Effizienzsteigerung bei der Bioenergieproduktion mit Leistungsultraschall

Der Einsatz von hochintensivem Ultraschall (Beschallung) bei der Erzeugung erneuerbarer Energie stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Prozesseffizienz dar. Durch die Nutzung akustischer Kavitation verbessert die Ultraschalltechnologie den Stofftransport, schließt Zellstrukturen auf und beschleunigt chemische Reaktionen bei verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Biokraftstoffen, darunter Biodiesel, Bioethanol und Biogas.
Die Nachfrage nach erneuerbaren Kraftstoffen steigt, während die Ölpreise neue Höchststände erreichen. Der Einsatz von Ultraschalltechnologie bei der Herstellung umweltfreundlicher Kraftstoffe wie Biodiesel, Bioethanol und Biogas verbessert die technische und wirtschaftliche Effizienz.

Biodiesel aus Altpflanzenöl und tierischem Fett

Biodiesel ist ein erneuerbarer Kraftstoff, der in Dieselmotoren als Alternative zu Dieselkraftstoff aus Erdöl eingesetzt werden kann. Biodiesel wird durch Umesterung aus Ausgangsstoffen wie Pflanzenölen, tierischen Fetten oder Schmierfetten hergestellt. Am häufigsten werden Rohstoffe wie Soja-, Raps- oder Algenöl verwendet. Die Herstellung von Biodiesel umfasst die katalytische Reaktion mit Alkohol (Methanol oder Ethanol). Das Mischen von Öl, Fett oder Schmierfett mit dem Alkohol mittels Ultraschall verbessert die Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute erheblich. Dadurch sinken die Investitions- und Betriebskosten.

• Beschleunigte Umesterung: Die Beschallung verkürzt die Reaktionszeit bei der Biodieselherstellung erheblich, häufig von mehreren Stunden auf weniger als fünf Minuten.
• Verbesserte Trennung: Die Technologie verbessert die Abtrennung von Glycerin aus Biodiesel und verkürzt die Absetzzeiten von mehreren Stunden auf unter 15 Minuten.
• Höhere Ausbeuten: Die Ultraschallbehandlung kann Biodieselausbeuten von über 99% ermöglichen, indem sie eine gründliche Durchmischung der Reaktionspartner gewährleistet.

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Bioethanol aus Stärke und Zucker

Bioethanol wird als umweltfreundliche Alternative zu Benzin eingesetzt. Es wird durch Fermentation aus Mais, Weizen, Kartoffeln, Zuckerrohr, Reis und anderen Getreidearten hergestellt. Hefe wird eingesetzt, um die in diesen Pflanzen enthaltene Stärke und die Zucker zu Ethanol zu vergären. Der ultraschallgestützte Aufschluss von Zellstrukturen und die Extraktion intrazellulären Materials verringern die Partikelgröße und machen während der Verflüssigung eine wesentlich größere Oberfläche für Enzyme zugänglich. Dies verbessert die Bioverfügbarkeit von Stärke und Zucker und führt zu einer schnelleren und vollständigeren Fermentation, wodurch mehr Ethanol entsteht.
Die Bioethanolproduktion ist in hohem Maße auf den effizienten Abbau lignocellulosehaltiger Biomasse angewiesen, um fermentierbare Zucker freizusetzen. Ultraschall unterstützt diesen Prozess auf verschiedene Weise:

• Verbesserte Hydrolyse: Die Ultraschallvorbehandlung erleichtert die Zerkleinerung pflanzlicher Partikel und verbessert die Glucosefreisetzung aus Maissuspensionen in Ethanolanlagen mit Trockenmahlverfahren.
• Angeregte Fermentation: Es wurde nachgewiesen, dass Ultraschall die Ethanolproduktion bei der simultanen Verzuckerung und Fermentation (SSF) von Materialien wie gemischtem Büroaltpapier anregt.
• Extraktionseffizienz: Leistungsultraschall eignet sich zur wirksamen Extraktion aktiver Bestandteile wie Xylan und Heteroxylan aus Maiskolben und Maishüllen sowie zur Verbesserung der Ölextraktion aus Sojabohnen, wodurch umfassendere biobasierte Produktionsketten unterstützt werden.

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Biogas aus Abfällen und Schlamm

Kommunale organische Abfälle, Klärschlamm, Mist und Gülle dienen als Ausgangsstoffe für Biogas. Die Verarbeitung solcher Materialien in aeroben oder anaeroben Fermentern wandelt das organische Material in Biogas um. Der ultraschallgestützte Aufschluss des organischen Materials vor dem biologischen Abbau verändert die Materialstruktur und setzt Enzyme frei und aktiviert sie. Dies verbessert den Abbau des organischen Materials und führt zu einer schnelleren Verarbeitung, mehr Gas und weniger Restschlamm. Dadurch steigt wiederum die Kapazität bestehender Fermenter, und die Entsorgungskosten sinken.

Beim anaeroben Abbau wird die Ultraschallvorbehandlung zum Aufschluss von Biomasse (wie Überschussbelebtschlamm) eingesetzt, um die organische Substanz für Bakterien besser zugänglich zu machen.

• Höhere Biogasausbeute: Die Beschallung hat sich als wirksam erwiesen, um die kumulative Biogasproduktion zu steigern. Studien berichten von Steigerungen der Biogasproduktion um 26% bis 36% gegenüber unbehandeltem Schlamm.
• Verbesserter Feststoffabbau: Die Ultraschallbehandlung verbessert den Abbau organischer Feststoffe (VS). Beispielsweise kann der VS-Abbau je nach organischer Belastung und Energieeintrag von 30% auf 35% oder noch höher (bis zu 39%) steigen.
• Integration in die Abwasserbehandlung: Klärschlämme aus kommunalen und industriellen Kläranlagen sowie die Schlämme aus Biogasanlagen selbst können mit Ultraschallreaktoren effektiv behandelt werden, um den Stabilisierungs- und Energierückgewinnungsprozess zu optimieren.

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Der Ultraschallaufschluss von tierischem Wirtschaftsdünger vor dem anaeroben Abbau verbessert die Biogasausbeuten.

Energiebilanz der Ultraschallbehandlung

Die oben genannten Prozesse benötigen nur wenig Ultraschallenergie. Im Allgemeinen gleicht die durch die Beschallung zusätzlich gewonnene Energie die zur Erzeugung des Ultraschalls eingesetzte Energie aus. Die Ultraschallgeräte von Hielscher haben einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 85%. Das bedeutet, dass mehr als 85% der elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt und in die Flüssigkeit eingetragen werden. Der tatsächliche Energiebedarf eines Prozesses lässt sich im kleinen Maßstab mit einem 1kW-Ultraschallprozessor als Tischgerät bestimmen. Alle Ergebnisse solcher Versuche im Labormaßstab lassen sich problemlos auf größere Maßstäbe übertragen. Hielscher liefert weltweit industrielle Ultraschallanlagen. Mit industriellen Ultraschallhomogenisatoren mit einer Leistung von bis zu 16kW pro einzelnem Ultraschallgerät gibt es keine Begrenzung hinsichtlich der Anlagengröße oder Verarbeitungskapazität.