Biodiesel via ultralydsforbedret (trans-)esterificering

Biodiesel syntetiseres via transesterificering ved hjælp af en basekatalysator. Hvis råmaterialet som f.eks. grøntsagsaffald af lav kvalitet med et højt indhold af frie fedtsyrer anvendes, kræves der imidlertid et kemisk forbehandlingstrin med esterificering ved hjælp af en syrekatatlyst. Ultralydbehandling og dens sonokemiske og sonomekaniske virkninger bidrager til begge reaktionstyper og øger effektiviteten af biodieselkonvertering dramatisk. Ultralydsbiodieselproduktion er betydeligt hurtigere end den konventionelle biodieselsyntese, resulterer i højere biodieseludbytte og kvalitet og sparer reagenser som methanol og katalysator.

Konvertering af biodiesel ved hjælp af Power Ultrasound

For biodiesel fremstilles fedtsyreestere ved transesterificering af vegetabilske olier såvel som af animalske fedtstoffer (f.eks. talg). Under transesterificeringsreaktionen erstattes glycerolkomponenten med en anden alkohol, såsom methanol. Råprodukter med et højt indhold af frie fedtsyrer, f.eks. vegetabilske affaldsolier (WVO), kræver en forbehandling med syreesterificering for at undgå sæbedannelse. Denne syrekatalyseproces er en meget langsom reaktion, når den udføres som konventionel batchmetode. Løsningen til at fremskynde den langsomme esterificeringsproces er anvendelsen af ultralyd. Sonikering opnår en betydelig forbedring i reaktionshastighed, konvertering og biodieseludbytte, da de sonokemiske virkninger af ultralyd med høj effekt fremmer og intensiverer syrekatalysen. Ultralydskavitation giver sonomekaniske kræfter, dvs. blanding med høj forskydning, samt sonokemisk energi. Disse begge typer ultralydspåvirkning (sonomekanisk og sonokemisk) gør den syrekatalyserede esterificering til en hurtig reaktion, der kræver mindre katalysator.

Hvordan fungerer ultralydsbiodieselkonvertering?

Ultralydbehandling mellem forskellige faser i transesterificeringen (også undertiden kaldet alkoholyse) og esterificering er baseret på forbedring af blanding samt på en øget varme- og masseoverførsel. Ultralydsblanding er baseret på princippet om akustisk kavitation, der opstår som et resultat af imploderende vakuumbobler i væsken. Akustisk kavitation er kendetegnet ved høje forskydningskræfter og turbulenser samt meget høje tryk- og temperaturforskelle. Disse kræfter fremmer den kemiske reaktion af transesterificering? esterificering og intensiverer masse- og varmeoverførsel og forbedrer derved reaktionen af biodieselkonvertering betydeligt.

Transesterificering af triglycerider til biodiesel (FAME) ved hjælp af sonikering resulterer i accelereret reaktion og betydeligt højere effektivitet.

Anvendelsen af ultralyd under biodieselkonvertering er videnskabeligt og industrielt bevist at forbedre proceseffektiviteten. Forbedringen i proceseffektiviteten kan tilskrives reduceret energiforbrug og driftsomkostninger og reduceret brug af alkohol (dvs. methanol), mindre katalysator og betydeligt forkortet reaktionstid. Energiomkostninger til opvarmning elimineres, da der ikke er krav om ekstern opvarmning. Derudover er faseadskillelsen mellem biodiesel og glycerol enklere med en kortere faseseparationstid. En vigtig faktor for kommerciel brug af ultralyd i biodieselproduktion er den enkle opskalering til enhver volumen, den pålidelige og sikre drift samt robustheden og pålideligheden af ultralydsudstyret (industriel standard, der er i stand til at køre kontinuerligt 24/7/365 under fuld belastning).

Ultralydsindustrielt system med flowcelle til inline biodieselesterificering og transesterificering.

Ultralydassisteret to-trins biodieselkonvertering ved anvendelse af syre- og basekatalyserede reaktionstrin

For råmaterialer med et højt FFA-indhold udføres biodieselproduktionen som syre- eller basekatalyseret reaktion i en to-trins proces. Ultralyd bidrager med to begge typer reaktioner, den syrekatalyserede esterificering samt den basekatalyserede transesterificering:

Syrekatalyseret esterificering ved hjælp af ultralyd

For at behandle et overskud af frie fedtsyrer i råmaterialet er der behov for esterificeringsprocessen. Svovlsyre bruges almindeligvis som syrekatalysator.

• Forbered råmateriale ved at filtrere og raffinere fra forurenende stoffer og vand.
• Katalysatoren, nemlig svovlsyre, opløses i methanol. Tilførsel af katalysator/methanol og råmaterialet gennem en varmeveksler og en statisk blander for at opnå en rå forblanding.
• Forblandingen af katalysator og råmateriale går direkte ind i ultralydsreaktionskammeret, hvor den ultrafine blanding og sonokemi træder i kraft, og de frie fedtsyrer omdannes til biodiesel.
• Til sidst afvandes produktet og føres til det andet trin – ultralydstransesterificeringen. Den sure våde methanol er efter genvinding, tørring og neutralisering klar til genbrug.
• For råprodukter med meget højt indhold af FFA kan det være nødvendigt med en recirkuleringsopsætning for at sænke FFA'en til et rimeligt niveau før transesterificeringstrinnet.

Esterificeringsreaktion ved hjælp af en syrekatalysator:
FFA + alkohol → ester + vand

Basekatalyseret transesterificering ved hjælp af ultralyd

Råmaterialet, som nu kun har små mængder FFA'er, kan føres direkte til transesterificeringsstadiet. Oftest anvendes natriumhydroxid eller kaliumhydroxid (NaOH, KOH) som basiskatalysator.

• Katalysatoren, nemlig kaliumhydroxid, opløses i methanol, og strømmene af katalysator/methanol og forbehandlet råmateriale føres gennem en statisk blander for at opnå en rå forblanding.
• Før forblandingen direkte ind i ultralydsreaktionskammeret til kavitationel blanding med høj forskydning og den sonokemiske behandling. Produkterne af denne reaktion er alkylestere (dvs. biodiesel) og glycerin. Glycerinen kan adskilles ved bundfældning eller centrifugering.
• Den ultralydsproducerede biodiesel er af høj kvalitet og fremstilles hurtigt, energieffektivt og omkostningseffektivt ved at spare metanol og katalysator.

Transesterificeringsreaktion ved hjælp af en basekatalysator:
Olie? fedt + alkohol → biodiesel + glycerol

Brug af methanol & Genvinding af methanol

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.
Methanol fjernes normalt, efter at biodiesel og glycerin er blevet adskilt i to lag, hvilket forhindrer reaktionsreversering. Metanolen renses og genbruges derefter tilbage til begyndelsen af processen. Ved at producere biodiesel via ultralydsdrevet esterificering og transesterificering er du i stand til at reducere dit methanolforbrug dramatisk og derved reducere det ublu høje energiforbrug til methanolgenvinding. Brugen af Hielscher ultralydsreaktorer reducerer den nødvendige mængde overskydende methanol med op til 50%. Et molærforhold mellem 1:4 eller 1:4,5 (olie: methanol) er tilstrækkeligt til de fleste råmaterialer, når du bruger Hielscher ultralydsblanding.

Ultralyd øget biodieselkonverteringseffektivitet – Videnskabeligt bevist

Talrige forskergrupper har undersøgt mekanismen og virkningerne af ultralydstransesterificering af biodiesel. For eksempel viste forskerholdet fra Sebayan Darwin, at ultralydskavitation øgede den kemiske aktivitet og reaktionshastighed, hvilket resulterede i en signifikant øget esterdannelse. Ultralydsteknikken reducerede transesterificeringsreaktionstiden til 5 minutter – i forhold til 2 timer til mekanisk omrøring. Omdannelse af triglycerid (TG) til FAME under ultralydbehandling opnået 95,6929% vægt med et methanol til olie molært forhold på 6: 1 og 1% vægt natriumhydroxid som katalysator. (jf. Darwin et al. 2010)

Mellemstore og store ultralydapparater til biodieselbehandling

Hielscher Ultrasonics’ Leverer små til mellemstore såvel som store industrielle ultralydsprocessorer til effektiv produktion af biodiesel i enhver mængde. Hielscher tilbyder ultralydssystem i enhver skala og kan tilbyde den ideelle løsning til både små producenter og store virksomheder. Ultralydsbiodieselkonvertering kan betjenes som batch eller som kontinuerlig inline-proces. Installationen og betjeningen er enkel, sikker og giver pålideligt høje output af overlegen biodieselkvalitet.
Nedenfor finder du anbefalede reaktoropsætninger til en række produktionshastigheder.