Bionafta prostřednictvím ultrazvukem vylepšené (Trans-)Esterifikace

Bionafta je syntetizována transesterifikací pomocí základního katalyzátoru. Pokud se však používá surovina, jako je nízkotvará odpadní zelenina s vysokým obsahem volných mastných kyselin, vyžaduje se chemický krok před zpracováním esterifikace pomocí kyselého katatlystu. Ultrazvuku a její sonochemické a sonomechanické účinky přispívají k oběma typům reakcí a dramaticky zvyšují účinnost přeměny bionafty. Ultrazvuková výroba bionafty je výrazně rychlejší než konvenční syntéza bionafty, vede k vyššímu výtěžku a kvalitě bionafty a šetří činidla, jako je methanol a katalyzátor.

Konverze bionafty pomocí Power Ultrasound

U bionafty se estery mastných kyselin vyrábějí transesterifikací rostlinných olejů i živočišných tuků (např. rysa). Během transesterifikační reakce je složka glycerolu nahrazena jiným alkoholem, jako je methanol. Vstupní suroviny s vysokým obsahem volných mastných kyselin, např. odpadních rostlinných olejů (WVO), vyžadují před ošetřením kyselé esterifikace, aby se zabránilo tvorbě mýdla. Tento proces kyselé katalýzy je velmi pomalá reakce, pokud se provádí jako konvenční dávková metoda. Řešením pro urychlení pomalého esterifikačního procesu je aplikace výkonového ultrazvuku. Sonikace dosahuje významného zlepšení rychlosti reakce, konverze a výtěžku bionafty, protože sonochemické účinky ultrazvuku s vysokým výkonem podporují a zintenzivňují kyselou katalýzu. Ultrazvuková kavitace poskytuje sonomechanické síly, tj. míchání s vysokým smyku, stejně jako sonochemickou energii. Tyto oba typy ultrazvukového dopadu (sonomechanický a sonochemický) mění kyselinou katalyzované esterifikace na rychlou reakci vyžadující méně katalyzátoru.

Žádost o informace





3x UIP1000hdT ultrasonicators for highly efficient biodiesel transesterification

Ultrazvukové míchání zlepšuje konverzní poměr bionafty, zvyšuje výtěžnost a šetří přebytečný methanol a katalyzátor. Obrázek ukazuje instalaci 3x UIP1000hdT (každý ultrazvukový výkon 1kW) pro inline zpracování.

Ultrasonic transesterification improves biodiesel conversion.

Transesterifikace triglyceridů na bionaftu (FAME) pomocí ultrazvuku vede ke zrychlené reakci a výrazně vyšší účinnosti.

Jak funguje ultrazvuková konverze bionafty?

Ultrazvuku mezi různými fázemi transesterifikace (někdy také nazývané alkoholýza) a esterifikace je založena na zlepšení míchání, stejně jako na zvýšeném přenosu tepla a hmoty. Ultrazvukové míchání je založeno na principu akustické kavitace, ke kterému dochází v důsledku implodování vakuových bublin v kapalině. Akustická kavitace se vyznačuje vysokosmykými silami a turbulencemi, stejně jako velmi vysokými tlakem a teplotními diferenciály. Tyto síly podporují chemickou reakci transesterifikace / esterifikace a zintenzivňují přenos hmoty a tepla, čímž výrazně zlepšují reakci přeměny bionafty.
Aplikace ultrazvuku během přeměny bionafty bylo vědecky a průmyslově prokázáno, že zlepšuje účinnost procesu. Zlepšení účinnosti procesu lze připsat nižší spotřebě energie a provozním nákladům a nižšímu užívání alkoholu (tj. methanolu), menšímu katalyzátoru a výrazně zkrácené reakční době. Náklady na energii pro vytápění jsou eliminovány, protože není vyžadováno externí vytápění. Navíc fázová separace mezi bionaftou a glycerolem je jednodušší s kratší dobou separace fáze. Důležitým faktorem pro komerční použití ultrazvuku při výrobě bionafty je jednoduché škálování na jakýkoli objem, spolehlivý a bezpečný provoz, stejně jako robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení (průmyslový standard, schopný nepřetržitě běžet 24/7/365 při plném zatížení).

Hielscher ultrasonic reactor for biodiesel transesterification with superior process efficiency

Ultrazvukový průmyslový systém s průtokovou buňkou pro inline esterfikaci a transesterifikaci bionafty.

Process chart showing the biodiesel process in continuous flow mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrazvuková esterifikace a transesterifikace mohou být spuštěny jako dávkový nebo kontinuální inline proces. Graf ukazuje ultrazvukový inline proces pro transesterfikaci bionafty (FAME).


Process chart showing the biodiesel process in batch mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrazvuková esterifikace a transesterifikace mohou být spuštěny jako dávkový nebo kontinuální inline proces. Tento graf ukazuje ultrazvukový dávkový proces pro konverzi bionafty.

Žádost o informace





Ultrazvukem asistovaná dvoufázová konverze bionafty pomocí kyselých a základních katalyzovaných reakčních kroků

U vstupních surovin s vysokým obsahem FFA se výroba bionafty provádí jako kyselá nebo základní katalyzovaná reakce ve dvoufázovém procesu. Ultrazvuk přispívá dvěma oběma typy reakcí, kyselinou katalyzované esterifikace, stejně jako základní katalyzovaná transesterifikace:

Kyselinou katalyzovaná esterifikace pomocí ultrazvuku

K léčbě přebytku volných mastných kyselin v vstupní surovině je zapotřebí proces esterifikace. Kyselina sírová se běžně používá jako kyselý katalyzátor.

  • Připravte vstupní surovinu filtrováním a rafinací z kontaminantů a vody.
  • Rozpusťte katalyzátor, jmenovitě kyselinu sírovou, v methanolu. Tok krmiva katalyzátoru/ methanolu a vstupní suroviny prostřednictvím výměníku tepla a statického míchačky pro získání hrubé předmíchání.
  • Předmíchání katalyzátoru a vstupní suroviny jde přímo do ultrazvukové reakční komory, kde se projeví ultra jemné míchání a sonochemie a volné mastné kyseliny jsou přeměněny na bionaftu.
  • Nakonec produkt odvodíme a nakrmíme druhým stupněm – ultrazvukovou transesterifikací. Kyselý mokrý methanol je po zotavení, vysušení a neutralizaci připraven k opětovnému použití.
  • U velmi vysoké FFA obsahující vstupní suroviny může být nutné nastavení recirkulace snížit FFA na rozumnou úroveň před krokem transesterifikace.

Esterifikační reakce pomocí kyselého katalyzátoru:
FFA + Alkohol → Ester + Voda

Základní katalyzovaná transesterifikace pomocí ultrazvuku

Vstupní surovina, která má nyní pouze malé množství FFA, může být přímo přiváděno do fáze transesterifikace. Nejčastěji se jako základní katalyzátor používá hydroxid sodný nebo hydroxid draselný (NaOH, KOH).

  • Katalyzátor, jmenovitě hydroxid draselný, se rozpustí v methanolu a proudy katalyzátoru/ methanolu a předem ošetřené vstupní suroviny se rozpustí statickým mixérem, aby se získal hrubý předmíchání.
  • Předmíchejte přímo do ultrazvukové reakční komory pro kavitační míchání s vysokým smyku a sonochemickou léčbu. Produkty této reakce jsou alkylestery (tj. bionafta) a glycerin. Glycerin lze oddělit usazením nebo odstředivkou.
  • Ultrazvukem vyráběná bionafta je vysoce kvalitní a vyráběná rychle, energeticky a nákladově efektivní úsporou metanolu a katalyzátoru.

Transesterifikační reakce pomocí základního katalyzátoru:
Olej / Tuk + Alkohol → bionaftu + Glycerol

Užívání metanolu & Rekonvalescence metanolu

Methanol je klíčovou složkou při výrobě bionafty. Ultrazvukem řízená přeměna bionafty umožňuje výrazně snížené používání metanolu. Pokud si nyní myslíte: "Nezajímá mě moje užívání metanolu, protože ho stejně obnovím", můžete znovu přemýšlet a zvážit přemrštěné vysoké náklady na energii, které platí pro krok odpařování (např. pomocí destilační kolony), která je nezbytná k oddělení a recyklaci metanolu.
Methanol se obvykle odstraní po oddělení bionafty a glycerinu do dvou vrstev, což zabraňuje obrácení reakce. Methanol se poté vyčistí a recykluje zpět na začátek procesu. Produkující bionaftu prostřednictvím ultrazvukem řízené esterifikace a transesterifikace, jste schopni dramaticky snížit své užívání metanolu, čímž se sníží přemrštěné vysoké energetické výdaje na obnovu metanolu. Použití ultrazvukových reaktorů Hielscher snižuje požadované množství přebytečného metanolu až o 50%. Molární poměr mezi 1:4 nebo 1:4,5 (olej: methanol) je dostatečný pro většinu vstupních surovin, při použití ultrazvukového míchání Hielscher.

Process chart showing the biodiesel processing steps. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrazvuková esterifikace je krok před zpracováním, který snížil nekvalitní vstupní surovinu s vysokým obsahem FFA na estery. Ve 2. kroku ultrazvukové transesterifikace jsou triglyceridy přeměněny na bionaftu (FAME).

Žádost o informace





Ultrazvuková zvýšená účinnost konverze bionafty – Vědecky prokázané

Četná výzkumná skupina zkoumala mechanismus a účinky ultrazvukové transesterifikace bionafty. Například výzkumný tým Sebayan Darwin prokázal, že ultrazvuková kavitace zvýšila chemickou aktivitu a reakční rychlost, což vedlo k výrazně zvýšené tvorbě esterů. Ultrazvuková technika snížila transesterifikační reakční dobu na 5 minut – ve srovnání s 2 hodinami pro mechanické míchání. Přeměna triglyceridů (TG) na FAME pod ultrazvukem získaná 95.6929%wt s methanolovým a olejovým molárním poměrem 6:1 a 1% wt hydroxidu sodného jako katalyzátor. (viz Darwin et al. 2010)

Gholami et al. (2021) prokázal vynikající účinnost ultrazvukem asistované transesterifikace bionafty ve srovnání s mechanickým mícháním. Výzkumný tým proto porovnal dvě bionafty na základě konvenčního mechanického míchání a ultrazvukové kavitace, které byly navrženy pomocí Aspen HYSYS V8.4. K porovnání těchto dvou procesů byly použity celkové investice, náklady na produkty, čistá současná hodnota a vnitřní míra návratnosti. – ultrasonicator a mechanický strirrer – mezi sebou. Celková investice do ultrazvukového kavitace byla nižší než investice mechanického míchaného procesu přibližně o 20,8%. Ve srovnání s konvenčním procesem, použití ultrazvukových reaktorů také způsobilo snížení nákladů na produkty o 5,2%. Vzhledem k pozitivní čisté současné hodnotě a vnitřní rychlosti návratnosti 18,3%, ultrazvukový kavitace proces byl lepší volbou. Ultrazvuková kavitace navíc vedla k významnému poklesu spotřebované energie i výroby odpadů. Celková spotřeba energie byla snížena o 6,9% při použití ultrazvukové kavitace. Množství odpadu produkovaného v ultrazvukem asistovaném procesu bylo pětinové v procesu mechanického míchání.

Středně velké a velké ultrasonicators pro zpracování bionafty

Hielscher Ultrazvuk’ dodává malé až střední velikosti, stejně jako velké průmyslové ultrazvukové procesory pro efektivní výrobu bionafty v jakémkoli objemu. Hielscher nabízí ultrazvukový systém v jakémkoli měřítku a může nabídnout ideální řešení jak pro malé výrobce, tak pro velké společnosti. Ultrazvuková přeměna bionafty může být provozována jako šarže nebo jako kontinuální inline proces. Instalace a provoz je jednoduchá, bezpečná a poskytuje spolehlivě vysoké výkony vynikající kvality bionafty.
Níže naleznete doporučená nastavení reaktorů pro celou řadu výrobních rychlostí.

tun / hod
gal / hod
1x UIP500hdT
00,25 až 0,5
80 až 160
1x UIP1000hdT
0.5 až 1.0
160 až 320
1x UIP1500hdT
0.75 až 1.5
240 až 480
2 x UIP1000hdT
1,0 až 2,0
320 až 640
2 x UIP1500hdT
1,5 až 3,0
480 až 960
4 airbag UIP1500hdT
3,0 až 6,0
960 až 1920
6x UIP1500hdT
4,5 až 9,0
1440 až 2880

Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!

Požádejte o další informace

Použijte prosím níže uvedený formulář a vyžádejte si další informace o ultrazvukových procesorech, aplikacích a ceně. Rádi s vámi probereme váš proces a nabídneme vám ultrazvukový systém splňující vaše požadavky!









Uvědomte si prosím naši Zásady ochrany osobních údajů,


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrazvuk vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakce v laboratoři, pilotním a průmyslovém měřítku.



Literatura / Reference


Fakta Worth Knowing

Výroba bionafty

Bionafta se vyrábí, když jsou trigyceridy přeměněny na volný tukový methylester (FAME) chemickou reakcí známou jako transesterifikace. Během reakce transesterifikace reagují trigylceridy v rostlinných olejích nebo živočišných tucích za přítomnosti katalyzátoru (např. hydroxidu draselného nebo hydroxidu sodného) primárním alkoholem (např. methanolem). V této reakci jsou alkylestery tvořeny ze vstupní suroviny rostlinného oleje nebo živočišného tuku. Triglyceridy jsou glyceridy, ve kterých je glycerol esterfied s kyselinami s dlouhým řetězcem, známými jako mastné kyseliny. Tyto mastné kyseliny jsou hojně přítomny v rostlinném oleji a živočišných tucích. Vzhledem k tomu, že bionafta může být vyráběna z různých vstupních surovin, jako jsou panenské rostlinné oleje, odpadní rostlinné oleje, použité fritovací oleje, živočišné tuky, jako je tallé a sádlo, množství volných mastných kyselin (FFA) se může značně lišit. Procento volných mastných kyselin triglyceridů je klíčovým faktorem, který drasticky ovlivňuje proces výroby bionafty a výslednou kvalitu bionafty. Vysoké množství volných mastných kyselin může narušit proces přeměny a zhoršit konečnou kvalitu bionafty. Hlavním problémem je, že volné mastné kyseliny (FFA) reagují s alkalickými katalyzátory, což vede k tvorbě mýdla. Tvorba mýdla následně způsobuje problémy se separací glycerolu. Proto vstupní suroviny obsahující vysoké množství FFA většinou vyžadují předúpravku (tzv. esterifikační reakci), během níž jsou FFA přeměněny na estery. Ultrazvuku podporuje jak reakce, transesterifikace a esterifikace.

Chemická reakce Esterifikace

Esterifikace je proces kombinování organické kyseliny (RCOOH) s alkoholem (ROH) za vytvoření esteru (RCOOR) a vody.

Methanol použití v kyselé esterifikaci

Pokud se kyselá esterifikace používá ke snížení FFA v vstupních surovinách, okamžité energetické požadavky jsou relativně nízké. Voda se však vytvoří během esterifikační reakce – tvorba mokrého kyselého methanolu, který musí být neutralizován, vysušen a znovu získán. Tento proces rekonvalescence metanolu je drahý.
Pokud mají počáteční vstupní suroviny 20 až 40 % nebo dokonce vyšší procentní podílY VFFA, může být nezbytné více kroků, aby se snížily na přijatelnou úroveň. To znamená, že vzniká ještě kyselejší, mokrý methanol. Po neutralizaci kyselého methanolu vyžaduje sušení vícestupňovou destilaci s významnými rychlostmi refluxu, což vede k velmi vysoké sušení energie.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.