Zvýšení účinnosti výroby bioenergie pomocí výkonového ultrazvuku

Aplikace vysoce intenzivního ultrazvuku (sonikace) při výrobě energie z obnovitelných zdrojů představuje významný pokrok v účinnosti procesů. Díky využití akustické kavitace ultrazvuková technologie zlepšuje přenos hmoty, narušuje buněčné struktury a urychluje chemické reakce v různých postupech výroby biopaliv, včetně bionafty, bioetanolu a bioplynu.
Po obnovitelných palivech roste poptávka, protože ceny ropy dosahují nových maxim. Aplikace ultrazvukové technologie při výrobě zelených paliv, jako je bionafta, bioetanol a bioplyn, zlepšuje technickou i komerční efektivitu.

Bionafta z odpadního rostlinného oleje a živočišného tuku

Bionafta je obnovitelné palivo, které lze používat ve vznětových motorech jako alternativu k motorové naftě vyráběné z ropy. Bionafta se vyrábí transesterifikací ze surovin, jako jsou rostlinné oleje, živočišné tuky nebo tukové suroviny. Nejběžnějšími surovinami jsou sójový, řepkový nebo řasový olej. Výroba bionafty zahrnuje katalytickou reakci s alkoholem (metanolem nebo etanolem). Ultrazvukové míchání oleje, tuku nebo tukové suroviny s alkoholem výrazně zlepšuje rychlost reakce a výtěžek. To snižuje investiční a provozní náklady.

• Zrychlená transesterifikace: Ultrazvukové ozařování výrazně zkracuje reakční dobu při výrobě bionafty, často z hodin na méně než pět minut.
• Zlepšená separace: Tato technologie zlepšuje oddělování glycerinu od bionafty a zkracuje dobu usazování z několika hodin na méně než 15 minut.
• Vyšší výtěžky: Ultrazvukové ošetření může díky důkladnému promíchání reaktantů umožnit výtěžky bionafty přesahující 99 %.

Kliknutím sem se dozvíte více o ultrazvukových míchacích reaktorech pro bionaftu!

Bioetanol ze škrobu a cukru

Bioetanol se používá jako zelená alternativa k benzinu. Vyrábí se fermentací z kukuřice, pšenice, brambor, cukrové třtiny, rýže a dalších obilovin. Kvasinky se používají k fermentaci škrobu a cukrů obsažených v těchto plodinách na etanol. Ultrazvuková dezintegrace buněčných struktur a extrakce intracelulárního materiálu zmenšuje velikost částic a během zkapalňování vystavuje působení enzymů mnohem větší povrch. Tím se zlepšuje biologická dostupnost škrobu a cukru, což vede k rychlejší a úplnější fermentaci, a tedy k vyšší produkci etanolu.
Výroba bioetanolu do značné míry závisí na účinném rozkladu lignocelulózové biomasy za účelem uvolnění zkvasitelných cukrů. Ultrazvuk tomuto procesu napomáhá několika způsoby:

• Zlepšená hydrolýza: Ultrazvuková předúprava usnadňuje dezintegraci rostlinných částic a zlepšuje uvolňování glukózy z kukuřičné suspenze v etanolových závodech se suchým mletím.
• Stimulovaná fermentace: Bylo prokázáno, že ultrazvuk stimuluje produkci etanolu během simultánní sacharifikace a fermentace (SSF) materiálů, jako je směsný odpadní kancelářský papír.
• Účinnost extrakce: Výkonový ultrazvuk je účinný při extrakci aktivních složek, jako je xylan a heteroxylan, z kukuřičných vřeten a slupek a rovněž zlepšuje extrakci oleje ze sójových bobů, což podporuje širší výrobní řetězce na biologické bázi.

Kliknutím sem se dozvíte více o dezintegraci buněk a extrakci!

Bioplyn z odpadu a kalů

Komunální organický odpad, čistírenský kal, chlévská mrva a hnůj slouží jako zdroj bioplynu. Zpracováním takového materiálu v aerobních nebo anaerobních fermentorech se organický materiál přeměňuje na bioplyn. Ultrazvuková dezintegrace organického materiálu před digescí mění strukturu materiálu a uvolňuje a aktivuje enzymy. Tím se zlepšuje digesce organického materiálu, což vede k rychlejšímu zpracování, většímu množství plynu a menšímu množství zbytkového kalu. To následně zvyšuje kapacitu stávajících fermentorů a snižuje náklady na likvidaci.

Při anaerobní digesci se ultrazvuková předúprava používá k dezintegraci biomasy (jako je přebytečný aktivovaný kal), aby byla organická hmota přístupnější pro bakterie.

• Zvýšený výtěžek bioplynu: Sonikace se osvědčila jako účinná při zvyšování kumulativní produkce bioplynu. Studie uvádějí zvýšení produkce bioplynu v rozmezí od 26 % do 36 % ve srovnání s neošetřeným kalem.
• Zlepšená redukce pevných látek: Ultrazvukové ošetření zvyšuje rozklad těkavých pevných látek (VS). Například rozklad VS se může zvýšit z 30 % na 35 % nebo i více (až na 39 %) v závislosti na organickém zatížení a energetickém vstupu.
• Integrace s čištěním odpadních vod: Biologické kaly z městských a průmyslových čistíren odpadních vod, stejně jako kaly ze samotných bioplynových stanic, lze účinně zpracovávat pomocí ultrazvukových reaktorů za účelem optimalizace procesu stabilizace a energetického využití.

Kliknutím sem se dozvíte více o ultrazvukové dezintegraci kalu!

Ultrazvuková dezintegrace hnoje hospodářských zvířat před anaerobní digescí zvyšuje výtěžky bioplynu.

Energetická bilance ultrazvuku

Výše uvedené procesy nevyžadují mnoho ultrazvukové energie. Obecně platí, že přebytečná energie získaná v důsledku sonikace vyrovnává energii spotřebovanou na generování ultrazvuku. Ultrazvuková zařízení Hielscher mají celkovou účinnost vyšší než 85 %. To znamená, že více než 85 % elektrické energie se přemění a předá do kapaliny ve formě mechanické energie. Skutečnou energetickou náročnost procesu lze určit v malém měřítku pomocí ultrazvukového procesoru o výkonu 1kW v laboratorním stolním měřítku. Všechny výsledky takových stolních zkoušek lze snadno převést do většího měřítka. Hielscher dodává průmyslová ultrazvuková zpracovatelská zařízení po celém světě. S průmyslovými ultrazvukovými homogenizátory o výkonu až 16kW na jeden sonikátor neexistuje žádné omezení velikosti závodu ani zpracovatelské kapacity.