Biodieselproduktion mit überlegener Prozess- und Kosteneffizienz

Ultraschallmischen ist die überlegene Technologie für eine hocheffiziente und kostengünstige Biodieselproduktion. Ultraschallkavitation verbessert den Stofftransport erheblich und reduziert dadurch die Produktionskosten und die Verarbeitungsdauer. Gleichzeitig können minderwertige Öle und Fette (z. B. Altspeiseöle) eingesetzt und die Biodieselqualität verbessert werden. Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke, robuste Ultraschallmischreaktoren für jeden Produktionsmaßstab. Erfahren Sie mehr darüber, wie Ihre Biodieselproduktion von der Beschallung profitiert!

Vorteile von Ultraschall bei der Biodieselproduktion

Biodiesel (Fettsäuremethylester, abgekürzt FAME) entsteht durch die Umesterung eines Fettrohstoffs (Triglyceride, z. B. Pflanzenöl, gebrauchte Speiseöle, tierische Fette, Algenöl) mit Alkohol (Methanol, Ethanol) unter Verwendung eines Katalysators (z. B. Kaliumhydroxid KOH).
Das Problem: Bei der konventionellen Biodieselherstellung mit herkömmlichem Rühren führt die Unmischbarkeit der beiden Reaktanten Öl und Alkohol bei der Umesterung zu einer geringen Stofftransportrate und damit zu einer ineffizienten Biodieselproduktion. Diese Ineffizienz äußert sich in langen Reaktionszeiten, höheren molaren Methanol-Öl-Verhältnissen, einem hohen Katalysatorbedarf, hohen Prozesstemperaturen und hohen Rührgeschwindigkeiten. Diese Faktoren sind wesentliche Kostentreiber, die die konventionelle Biodieselherstellung zu einem teuren Verfahren machen.
Die Lösung: Ultraschallmischen emulgiert die Reaktanten hocheffizient, schnell und kostengünstig, sodass das Öl-Methanol-Verhältnis verbessert, der Katalysatorbedarf reduziert, die Reaktionszeit verkürzt und die Reaktionstemperatur gesenkt werden können. Dadurch werden Ressourcen (Chemikalien und Energie) sowie Zeit eingespart und die Verarbeitungskosten reduziert, während sich die Biodieselqualität und die Rentabilität der Produktion deutlich verbessern. Diese Vorteile machen Ultraschallmischen zur bevorzugten Technologie für eine effiziente Biodieselherstellung.
Forschungsergebnisse und industrielle Biodieselproduzenten bestätigen, dass Ultraschallmischen eine äußerst kostengünstige Methode zur Herstellung von Biodiesel ist, selbst wenn minderwertige Öle und Fette als Ausgangsstoffe verwendet werden. Die ultraschallgestützte Prozessintensivierung verbessert den Umsatz erheblich und reduziert den Einsatz von überschüssigem Methanol und Katalysator. Dadurch lässt sich Biodiesel herstellen, der den Qualitätsanforderungen der Spezifikationen ASTM D6751 und EN 14212 entspricht. (vgl. Abdullah et al., 2015)

Die Umesterung von Triglyceriden zu Biodiesel (FAME) mittels Beschallung beschleunigt die Reaktion und erhöht die Effizienz erheblich.

Zahlreiche Vorteile des Ultraschallmischens bei der Biodieselproduktion

Ultraschallmischreaktoren lassen sich problemlos in neue Anlagen integrieren und in bestehende Biodieselanlagen nachrüsten. Die Integration eines Ultraschallmischers von Hielscher macht jede Biodieselanlage zu einer leistungsstarken Produktionsanlage. Die einfache Installation, Robustheit und Benutzerfreundlichkeit (keine spezielle Schulung für die Bedienung erforderlich) ermöglichen die Aufrüstung jeder Anlage zu einer hocheffizienten Biodieselanlage. Im Folgenden stellen wir Ihnen wissenschaftlich belegte Ergebnisse zu den Vorteilen vor, die von unabhängigen Dritten dokumentiert wurden. Die Zahlen belegen die Überlegenheit des Ultraschallmischens bei der Biodieselherstellung gegenüber jeder konventionellen Rührtechnik.

Das Fließschema zeigt die Schritte der Biodieselproduktion einschließlich des Ultraschallmischens zur Verbesserung der Prozesseffizienz.

Effizienz- und Kostenvergleich: Ultraschall vs. mechanisches Rühren

Gholami et al. (2021) zeigen in ihrer Vergleichsstudie die Vorteile der ultraschallgestützten Umesterung gegenüber dem mechanischen Rühren (mit Blattrührern, Impellern und Hochschermischern).

Geringe Investitionskosten:
Der Ultraschallprozessor mit Reaktor UIP16000 kann auf einer Stellfläche von nur 1,2m x 0,6m 192–384 t Biodiesel/d produzieren. Im Vergleich dazu ist beim mechanischen Rühren (MS) aufgrund der langen Reaktionszeit ein wesentlich größerer Reaktor erforderlich, wodurch die Reaktorkosten erheblich steigen. (vgl. Gholami et al., 2020)
Geringe Verarbeitungskosten:
Die Verarbeitungskosten der ultraschallgestützten Biodieselproduktion liegen um 7,7% unter denen des Rührverfahrens, hauptsächlich aufgrund der geringeren Gesamtinvestition für das Beschallungsverfahren. Die Kosten für Chemikalien (Katalysator, Methanol/Alkohol) sind bei beiden Verfahren, der Beschallung und dem mechanischen Rühren, der drittgrößte Kostentreiber. Bei der ultraschallgestützten Umsetzung zu Biodiesel sind die Chemikalienkosten jedoch deutlich niedriger als beim mechanischen Rühren. Der Kostenanteil für Chemikalien beträgt etwa 5% der endgültigen Biodieselkosten. Aufgrund des geringeren Verbrauchs von Methanol, Natriumhydroxid und Phosphorsäure liegen die Chemikalienkosten beim ultraschallgestützten Biodieselprozess um 2,2% unter denen des mechanischen Rührverfahrens.

Reduzierte Energiekosten:
Der Energieverbrauch des Ultraschallmischreaktors beträgt etwa ein Drittel des Verbrauchs eines mechanischen Rührers. Diese erhebliche Verringerung des Energieverbrauchs ergibt sich aus der intensiven Mikromischung und der verkürzten Reaktionszeit, die durch die Entstehung und den Kollaps unzähliger Hohlräume bewirkt werden. Diese Vorgänge kennzeichnen das Phänomen der akustischen Kavitation beziehungsweise Ultraschallkavitation (Gholami et al., 2018). Darüber hinaus sinkt beim Ultraschallmischverfahren gegenüber dem konventionellen Rührverfahren der Energieverbrauch für die Methanolrückgewinnung um 26,5% und für die Biodieselreinigung um 1,3%. Dieser Rückgang ist auf die geringeren Methanolmengen zurückzuführen, die bei der ultraschallgestützten Umesterung in diese beiden Destillationskolonnen gelangen.

Deutlich reduzierte Abfallentsorgungskosten:
Die Ultraschallkavitationstechnologie reduziert auch die Kosten der Abfallentsorgung erheblich. Diese Kosten betragen beim Beschallungsverfahren etwa ein Fünftel der Kosten des Rührverfahrens. Dies ist auf die deutlich geringere Abfallmenge infolge des höheren Umsatzes im Reaktor und des geringeren Alkoholverbrauchs zurückzuführen.
Erfahren Sie mehr über die ultraschallgestützte Umwandlung von Ölen aus gebrauchtem Kaffeesatz zu Biodiesel!

Verbesserte Umweltverträglichkeit:
Aufgrund der sehr hohen Gesamteffizienz, des reduzierten Chemikalienverbrauchs, des geringeren Energiebedarfs und der geringeren Abfallmenge ist die ultraschallgestützte Biodieselproduktion deutlich umweltfreundlicher als konventionelle Verfahren zur Biodieselherstellung.

Fazit – Ultraschall verbessert die Effizienz der Biodieselproduktion

Die wissenschaftliche Bewertung zeigt die klaren Vorteile des Ultraschallmischens gegenüber dem konventionellen mechanischen Rühren bei der Biodieselproduktion. Die Vorteile der ultraschallgestützten Biodieselherstellung betreffen die Gesamtinvestition, die gesamten Produktkosten, den Kapitalwert und den internen Zinsfuß. Es wurde festgestellt, dass die Gesamtinvestition für das Ultraschallkavitationsverfahren etwa 20,8% niedriger ist als für das Vergleichsverfahren. Der Einsatz von Ultraschallreaktoren reduzierte die Produktkosten um 5,2% – bei Verwendung von nativem Rapsöl. Da die Beschallung auch die Verarbeitung gebrauchter Öle (z. B. gebrauchter Speiseöle) ermöglicht, lassen sich die Produktionskosten noch deutlich weiter senken. Gholami et al. (2021) kommen zu dem Schluss, dass das Ultraschallkavitationsverfahren aufgrund seines positiven Kapitalwerts die bessere Wahl der Mischtechnologie für die Biodieselproduktion ist.
Aus technischer Sicht zählen die hohe Prozesseffizienz und die Verkürzung der Reaktionszeit zu den wichtigsten Auswirkungen der Ultraschallkavitation. Die Entstehung und der Kollaps zahlreicher Vakuumblasen – bekannt als akustische Kavitation beziehungsweise Ultraschallkavitation – verkürzen die Reaktionszeit von mehreren Stunden im Rührkesselreaktor auf wenige Sekunden im Ultraschallkavitationsreaktor. Diese kurze Verweilzeit ermöglicht die Biodieselproduktion in einem Durchflussreaktor mit geringer Stellfläche. Der Ultraschallkavitationsreaktor wirkt sich auch positiv auf den Energie- und Materialbedarf aus: Er reduziert den Energieverbrauch auf nahezu ein Drittel des Verbrauchs eines Rührkesselreaktors und den Methanol- und Katalysatorverbrauch um 25%.
Aus wirtschaftlicher Sicht liegt die Gesamtinvestition für das Ultraschallkavitationsverfahren unter der des mechanischen Rührverfahrens. Dies ist hauptsächlich auf die um nahezu 50% geringeren Reaktorkosten und die um 11,6% geringeren Kosten der Methanoldestillationskolonne zurückzuführen. Das Ultraschallkavitationsverfahren senkt zudem die Biodieselproduktionskosten durch einen um 4% geringeren Rapsölverbrauch, eine niedrigere Gesamtinvestition, einen um 2,2% geringeren Chemikalienverbrauch und einen um 23,8% geringeren Bedarf an Betriebsmedien. Im Gegensatz zum mechanischen Rührverfahren ist die Ultraschallverarbeitung aufgrund ihres positiven Kapitalwerts, ihrer kürzeren Amortisationszeit und ihres höheren internen Zinsfußes eine wirtschaftlich tragfähige Investition. Zusätzlich zu den technisch-wirtschaftlichen Vorteilen des Ultraschallkavitationsverfahrens ist es umweltfreundlicher als das mechanische Rührverfahren. Ultraschallkavitation führt aufgrund des höheren Umsatzes im Reaktor und des geringeren Alkoholverbrauchs bei diesem Verfahren zu einer Reduzierung der Abfallströme um 80%. (vgl. Gholami et al., 2021)

Verwandeln Sie minderwertige Ausgangsstoffe in hochwertigen Biodiesel!

Die Beschallung ermöglicht es, minderwertige Ausgangsstoffe wie gebrauchte Pflanzenöle, gebrauchte Frittierfette, Talg oder Fischöle effektiver zu verarbeiten, da die Ultraschallkavitation einen wesentlich besseren Kontakt zwischen den nicht mischbaren Öl- und Alkoholphasen erzwingt. Dadurch werden sowohl die Mischung als auch die Wärme- und Stoffübertragung erheblich verbessert. Sie beschleunigt zudem die Reaktionskinetik, sodass selbst schwierige Ausgangsstoffe mit schwankenden Eigenschaften schneller und vollständiger umgesetzt werden können.
Akustische Kavitation intensiviert die Reaktionsbedingungen und kann die Bildung hochreaktiver Radikale fördern. Dies unterstützt zusätzlich eine schnelle Umesterung und hilft, die üblichen verfahrenstechnischen Nachteile minderwertiger Ausgangsstoffe zu überwinden.
Lesen Sie, wie die Beschallung Altöle und Altfette in Biodiesel umwandelt!

Verwenden Sie den Katalysator Ihrer Wahl

Die ultraschallgestützte Umesterung zur Biodieselherstellung hat sich mit alkalischen beziehungsweise basischen Katalysatoren als effizient erwiesen. Beispielsweise verglichen Shinde und Kaliaguine (2019) die Effizienz des Ultraschallmischens und des mechanischen Mischens mit einem Blattrührer unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, nämlich Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), (CH₃ONa), Tetramethylammoniumhydroxid und vier Guanidinen (Propyl-2,3-dicyclohexylguanidin (PCHG), 1,3-Dicyclohexyl-2-n-octylguanidin (DCOG), 1,1,3,3-Tetramethylguanidin (TMG), 1,3-Diphenylguanidin (DPG)). Ultraschallmischen (bei 35º) erwies sich bei der Biodieselproduktion als überlegen und übertraf das mechanische Mischen (bei 65º) durch höhere Ausbeuten und einen höheren Umsatz. Der effiziente Stofftransport im Ultraschallfeld erhöhte die Geschwindigkeit der Umesterungsreaktion im Vergleich zum mechanischen Rühren. Bei allen getesteten Katalysatoren war die Beschallung dem mechanischen Rühren überlegen. Die Durchführung der Umesterungsreaktion mittels Ultraschallkavitation ist eine energieeffiziente und industriell praktikable Alternative für die Biodieselproduktion. Neben den weit verbreiteten Katalysatoren KOH und NaOH erwiesen sich auch die beiden Guanidinkatalysatoren Propyl-2,3-dicyclohexylguanidin (PCHG) und 1,3-Dicyclohexyl-2-n-octylguanidin (DCOG) als interessante Alternativen für die Umsetzung zu Biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) untersuchten die ultraschallgestützte Biodieselsynthese aus Palmöl mit verschiedenen Alkalimetalloxid-Katalysatoren wie CaO, BaO und SrO. Die Aktivität des Katalysators bei der ultraschallgestützten Biodieselsynthese wurde mit dem traditionellen Magnetrührverfahren verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass das Ultraschallverfahren mit BaO innerhalb einer Reaktionszeit von 60 min eine Ausbeute von 95,2% erzielte, wofür das konventionelle Rührverfahren sonst 3–4 h benötigt. Bei der ultraschallgestützten Umesterung unter optimalen Bedingungen waren 60 min erforderlich, um eine Ausbeute von 95% zu erreichen, gegenüber 2–4 h beim konventionellen Rühren. Zudem stiegen die mit Ultraschall innerhalb von 60 min erzielten Ausbeuten bei Verwendung von CaO als Katalysator von 5,5% auf 77,3%, bei Verwendung von SrO von 48,2% auf 95,2% und bei Verwendung von BaO von 67,3% auf 95,2.

Biodieselproduktion mit verschiedenen Guanidinen (3% mol) als Katalysator. (A) Mechanisch gerührter Batchreaktor: (Methanol:Rapsöl) 4:1, Temperatur 65ºC; (B) Ultraschall-Batchreaktor: Ultraschallgerät UP200St, (Methanol:Rapsöl) 4:1, 60% Ultraschallamplitude, Temperatur 35ºC. Ultraschallmischen übertrifft mechanisches Rühren bei Weitem.
(Studie und Diagramme: Shinde und Kaliaguine, 2019)

Leistungsstarke Ultraschallreaktoren für eine überlegene Biodieselherstellung

Hielscher Ultrasonics bietet leistungsstarke Ultraschallprozessoren und -reaktoren für eine verbesserte Biodieselproduktion mit höheren Ausbeuten, verbesserter Qualität, kürzeren Verarbeitungszeiten und geringeren Produktionskosten.

Biodieselreaktoren für kleine und mittlere Produktionsmengen

Für die Biodieselproduktion im kleinen und mittleren Maßstab mit bis zu 9ton/hr (2900 gal/hr) bietet Ihnen Hielscher die Modelle UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1000 Watt), UIP1500hdT (1500 Watt) und UIP2000hdT (2000 Watt) als Ultraschall-Hochschermischer an. Diese vier Ultraschallreaktoren sind sehr kompakt und lassen sich leicht integrieren oder nachrüsten. Sie sind für den anspruchsvollen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt. Nachfolgend finden Sie empfohlene Reaktorkonfigurationen für unterschiedliche Produktionsraten.

Industrielle Biodieselreaktoren für sehr hohe Durchsätze

Für industrielle Biodieselproduktionsanlagen bietet Hielscher die Modelle UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) und UIP16000hdT (16kW) als Ultraschallhomogenisatoren an! Diese Ultraschallprozessoren sind für die kontinuierliche Verarbeitung hoher Volumenströme ausgelegt. Die Modelle UIP4000hdT, UIP6000hdT und UIP10000 lassen sich in Standard-Seefrachtcontainer integrieren. Alternativ sind alle vier Prozessormodelle in Edelstahlschränken erhältlich. Eine aufrechte Installation benötigt nur wenig Platz. Nachfolgend finden Sie empfohlene Konfigurationen für typische industrielle Verarbeitungsraten.