Biodieselproduktion med overlegen proces- og omkostningseffektivitet

Ultralydsblanding er den overlegne teknologi til højeffektiv og omkostningseffektiv biodieselproduktion. Ultralydskavitation forbedrer masseoverførslen drastisk og reducerer dermed produktionsomkostningerne og behandlingstiden. Samtidig kan olier og fedtstoffer af dårlig kvalitet (f.eks. spildolier) anvendes, og biodieselkvaliteten forbedres. Hielscher Ultrasonics leverer højtydende, robuste ultralydsblandereaktorer til enhver produktionsskala. Læs mere om, hvordan din biodieselproduktion får gavn af sonikering!

Fordele ved at anvende ultralyd i biodieselproduktion

Biodiesel (fedtsyremethylester, forkortet FAME) er produktet af en transesterificeringsreaktion mellem en lipidråvare (triglycerider, f.eks. vegetabilsk olie, brugte madolier, animalske fedtstoffer, algeolie) og alkohol (methanol, ethanol) med anvendelse af en katalysator (f.eks. kaliumhydroxid KOH).
Problemet: Ved konventionel biodieselomdannelse med konventionel omrøring medfører de to reaktanters manglende blandbarhed i transesterificeringsreaktionen mellem olie og alkohol en lav masseoverførselshastighed, hvilket resulterer i en ineffektiv biodieselproduktion. Denne ineffektivitet er kendetegnet ved lange reaktionstider, højere molforhold mellem methanol og olie, stort katalysatorbehov, høje procestemperaturer og høje omrøringshastigheder. Disse faktorer er væsentlige omkostningsdrivere, som gør konventionel biodieselfremstilling til en dyr proces.
Løsningen: Ultralydsblanding emulgerer reaktanterne på en højeffektiv, hurtig og billig måde, så forholdet mellem olie og methanol kan forbedres, katalysatorbehovet reduceres, og reaktionstiden og reaktionstemperaturen sænkes. Dermed spares både ressourcer (dvs. kemikalier og energi) og tid, behandlingsomkostningerne reduceres, mens biodieselkvaliteten og produktionens rentabilitet forbedres betydeligt. Disse forhold gør ultralydsblanding til den foretrukne teknologi til effektiv biodieselfremstilling.
Forskning og industrielle biodieselproducenter bekræfter, at ultralydsblanding er en meget omkostningseffektiv måde at fremstille biodiesel på, selv når olier og fedtstoffer af dårlig kvalitet anvendes som råmateriale. Procesintensivering med ultralyd forbedrer omdannelsesgraden betydeligt og reducerer anvendelsen af overskydende methanol og katalysator, hvilket gør det muligt at fremstille biodiesel, der opfylder kvalitetsstandarden i specifikationerne ASTM D6751 og EN 14212. (jf. Abdullah et al., 2015)

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

Talrige fordele ved ultralydsblanding i biodieselproduktion

Ultralydsblandereaktorer kan nemt integreres i enhver ny installation og eftermonteres i eksisterende biodieselanlæg. Integrationen af en ultralydsblander fra Hielscher gør ethvert biodieselanlæg til et højtydende produktionsanlæg. Enkel installation, robusthed og brugervenlighed (ingen særlig oplæring i betjening påkrævet) gør det muligt at opgradere ethvert anlæg til et højeffektivt biodieselanlæg. Nedenfor præsenterer vi videnskabeligt dokumenterede resultater af fordele, der er dokumenteret af uafhængige tredjeparter. Tallene beviser, at ultralydsblanding til biodiesel er overlegen i forhold til enhver konventionel omrøringsteknik.

Flowdiagrammet viser trinene i biodieselproduktionen, herunder ultralydsblanding til forbedret proceseffektivitet.

Sammenligning af effektivitet og omkostninger: ultralyd kontra mekanisk omrøring

Gholami et al. (2021) præsenterer i deres sammenlignende undersøgelse fordelene ved transesterificering med ultralyd frem for mekanisk omrøring (dvs. bladblander, impeller, blander med høj forskydning).

Lave investeringsomkostninger:
Ultralydsprocessoren og reaktoren UIP16000 kan producere 192–384 t biodiesel/d med et arealbehov på kun 1,2m x 0,6m. Til sammenligning kræves en meget større reaktor til mekanisk omrøring (MS) på grund af den lange reaktionstid i den mekaniske omrøringsproces, hvilket får reaktoromkostningerne til at stige betydeligt. (jf. Gholami et al., 2020)
Lave behandlingsomkostninger:
Behandlingsomkostningerne ved biodieselproduktion med ultralyd er 7,7% lavere end ved omrøringsprocessen, hovedsageligt på grund af den lavere samlede investering i sonikeringsprocessen. Omkostningerne til kemikalier (katalysator, methanol/alkohol) er den tredjestørste omkostningsdriver i begge processer, sonikering og mekanisk omrøring. Ved biodieselomdannelse med ultralyd er kemikalieomkostningerne dog betydeligt lavere end ved mekanisk omrøring. Kemikaliernes omkostningsandel udgør ca. 5% af de endelige biodieselomkostninger. På grund af det lavere forbrug af methanol, natriumhydroxid og fosforsyre er kemikalieomkostningerne i biodieselprocessen med ultralyd 2,2% lavere end i den mekaniske omrøringsproces.

Reducerede energiomkostninger:
Ultralydsblandereaktorens energiforbrug er cirka en tredjedel af den mekaniske omrørers. Denne betydelige reduktion i energiforbruget skyldes den intense mikroblanding og den reducerede reaktionstid, der følger af dannelsen og kollapset af utallige kaviteter, som kendetegner fænomenet akustisk kavitation / ultralydskavitation (Gholami et al., 2018). Desuden reduceres energiforbruget til henholdsvis methanolgenvinding og biodieselrensning under ultralydsblandingsprocessen med 26,5% og 1,3% sammenlignet med den konventionelle omrører. Dette fald skyldes de mindre mængder methanol, der tilføres disse to destillationskolonner i transesterificeringsprocessen med ultralyd.

Kraftigt reducerede omkostninger til affaldsbortskaffelse:
Ultralydskavitationsteknologi reducerer også omkostningerne til affaldsbortskaffelse markant. Disse omkostninger i sonikeringsprocessen er omtrent en femtedel af omkostningerne i omrøringsprocessen, hvilket skyldes det betydelige fald i affaldsdannelsen som følge af højere omdannelsesgrad i reaktoren og mindre alkoholforbrug.
Læs mere om biodieselomdannelse med ultralyd af olier fra brugt kaffegrums!

Forbedret miljøvenlighed:
På grund af den meget høje samlede effektivitet, det reducerede kemikalieforbrug, det lavere energibehov og de reducerede affaldsmængder er biodieselproduktion med ultralyd betydeligt mere miljøvenlig end konventionelle processer til biodieselfremstilling.

Konklusion – ultralyd forbedrer biodieselproduktionens effektivitet

Den videnskabelige vurdering viser de klare fordele ved ultralydsblanding frem for konventionel mekanisk omrøring til biodieselproduktion. Fordelene ved biodieselbehandling med ultralyd omfatter den samlede kapitalinvestering, de samlede produktomkostninger, nettonutidsværdien og den interne rente. Den samlede investering i ultralydskavitationsprocessen viste sig at være cirka 20,8% lavere end i den anden proces. Anvendelse af ultralydsreaktorer reducerede produktomkostningerne med 5,2% – ved anvendelse af ny canolaolie. Da sonikering også gør det muligt at behandle brugte olier (f.eks. brugte madolier), kan produktionsomkostningerne reduceres betydeligt yderligere. Gholami et al. (2021) konkluderer, at ultralydskavitationsprocessen på grund af en positiv nettonutidsværdi er det bedre valg af blandingsteknologi til biodieselproduktion.
Fra et teknisk synspunkt omfatter de vigtigste virkninger af ultralydskavitation den betydelige proceseffektivitet og reduktionen i reaktionstid. Dannelsen og kollapset af talrige vakuumbobler – kendt som akustisk kavitation / ultralydskavitation – reducerer reaktionstiden fra flere timer i tankreaktoren med omrøring til få sekunder i ultralydskavitationsreaktoren. Denne korte opholdstid muliggør biodieselproduktion i en gennemstrømningsreaktor med et lille arealbehov. Ultralydskavitationsreaktoren har også gavnlige virkninger på energi- og materialebehovet, idet den reducerer energiforbruget til næsten en tredjedel af forbruget i en tankreaktor med omrøring og reducerer methanol- og katalysatorforbruget med 25%.
Fra et økonomisk perspektiv er den samlede investering i ultralydskavitationsprocessen lavere end i den mekaniske omrøringsproces, hovedsageligt på grund af en reduktion på henholdsvis næsten 50% og 11,6% i omkostningerne til reaktoren og methanoldestillationskolonnen. Ultralydskavitationsprocessen reducerer også biodieselproduktionsomkostningerne som følge af en reduktion på 4% i forbruget af canolaolie, en lavere samlet investering, 2,2% lavere kemikalieforbrug og 23,8% lavere behov for forsyninger. I modsætning til processen med mekanisk omrøring er ultralydsbehandling en acceptabel investering på grund af dens positive nettonutidsværdi, kortere tilbagebetalingstid og højere interne rente. Ud over de teknisk-økonomiske fordele ved ultralydskavitationsprocessen er den mere miljøvenlig end den mekaniske omrøringsproces. Ultralydskavitation resulterer i en reduktion på 80% i affaldsstrømmene på grund af den højere omdannelsesgrad i reaktoren og det reducerede alkoholforbrug i denne proces. (jf. Gholami et al., 2021)

Omdan råmaterialer af lav kvalitet til biodiesel af førsteklasses kvalitet!

Sonikering gør det muligt at behandle råmaterialer af dårlig kvalitet, såsom brugte vegetabilske olier, brugte friturefedtstoffer, talg eller fiskeolier, mere effektivt, fordi ultralydskavitation fremtvinger langt bedre kontakt mellem de ikke-blandbare olie- og alkoholfaser og derved forbedrer både blandingen og varme- og masseoverførslen kraftigt. Den accelererer også reaktionskinetikken, så selv vanskelige råmaterialer med varierende egenskaber kan omdannes hurtigere og mere fuldstændigt.
Akustisk kavitation intensiverer reaktionsmiljøet og kan fremme dannelsen af meget reaktive radikaler, hvilket yderligere understøtter hurtig transesterificering og hjælper med at overvinde de sædvanlige procesmæssige ulemper ved råmaterialer af lav kvalitet.
Læs, hvordan sonikering omdanner spildolier og affaldsfedtstoffer til biodiesel!

Brug den katalysator, du foretrækker

Transesterificeringsprocessen med ultralyd til biodiesel har vist sig at være effektiv med både alkaliske og basiske katalysatorer. For eksempel sammenlignede Shinde og Kaliaguine (2019) effektiviteten af ultralydsblanding og mekanisk bladblanding med forskellige katalysatorer, nemlig natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH), (CH₃ONa), tetramethylammoniumhydroxid og fire guanidiner (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine(TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Ultralydsblanding (ved 35º) viste sig at være overlegen til biodieselproduktion og overgik mekanisk blanding (ved 65º) med højere udbytter og omdannelsesgrad. Den effektive masseoverførsel i ultralydsfeltet øgede transesterificeringsreaktionens hastighed sammenlignet med mekanisk omrøring. Sonikering overgik mekanisk omrøring for alle testede katalysatorer. Gennemførelse af transesterificeringsreaktionen med ultralydskavitation er et energieffektivt og industrielt anvendeligt alternativ til biodieselproduktion. Ud over de meget anvendte katalysatorer KOH og NaOH har de to guanidinkatalysatorer, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) og 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), begge vist sig at være interessante alternativer til biodieselomdannelse.
Mootabadi et al. (2010) undersøgte ultralydsassisteret biodieselsyntese fra palmeolie med forskellige alkalimetaloxidkatalysatorer såsom CaO, BaO og SrO. Katalysatorens aktivitet i ultralydsassisteret biodieselsyntese blev sammenlignet med den traditionelle magnetiske omrøringsproces, og det blev konstateret, at ultralydsprocessen gav et udbytte på 95,2% med BaO inden for en reaktionstid på 60 min, hvilket ellers tager 3–4 h i den konventionelle omrøringsproces. Ved ultralydsassisteret transesterificering under optimale betingelser krævedes 60 min for at opnå et udbytte på 95% sammenlignet med 2–4 h med konventionel omrøring. Desuden steg de udbytter, der blev opnået med ultralyd på 60 min, fra 5,5% til 77,3% med CaO som katalysator, fra 48,2% til 95,2% med SrO som katalysator og fra 67,3% til 95,2 med BaO som katalysator.

Biodieselproduktion med forskellige guanidiner (3% mol) som katalysator. (A) Batchreaktor med mekanisk omrøring: (methanol:canolaolie) 4:1, temperatur 65ºC; (B) Ultralydsbatchreaktor: ultralydsapparat UP200St, (methanol:canolaolie) 4:1, 60% ultralydsamplitude, temperatur 35ºC. Ultralydsdrevet blanding overgår mekanisk omrøring langt.
(Undersøgelse og grafer: Shinde og Kaliaguine, 2019)

Højtydende ultralydsreaktorer til overlegen biodieselbehandling

Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende ultralydsprocessorer og -reaktorer til forbedret biodieselproduktion, der resulterer i højere udbytter, forbedret kvalitet, reduceret behandlingstid og lavere produktionsomkostninger.

Biodieselreaktorer til lille og mellemstor skala

Til biodieselproduktion i lille og mellemstor skala på op til 9ton/hr (2900 gal/hr) tilbyder Hielscher dig UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) og UIP2000hdT (2000 watt) som ultralydsblandermodeller med høj forskydning. Disse fire ultralydsreaktorer er meget kompakte og nemme at integrere eller eftermontere. De er bygget til krævende drift i barske miljøer. Nedenfor finder du anbefalede reaktoropstillinger til en række produktionshastigheder.

Industrielle biodieselreaktorer med meget stor gennemstrømningskapacitet

Til biodieselproduktionsanlæg med industriel behandling tilbyder Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) og UIP16000hdT (16kW) ultralydshomogenisatorer! Disse ultralydsprocessorer er designet til kontinuerlig behandling ved høje flowhastigheder. UIP4000hdT, UIP6000hdT og UIP10000 kan integreres i standardcontainere til søfragt. Alternativt fås alle fire processormodeller i skabe af rustfrit stål. En opretstående installation kræver minimal plads. Nedenfor finder du anbefalede opstillinger til typiske industrielle behandlingshastigheder.