu. Ubacite struju katalizatora/metanola i sirovine kroz izmjenjivač topline i statički mikser kako biste dobili sirovu predmiješanu smjesu.
• Prethodno miješanje katalizatora i sirovine ide direktno u ultrazvučnu reakcijsku komoru, gdje ultra-fino miješanje i sonohemija stupaju na snagu i slobodne masne kiseline se pretvaraju u biodizel.
• Konačno, odvojite proizvod od vode i dovedite ga u drugu fazu – ultrazvučnu transesterifikaciju. Kiseli vlažni metanol je nakon oporavka, sušenja i neutralizacije spreman za ponovnu upotrebu.
• Za sirovine sa vrlo visokim sadržajem FFA, možda će biti potrebno podešavanje recirkulacije da bi se FFA spustio na razuman nivo prije koraka transesterifikacije.

Reakcija esterifikacije pomoću kiselog katalizatora:
FFA + Alkohol → Ester + Voda

Transesterifikacija bazno katalizirana ultrazvukom

Sirovina, koja sada ima samo male količine FFA, može se direktno ubaciti u fazu transesterifikacije. Najčešće se kao bazni katalizator koristi natrijum hidroksid ili kalijum hidroksid (NaOH, KOH).

• Rastvoriti katalizator, odnosno kalijum hidroksid, u metanolu i ubaciti tokove katalizatora/metanola i prethodno obrađene sirovine kroz statički mikser da bi se dobila sirova predmešavina.
• Ubacite pre-miks direktno u ultrazvučnu reakcijsku komoru za kavitaciono mešanje sa visokim smicanjem i sonohemijski tretman. Proizvodi ove reakcije su alkil estri (tj. biodizel) i glicerin. Glicerin se može odvojiti taloženjem ili centrifugiranjem.
• Ultrazvučno proizveden biodizel je visokog kvaliteta i proizveden je brzo, energetski efikasan i ekonomičan uz uštedu metanola i katalizatora.

Reakcija transesterifikacije pomoću baznog katalizatora:
Ulje/Mast + Alkohol → Biodizel + Glicerol

Upotreba metanola & Methanol Recovery

Methanol is a key component during biodiesel production. The ultrasonically driven biodiesel conversion allows for a significantly reduced use of methanol. If you are now thinking “I don’t care about my methanol use, since I recover it anyway”, you might re-think and consider the exorbitant high energy cost that apply for the evaporation step (e.g. using a distillation column), which is necessary to separate and recycle the methanol.
Metanol se obično uklanja nakon što se biodizel i glicerin razdvoje u dva sloja, sprečavajući preokret reakcije. Metanol se zatim čisti i reciklira na početak procesa. Proizvodnjom biodizela putem ultrazvučne esterifikacije i transesterifikacije, u mogućnosti ste dramatično smanjiti upotrebu metanola, čime se smanjuju pretjerani visoki troškovi energije za oporavak metanola. Upotreba Hielscher ultrazvučnih reaktora smanjuje potrebnu količinu viška metanola do 50%. Molarni omjer između 1:4 ili 1:4,5 (ulje : metanol) je dovoljan za većinu sirovina, kada se koristi Hielscher ultrazvučno miješanje.

Ultrazvučna povećana efikasnost konverzije biodizela – naučno dokazano

Brojna istraživačka grupa istraživala je mehanizam i efekte ultrazvučne transesterifikacije biodizela. Na primjer, istraživački tim Sebayana Darwina pokazao je da ultrazvučna kavitacija povećava kemijsku aktivnost i brzinu reakcije što rezultira značajno povećanim stvaranjem estera. Ultrazvučna tehnika smanjila je vrijeme reakcije transesterifikacije na 5 minuta – u odnosu na 2 sata za mehaničku obradu miješanjem. Konverzija triglicerida (TG) u FAME ultrazvučnom obradom dobijena je 95,6929% masenog sa molarnim omjerom metanola i ulja od 6:1 i 1% masenog natrijum hidroksida kao katalizatora. (up. Darwin et al. 2010.)

Ultrasonikatori srednje veličine i velike veličine za obradu biodizela

Hielscher Ultrasonics’ isporučuje male do srednje veličine kao i velike industrijske ultrazvučne procesore za efikasnu proizvodnju biodizela u bilo kojoj količini. Nudeći ultrazvučni sistem u bilo kojoj mjeri, Hielscher može ponuditi idealno rješenje za male proizvođače i velike kompanije. Ultrazvučna konverzija biodizela može se raditi kao serija ili kao kontinuirani inline proces. Instalacija i rad je jednostavan, siguran i daje pouzdano visoke rezultate vrhunskog kvaliteta biodizela.
Ispod ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih stopa.