Hielscher Ultrasonics
Rádi s vámi probereme váš postup.
Zavolejte nám: +49 3328 437-420
Napište nám: info@hielscher.com

Bionafta prostřednictvím ultrazvukem vylepšené (trans-)esterifikace

Bionafta se syntetizuje transesterifikací za použití bazického katalyzátoru. Pokud se však použije surovina, jako je nekvalitní odpadní zelenina s vysokým obsahem volných mastných kyselin, je nutný krok chemické předúpravy esterifikace pomocí kyselého katalyzátoru. Ultrazvuku a jeho 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 metanol a katalyzátor.

Přeměna bionafty pomocí výkonového ultrazvuku

Pro bionaftu se estery mastných kyselin vyrábějí transesterifikací rostlinných olejů i živočišných tuků (např. loje). Během transesterifikační reakce je glycerolová složka nahrazena jiným alkoholem, například methanolem. Vstupní suroviny s vysokým obsahem volných mastných kyselin, např. odpadní rostlinné oleje (WVO), vyžadují předběžnou úpravu esterifikací kyselin, aby se zabránilo tvorbě mýdla. Tento proces kyselé katalýzy je velmi pomalá reakce, pokud se provádí jako konvenční dávková metoda. Řešením pro urychlení procesu pomalé esterifikace je aplikace výkonového ultrazvuku. Sonikace dosahuje významného zlepšení rychlosti reakce, konverze a výtěžku bionafty, protože sonochemické účinky vysoce výkonného ultrazvuku podporují a zesilují kyselou katalýzu. Ultrazvuková kavitace poskytuje sonomechanické síly, tj. míchání s vysokým smykem, a také sonochemickou energii. Tyto oba typy ultrazvukového nárazu (sonomechanický a sonochemický) promění kyselinou katalyzovanou esterifikaci na rychlou reakci vyžadující méně katalyzátoru.

Žádost o informace




Všimněte si našich Zásady ochrany osobních údajů.




3x UIP1000hdT ultrasonicators pro vysoce účinnou transesterifikaci bionafty

Ultrazvukové míchání zlepšuje rychlost konverze bionafty, zvyšuje výtěžnost a šetří přebytečný metanol a katalyzátor. Na obrázku je instalace 3x UIP1000hdT (každý 1kW ultrazvukový výkon) pro inline zpracování.

 

V tomto videonávodu vás seznámíme s vědou o tom, jak ultrazvukové reaktory na bionaftu významně zlepšují výrobu bionafty. Hielscher ultrazvukové reaktory na bionaftu jsou zavedeny jako výkonný nástroj pro zlepšení procesu výroby bionafty a v tomto tutoriálu se ponoříme do pracovního principu, který za ním stojí, a ukážeme různá ultrazvuková nastavení pro jakékoli výrobní měřítko. Zlepšete svou výrobu bionafty z hlediska účinnosti a nákladové efektivity a produkujte vyšší výnosy vysoce kvalitní bionafty v rámci rychlé přeměny. Ultrazvukové reaktory na bionaftu zároveň umožňují použití špatných olejů, jako jsou odpadní rostlinné oleje nebo použité tuky na vaření, a pomáhají šetřit metanol a katalyzátor, což přispívá k ekologické a udržitelné výrobě bionafty.

Výroba bionafty pomocí Hielscher sonoreactors pro vyšší výtěžnost, vyšší kvalitu & Kapacita

Miniatura videa

 

Jak funguje ultrazvuková konverze bionafty?

Ultrazvuku mezi různými fázemi v transesterifikaci (také někdy nazývané alkoholýza ) a esterifikace je založena na zvýšení míchání, stejně jako na zvýšeném přenosu tepla a hmoty. Ultrazvukové míchání je založeno na principu akustické kavitace, ke které dochází v důsledku implodace vakuových bublin v kapalině. Akustická kavitace se vyznačuje vysokými smykovými silami a turbulencemi, stejně jako velmi vysokými tlakovými a teplotními rozdíly. Tyto síly podporují chemickou reakci transesterifikace / esterifikace a zesilují přenos hmoty a tepla, čímž výrazně zlepšují reakci přeměny bionafty.

Ultrazvuková transesterifikace zlepšuje konverzi bionafty.

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

Bylo vědecky a průmyslově prokázáno, že aplikace ultrazvuku během přeměny bionafty zlepšuje účinnost procesu. Zlepšení efektivity procesu lze přičíst snížené spotřebě energie a provozním nákladům, sníženému používání alkoholu (tj. metanolu), menšímu množství katalyzátoru a výraznému zkrácení reakční doby. Náklady na energii na vytápění jsou eliminovány, protože není vyžadováno externí vytápění. Fázová separace mezi bionaftou a glycerolem je navíc jednodušší s kratší dobou fázové separace. Důležitým faktorem pro komerční využití ultrazvuku při výrobě bionafty je jednoduché škálování na jakýkoli objem, spolehlivý a bezpečný provoz, jakož i robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení (průmyslový standard, schopný nepřetržitého provozu 24/7/365 při plném zatížení).

Hielscher ultrazvukový reaktor pro transesterifikaci bionafty s vynikající účinností procesu

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

Procesní diagram znázorňující proces výroby bionafty v režimu kontinuálního průtoku. Ultrazvuk může výrazně zlepšit esterifikaci a transesterifikaci.

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


Procesní diagram znázorňující proces výroby bionafty v dávkovém režimu. Ultrazvuk může výrazně zlepšit esterifikaci a transesterifikaci.

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




Všimněte si našich Zásady ochrany osobních údajů.




Ultrazvukem asistovaná dvoustupňová konverze bionafty pomocí kyselých a zásadově katalyzovaných reakčních kroků

U vstupních surovin s vysokým obsahem FFA se výroba bionafty provádí jako kyselá nebo zásaditá reakce katalyzovaná ve dvoustupňovém procesu. Ultrazvuk přispívá dvěma oběma typy reakcí, kyselinou katalyzovanou esterifikací a také bazicky katalyzovanou transesterifikací:

Kyselinou katalyzovaná esterifikace pomocí ultrazvuku

K ošetření přebytku volných mastných kyselin v surovině je nutný proces esterifikace. Kyselina sírová se běžně používá jako kyselý katalyzátor.

  • Připravte vstupní surovinu filtrací a rafinací od kontaminantů a vody.
  • Katalyzátor, jmenovitě kyselinu sírovou, se rozpustí v methanolu. Přiváděný proud katalyzátoru/methanolu a vstupní suroviny přes výměník tepla a statickou míchačku za účelem získání surové směsi pro získání surového předmíchání.
  • Předsměs katalyzátoru a suroviny jde přímo do ultrazvukové reakční komory, kde se projeví ultrajemné míchání a sonochemie a volné mastné kyseliny se přemění na bionaftu.
  • Nakonec produkt odvodněte a přiveďte jej do druhé fáze – ultrazvukové transesterifikace. Kyselý mokrý metanol je po regeneraci, vysušení a neutralizaci připraven k opětovnému použití.
  • U vstupních surovin obsahujících FFA s velmi vysokým obsahem může být vyžadováno nastavení recirkulace, aby se FFA snížila na přiměřenou úroveň před krokem transesterifikace.

Esterifikační reakce pomocí kyselého katalyzátoru:
FFA + alkohol → ester + voda

Bazicky katalyzovaná transesterifikace pomocí ultrazvuku

Vstupní surovina, která nyní obsahuje pouze malé množství FFA, může být přímo přiváděna do fáze transesterifikace. Jako základní katalyzátor se nejčastěji používá hydroxid sodný nebo hydroxid draselný (NaOH, KOH).

  • Katalyzátor, jmenovitě hydroxid draselný, se rozpustí v methanolu a proudy katalyzátoru/methanolu a předupravených surovin se přivádějí statickým směšovačem, aby se získala surová předsměs.
  • Přivádějte předsměs přímo do ultrazvukové reakční komory pro kavitační míchání s vysokým smykem a sonochemické ošetření. Produkty této reakce jsou alkylestery (tj. bionafta) a glycerin. Glycerin lze oddělit usazováním nebo odstředěním.
  • Ultrazvukem vyráběná bionafta je vysoce kvalitní a vyrábí se rychle, energeticky účinně a nákladově efektivně díky úspoře metanolu a katalyzátoru.

Transesterifikační reakce s použitím základního katalyzátoru:
Olej / tuk + alkohol → bionafta + glycerol

Použití metanolu & Rekuperace metanolu

Metanol je klíčovou složkou při výrobě bionafty. Ultrazvukem řízená konverze bionafty umožňuje výrazně snížit použití metanolu. Pokud si nyní říkáte: "Nestarám se o to, jak metanol spotřebovávám, protože ho stejně získám zpět", možná se znovu zamyslíte a zamyslíte se nad přemrštěně vysokými náklady na energii, které se vztahují na krok odpařování (např. použití destilační kolony), který je nezbytný k oddělení a recyklaci metanolu.
Metanol se obvykle odstraňuje poté, co byly bionafta a glycerin rozděleny do dvou vrstev, aby se zabránilo zvratu reakce. Metanol je poté vyčištěn a recyklován zpět na začátek procesu. Výrobou bionafty pomocí ultrazvukem řízené esterifikace a transesterifikace jste schopni dramaticky snížit spotřebu metanolu, čímž se sníží přemrštěné vysoké výdaje na energii na regeneraci 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 Hielscher ultrazvukového míchání.

Procesní diagram znázorňující kroky zpracování bionafty. Ultrazvuk může výrazně zlepšit esterifikaci a transesterifikaci.

Ultrazvuková esterifikace je krok předúpravy, který snížil nekvalitní surovinu s vysokým obsahem FFA na estery. Ve 2. kroku ultrazvukové transesterifikace se triglyceridy přemění na bionaftu (FAME).

Žádost o informace




Všimněte si našich Zásady ochrany osobních údajů.




Ultrazvuková zvýšená účinnost přeměny bionafty – vědecky dokázáno

Četná skupina výzkumníků 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 významně zvýšené tvorbě esterů. Ultrazvuková technika zkrátila reakční dobu transesterifikace na 5 minut – ve srovnání s 2 hodinami pro mechanické míchání zpracování. Přeměnou triglyceridů (TG) na FAME pod ultrazvukem se získalo 95,6929% hm. s molárním poměrem methanolu k oleji 6:1 a 1% hmotn. hydroxid sodný jako katalyzátor. (srov. Darwin et al. 2010)

Gholami et al. (2021) prokázali vynikající účinnost ultrazvukem asistované transesterifikace bionafty ve srovnání s mechanickým mícháním. Výzkumný tým proto porovnal dvě zařízení na výrobu bionafty založená na konvenčním mechanickém míchání a ultrazvukové kavitaci, která byla navržena s použitím Aspen HYSYS V8.4. K porovnání těchto dvou procesů byly použity celkové investice, náklady na produkty, čistá současná hodnota a vnitřní výnosové procento – ultrasonicator a mechanický strirrer – mezi sebou. Celková investice do ultrazvukového kavitačního procesu byla nižší než investice do procesu mechanického míchání přibližně o 20,8 %. Ve srovnání s konvenčním procesem způsobilo použití ultrazvukových reaktorů také snížení nákladů na produkty o 5,2 %. Vzhledem ke kladné čisté současné hodnotě a vnitřnímu výnosovému procentu 18,3 % byl ultrazvukový kavitační proces lepší volbou. Ultrazvuková kavitace navíc vedla k významnému snížení jak spotřebované energie, tak produkce odpadů. Celková spotřeba energie byla snížena o 6,9 % při použití ultrazvukové kavitace. Množství odpadu vyprodukovaného v procesu za pomoci ultrazvuku bylo pětinové ve srovnání s množstvím odpadu v procesu mechanického míchání.

Středně velké a velké ultrazvukové přístroje pro zpracování bionafty

Hielscher Ultrasonics’ Dodává malé až středně velké i velké průmyslové ultrazvukové procesory pro efektivní výrobu bionafty v jakémkoli objemu. Nabízí ultrazvukový systém v jakémkoli měřítku, Hielscher může nabídnout ideální řešení jak pro malé výrobce, tak pro velké společnosti. Ultrazvuková konverze bionafty může být provozována jako dávkový nebo jako kontinuální inline proces. Instalace a obsluha je jednoduchá, bezpečná a poskytuje spolehlivě vysoké výkony vynikající kvality bionafty.
Níže naleznete doporučené nastavení reaktorů pro různé rychlosti výroby.

tuna/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
2x UIP1000hdT
1,0 až 2,0
320 až 640
2x UIP1500hdT
1,5 až 3,0
480 až 960
4x UIP1500hdT
3,0 až 6,0
960 až 1920
6x UIP1500hdT
4,5 až 9,0
1440 až 2880

Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!

Vyžádejte si více informací

Použijte prosím níže uvedený formulář a vyžádejte si další informace o ultrazvukových procesorech, aplikacích a ceně. Rádi s vámi prodiskutujeme váš proces a nabídneme vám ultrazvukový systém, který bude vyhovovat vašim požadavkům!









Vezměte prosím na vědomí naše Zásady ochrany osobních údajů.




Ultrazvukové homogenizátory s vysokým smykem se používají v laboratorním, stolním, pilotním a průmyslovém zpracování.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.



Literatura / Reference


Fakta, která stojí za to vědět

Výroba bionafty

Bionafta se vyrábí, když se trigyceridy přemění na volný mastný methylester (FAME) chemickou reakcí známou jako transesterifikace. Během transesterifikace reagují trigylceridy v rostlinných olejích nebo živočišných tucích v přítomnosti katalyzátoru (např. hydroxidu draselného nebo hydroxidu sodného) s primárním alkoholem (např. methanolem). Při této reakci se alkylestery tvoří ze vstupní suroviny rostlinného oleje nebo živočišného tuku. Triglyceridy jsou glyceridy, ve kterých je glycerol esterfikován kyselinami s dlouhým řetězcem, známými jako mastné kyseliny. Tyto mastné kyseliny jsou hojně přítomny v rostlinných olejích a živočišných tucích. Vzhledem k tomu, že bionaftu lze vyrábět z různých vstupních surovin, jako jsou panenské rostlinné oleje, odpadní rostlinné oleje, použité oleje na smažení, živočišné tuky, jako je lůj a sádlo, může se množství volných mastných kyselin (FFA) značně lišit. Procento volných mastných kyselin v triglyceridech je rozhodujícím 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 s odlučováním glycerolu. Suroviny obsahující vysoké množství FFA proto většinou vyžadují předúpravu (tzv. esterifikační reakci), během níž se FFA přeměňují na estery. Ultrazvuku podporuje obě reakce, transesterifikaci i esterifikaci.

Chemická reakce esterifikace

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

Použití metanolu při kyselé esterifikaci

Když se ke snížení FFA v surovinách používá esterifikace kyselinou, jsou okamžité energetické požadavky relativně nízké. Během esterifikační reakce však vzniká voda – vytváří vlhký, kyselý methanol, který musí být neutralizován, vysušen a regenerován. Tento proces získávání metanolu je nákladný.
Pokud výchozí suroviny obsahují 20 až 40 % nebo dokonce vyšší procentní podíl FFA, může být nutné provést několik kroků, aby se tyto látky snížily na přijatelnou úroveň. To znamená, že vzniká ještě kyselejší, vlhký metanol. Po neutralizaci kyselého metanolu vyžaduje sušení vícestupňovou destilaci se značnou mírou refluxu, což má za následek velmi vysokou spotřebu energie.

Jaké oleje se používají pro výrobu bionafty?

Mezi oleje používané pro výrobu bionafty patří rostlinné oleje, jako je sójový, řepkový (řepkový), slunečnicový, palmový olej a olej z použité kávové sedliny, stejně jako živočišné tuky, jako je lůj a sádlo. Běžně se také používají odpadní oleje, včetně použitého kuchyňského oleje a olejů extrahovaných z použité kávové sedliny. Tyto oleje, složené převážně z triglyceridů, podléhají transesterifikaci alkoholem za vzniku methylesterů mastných kyselin (FAME), chemických sloučenin, které tvoří bionaftu. Sonikace zlepšuje přeměnu odpadních olejů na bionaftu zvýšením procesu transesterifikace aplikací ultrazvukových vln s vysokou intenzitou. V odpadních olejích, které často obsahují nečistoty a vyšší obsah volných mastných kyselin, pomáhá sonikace tyto nečistoty rozbít a zlepšuje míchání reaktantů. To má za následek rychlejší reakční rychlost, zkrácení reakční doby a vyšší výtěžnost bionafty, a to i při surovinách nižší kvality. Sonikace také umožňuje snížené použití katalyzátoru a nižší spotřebu energie, díky čemuž je přeměna odpadních olejů na bionaftu efektivnější a nákladově efektivnější.
Přečtěte si více jak sonikace zintenzivňuje extrakci olejů z použité kávové sedliny a transesterifikaci těchto olejů na bionaftu!


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 k průmyslová velikost.

Rádi s vámi probereme váš postup.

Let's get in contact.