Biodizel se sintetizira putem transesterifikacije koristeći bazni katalizer. Međutim, ako se koristi sirovina kao što je niskoklasno otpadno povrće sa visokim sadržajem masne kiseline, potreban je hemijski korak prije obrade esterifikacije pomoću kiselinsko-kataliznog. Ultrasonication i njegovi sonohemijski i sonomehanički efekti doprinose oba tipa reakcija i povećavaju efikasnost biodizelske konverzije dramatično. Ultrazvučna proizvodnja biodizela je znatno brža od konvencionalne sinteze biodizela, rezultira višim prinosom i kvalitetom biodizela te spašava reagente kao što su metanol i katalizator.

Biodizelska konverzija pomoću ultrazvuka Power

Za biodizel, estri masnih kiselina se proizvode transesterifikacijom povrtnih ulja kao i životinjskih masti (npr. tallow). Tokom transesterifikacijske reakcije, komponenta glicerola se zamjenjuje drugim alkoholom, kao što je metanol. Feedstocks sa visokim sadržajem slobodnih masnih kiselina, npr. otpadnih povrtnih ulja (WVO), zahtijevaju pred-liječenje esterifikacije kiselina kako bi se izbjeglo formiranje sapuna. Ovaj proces katalizacije kiselina je vrlo spora reakcija, kada se izvodi kao konvencionalna metoda batch. Rješenje za ubrzavanje sporog procesa esterifikacije je primjena ultrazvuka snage. Sonication postiže značajno poboljšanje brzine reakcije, pretvaranja i prinosa biodizela kao sonohemijski efekti ultrazvuka velike snage promovišu i intenziviraju kiselinsku katalizu. Ultrazvučna kavitacija pruža sonomehaničke sile, dakle visoko smiksajuće miješanje, kao i sonohemijsku energiju. Ove obje vrste ultrazvučnog udara (sonomehanički i sonohemijski) pretvaraju esterifikaciju kataliziranu kiselinom u brzu reakciju koja traži manje katalizista.

Kako radi ultrazvučna konverzija biodizela?

Ultrasonication između različitih faza u transesterifikaciji (također ponekad naziva alkoholizu ) i esterifikacija se temelji na poboljšanju miješanja kao i na povećanom prijenosu topline i mase. Ultrazvučno miješanje se zasniva na principu akustične kavitacije, koja nastaje kao posljedica implodiranja vakuum mjehurića u tekućini. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju visokosmična sila i turbulencije, kao i vrlo visoki difejsi pritiska i temperature. Ove sile promovišu hemijsku reakciju transesterifikacije / esterifikacije i intenzivirati prijenos mase i topline, te time značajno poboljšati reakciju prenamjena biodizela.

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) koristeći sonication rezultira ubrzanom reakcijom i znatno višu efikasnost.

Primjena ultrazvučnika tokom konverzije biodizela je naučno i industrijski dokazano da poboljšava efikasnost procesa. Poboljšanje efikasnosti procesa može se pripisati smanjenoj potrošnji energije i operativnim troškovima, te smanjenoj upotrebi alkohola (dakle, metanola), manje katalizista, te znatno skraćenom vremenu reakcije. Energetski trošak za grijanje se eliminira s obzirom da ne postoji zahtjev za vanjsko grijanje. Osim toga, fazna separacija između biodizela i glycerola je jednostavnija sa kraćim vremenom razdvajanja faze. Važan faktor za komercijalnu upotrebu ultrazvuka u proizvodnji biodizela je jednostavna skala-up na bilo koji volumen, pouzdan i siguran rad kao i robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme (industrijski standard, sposoban da radi kontinuirano 24/7/365 pod punim teretom).

Ultrazvučni industrijski sistem sa prolivnom ćelijom za inline biodizelsku esterfikaciju i transesterifikaciju.

Ultrazvučno-assisted Two Step Biodiesel Conversion Applying Acid- and Base-Catalyzed Reaction Steps

Za feedstocks s visokim FFA sadržajem, proizvodnja biodizela se izvodi kao kiselina ili bazno katalizirana reakcija u dva faze procesa. Ultrazvuk doprinosi dvije obje vrste reakcija, acid-katalizirana esterifikacija kao i bazno katalizirana transesterifikacija:

Esterifikacija katalizirana kiselinom pomoću Ultrazvuka

Da bi se liječio višak slobodnih masne kiseline u stoku, potreban je proces esterifikacije. Sumporna kiselina se obično koristi kao katalizant kiselina.

• Pripremite stok filtrirajući i rafinirajući od kontaminacija i vode.
• Rastvori katalizant, i to sumpornu kiselinu, u metanolu. Tok hrane katalizatora/ metanola i stoka kroz izmenilac toplote i statički mikser za dobijanje sirovog pre-mixa.
• Pre-mix katalizatora i stoka ide direktno u ultrazvučnu reakcijsku komoru, gdje ultra-fino miješanje i sonohemija stupiti na snagu i slobodne masne kiseline se pretvaraju u biodizel.
• Konačno, odvodnjavanje proizvoda i hranjenje do druge faze – ultrazvučne transesterifikacije. Kiseli vlažni metanol je nakon oporavka, sušenja i neutralizacije spreman za ponovnu upotrebu.
• Za vrlo visoke FFA koji sadrže feedstocks, recirculation setup možda je potrebno spustiti FFA na razuman nivo prije koraka transesterifikacije.

Reakcija esterifikacije pomoću Acid Catalyst:
FFA + Alkohol → Ester + Voda

Base-Catalyzed Transesterification koristeći Ultrazvuk

Stok, koji sada ima samo male količine FFA-a, može se direktno nahraniti do faze transesterifikacije. Najčešće se kao bazni katalizist koristi natrijev hidroksid ili kalija hidroksid (NaOH, KOH).

• Otopajte katalizator, i to kalij hidroksid, u metanolu i hranite potoke katalizatora/ metanola i pretretiranu stoku kroz statički mikser kako bi se dobio sirovi pre-mix.
• Nahranite pre-mix direktno u komoru ultrazvučne reakcije za kavitaciono visoko smiksajuće miješanje i sonohemijski tretman. Produkti ove reakcije su alkil esteri (npr. biodizel) i glicerin. Glicerin se može razdvojiti smještajući se ili centrifugiranjem.
• Ultrazvučno proizveden biodizel je visokog kvaliteta i proizveden brzo, energetski efikasno i troškovno efikasno čuvajući metanol i katalizist.

Transesterifikacijska reakcija pomoću baznog katalizista:
Ulje / mast + alkohol → biodizel + glycerol

Upotreba metanola & Oporavak metanola

Metanol je ključna komponenta tokom proizvodnje biodizela. Ultrazvučno pogonjene biodizelske konverzije omogućava značajno smanjenu upotrebu metanola. Ako sada razmišljaš "Nije me briga za moju upotrebu metanola, pošto ga ionako oporavljam", možda ćeš preispitati i razmotriti eksorbitantne visoke troškove energije koji se odnose na korak isparavanja (npr. pomoću kolone za destilaciju), što je neophodno za odvajanje i recikliranje metanola.
Metanol se obično uklanja nakon što su biodizel i glicerin razdvojeni u dva sloja, sprečavajući reverzaciju reakcije. Metanol se zatim čisti i reciklira natrag na početak procesa. Proizvodeći biodizel putem ultrazvučno pogonjene esterifikacije i transesterifikacije, u mogućnosti ste dramatično smanjiti korištenje metanola, čime smanjujete eksorbitantne visoke energetske rashode za oporavak metanola. Upotreba Hielscher ultrazvučnih reaktora smanjuje traženu količinu višak metanola do 50%. Molarni omjer između 1:4 ili 1:4,5 (ulje : metanol) dovoljan je za većinu stoka, pri upotrebi Hielscher ultrazvučnog miješanja.

Ultrazvučna povećana efikasnost konverzije biodizela – Naučno dokazano

Brojne istraživačke grupe istražile su mehanizam i efekte ultrazvučne transesterifikacije biodizela. Na primjer, istraživački tim Sebayan Darwina je pokazao da je ultrazvučna kavitacija povećala hemijsku aktivnost i stopu reakcija što je rezultiralo značajno povećanom formacijom estra. Ultrazvučna tehnika smanjila je vrijeme reakcije transesterifikacije na 5 minuta – u odnosu na 2 sata za mehaničku obradu miješanja. Konverzija triglicerida (TG) u FAME pod ultrazvukom dobila je 95,6929%wt sa metanolom u uljni molarni omjer 6:1 i 1%wt natrij hidroksida kao katalizista. (cf. Darwin et al. 2010)

Ultrasonikatori srednje veličine i velikih razmjera za preradu biodizela

Hielscher Ultrazvuk’ snabdijeva male do srednje veličine kao i industrijske ultrazvučne procesore velikih razmjera za efikasnu proizvodnju biodizela na bilo koji volumen. Nudeći ultrazvučni sistem u bilo kojima razmjerima, Hielscher može ponuditi idealno rješenje kako za male proizvođače tako i za velike kompanije. Ultrazvučna konverzija biodizela može se raditi kao seronja ili kao kontinuirani inline proces. Instalacija i rad je jednostavan, siguran i daje pouzdano visoke izlaze vrhunskog kvaliteta biodizela.
U nastavku ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih stopa.