Biodieselproduktion mit überlegener Prozess- und Kosteneffizienz

Das Mischen mit Ultraschall ist die überlegene Technologie für eine hocheffiziente und kostengünstige Biodieselproduktion. Durch Ultraschallkavitation wird der Stoffaustausch drastisch verbessert, wodurch sich die Produktionskosten und die Verarbeitungsdauer verringern. Gleichzeitig können auch minderwertige Öle und Fette (z.B. Altspeiseöle und -fette) verwendet werden, wobei die Biodieselqualität verbessert wird. Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke, robuste Ultraschall-Mischreaktoren für jeden Produktionsmaßstab. Erfahren Sie mehr darüber, wie Ihre Biodieselproduktion von der Beschallung profitiert!

Vorteile der Biodieselproduktion mit Ultraschall

Biodiesel (Fettsäuremethylester, abgekürzt FAME) ist das Produkt einer Umesterungsreaktion von Fettrohstoffen (Triglyceride, z.B. Pflanzenöl, Altspeisefette, tierische Fette, Algenöl) und Alkohol (Methanol, Ethanol) unter Verwendung eines Katalysators (z.B. Kaliumhydroxid KOH).
Das Problem: Bei der herkömmlichen Biodieselproduktion mit konventionellen Rührern wird aufgrund der Unmischbarkeit der beiden Reaktanten Öl und Alkohol bei der Umesterungsreaktion nur ein sehr schlechter Stoffaustausch erreicht, was zu einer ineffizienten Umesterung führt. Diese Ineffizienz führt zu langen Reaktionszeiten, höherem Methanol-Öl-Molverhältnisse, hohem Katalysatorverbrauch, hohen Prozesstemperaturen sowie hohen Rührgeschwindigkeiten. Diese Faktoren sind wesentliche Kostentreiber und machen die konventionelle Biodieselherstellung zu einem teuren, ineffizienten Prozess.
Die Lösung: Beim Mischen mit Ultraschall werden die Reaktanten auf hocheffiziente, schnelle und kostengünstige Weise emulgiert, so dass das Öl-Methanol-Verhältnis verbessert werden kann, der Katalysatorbedarf verringert wird und die Reaktionszeit und -temperatur gesenkt werden. Dadurch werden Ressourcen (d.h. Chemikalien und Energie) sowie Zeit eingespart, die Verarbeitungskosten gesenkt und die Biodieselqualität sowie die Rentabilität der Produktion erheblich verbessert. Diese Tatsachen machen das Ultraschallmischen zur bevorzugten Technologie für eine effiziente Biodieselherstellung.
Sowohl Forschungsergebnisse als auch industrielle Biodieselhersteller bestätigen, dass das Ultraschallmischen eine äußerst kosteneffiziente Methode zur Herstellung von Biodiesel ist, selbst wenn Öle und Fette von schlechter Qualität als Ausgangsmaterial verwendet werden. Durch die ultraschall-gestützte Prozessintensivierung wird die Umwandlungsrate erheblich verbessert und der Einsatz von überschüssigem Methanol und Katalysator verringert, so dass Biodiesel hergestellt wird, der den Qualitätsstandards der Spezifikationen ASTM D6751 und EN 14212 entspricht. (vgl. Abdullah et al., 2015)

Die Umesterung von Triglyceriden zu Biodiesel (Fatty Acid Methyl Ester = FAME) unter Ultraschall führt zu einer beschleunigten Reaktion und einer deutlich höheren Effizienz.

Zahlreiche Vorteile des Ultraschallmischens bei der Biodieselproduktion

Ultraschall-Mischreaktoren lassen sich schnell und einfach in jede Neuanlage integrieren, aber auch problemlos in bestehende Biodieselanlagen nachrüsten. Durch die Integration eines Hielscher Ultraschallmischers wird jede Biodieselanlage zu einer leistungsstarken Produktionsanlage. Einfache Installation, Robustheit und Benutzerfreundlichkeit (keine spezielle Schulung für die Bedienung erforderlich) ermöglichen die Aufrüstung jeder Anlage zu einer hocheffizienten Biodieselanlage. Im Folgenden präsentieren wir Ihnen wissenschaftlich belegte Ergebnisse und Vorteile, welche von unabhängigen Dritten dokumentiert wurden. Die Zahlen belegen die Überlegenheit der Ultraschall-Biodieselmischung gegenüber jeder herkömmlichen Rührtechnik.

Das Flussdiagramm zeigt die Schritte der Biodieselproduktion einschließlich des ultraschall-gestützten Mischens zur Verbesserung der Prozesseffizienz.

Vergleich von Effizienz und Kosten: Ultraschall vs. mechanisches Rühren

Gholami et al. (2021) stellen in ihrer vergleichenden Studie die Vorteile der Umesterung mit Ultraschall gegenüber dem mechanischen Rühren (d.h. Schaufelmischer, Impeller, Mischer mit hoher Scherkraft) dar.
Investitionskosten: Der Ultraschallprozessor und -reaktor UIP16000 kann 192-384 t Biodiesel/Tag auf einer Grundfläche von nur 1,2 m x 0,6 m produzieren. Im Vergleich dazu ist für das mechanische Rühren (MS) aufgrund der langen Reaktionszeit im mechanischen Rührprozess ein viel größerer Reaktor erforderlich, wodurch die Reaktorkosten erheblich steigen. (vgl. Gholami et al., 2020)
Verarbeitungskosten: Die Verfahrenskosten für die Herstellung von Biodiesel mit Ultraschall sind um 7,7 % niedriger als die für das Rührverfahren, was hauptsächlich auf die geringeren Gesamtinvestitionen für das Beschallungsverfahren zurückzuführen ist. Die Kosten für Chemikalien (Katalysator, Methanol/Alkohol) sind bei beiden Verfahren - Beschallung und mechanisches Rühren - der drittgrößte Kostenfaktor. Bei der Biodieselumwandlung mit Ultraschall sind die Kosten für Chemikalien jedoch deutlich niedriger als beim mechanischen Rühren. Der Kostenanteil für Chemikalien macht ca. 5 % der endgültigen Biodieselkosten aus. Aufgrund des geringeren Verbrauchs von Methanol, Natriumhydroxid und Phosphorsäure sind die Kosten für Chemikalien beim Ultraschall-Biodieselverfahren 2,2 % niedriger als beim mechanischen Rührverfahren.
Energiekosten: Der Energieverbrauch des Ultraschall-Mischreaktors ist etwa dreimal niedriger wie der des mechanischen Rührers. Diese beträchtliche Verringerung des Energieverbrauchs ist auf die intensive Mikromischung und die verkürzte Reaktionszeit zurückzuführen, welche auf die Enstehung und Implosion unzähliger Kavitationsblasen zurückzuführen ist. Die Ultraschallkaviation is das Wirkprinzip, das dem Ultraschall-Mischen zugrunde liegt. (Gholami et al., 2018). Darüber hinaus wird der Energieverbrauch für die Methanolrückgewinnung und die Biodieselaufreinigung während des Ultraschallmischprozesses im Vergleich zum herkömmlichen Rührwerk um 26,5 % bzw. 1,3 % reduziert. Dieser Rückgang ist auf die geringeren Methanolmengen zurückzuführen, die bei der Ultraschallumesterung in diese Destillationskolonnen gelangen.
Kosten für die Abfallentsorgung: Die Ultraschallkavitationstechnologie reduziert auch die Kosten für die Abfallentsorgung erheblich. Diese Kosten betragen beim Beschallungsprozess nur etwa ein Fünftel der Kosten beim Rührprozess, was auf den erheblichen Rückgang der Abfallproduktion aufgrund des höheren Reaktorumsatzes und der geringeren Menge an verbrauchtem Alkohol zurückzuführen ist.
Umweltfreundlichkeit: Aufgrund des sehr hohen Gesamtwirkungsgrads, des geringeren Chemikalienverbrauchs, des niedrigeren Energiebedarfs und der geringeren Abfallmenge ist die Biodieselproduktion mit Ultraschall wesentlich umweltfreundlicher als herkömmliche Biodieselproduktionsverfahren.

Fazit – Ultraschall verbessert die Effizienz der Biodieselproduktion

Die wissenschaftliche Bewertung zeigt die eindeutigen Vorteile des Ultraschallmischens gegenüber dem herkömmlichen mechanischen Rühren bei der Biodieselproduktion. Zu den Vorteilen der Ultraschall-Biodieselverarbeitung gehören die geringeren Gesamtinvestitionskosten, die Gesamtproduktkosten, der Kapitalwert und der interne Zinsfuß. Es wurde festgestellt, dass die Gesamtinvestitionen für das Ultraschall-Kavitationsverfahren um etwa 20,8 % niedriger sind als für andere Verfahren. Der Einsatz von Ultraschallreaktoren senkte die Produktkosten um 5,2 % – unter Verwendung von nativem Rapsöl. Da bei der Beschallung auch gebrauchte Öle (z.B. Altspeisefette) verarbeitet werden können, lassen sich die Produktionskosten weiter deutlich senken. Gholami et al. (2021) kommen zu dem Schluss, dass das Ultraschall-Kavitationsverfahren aufgrund eines positiven Kapitalwerts die bessere Wahl der Mischtechnologie für die Biodieselproduktion ist.
Aus technischer Sicht bringt die Ultraschallkavitation deutlicheVorteile durch erhebliche Prozesseffizienz und die Verkürzung der Reaktionszeit. Die Bildung und das Kollabieren zahlreicher Vakuumblasen – bekannt als akustische bzw. Ultraschall-Kavitation – reduzieren die Reaktionszeit von mehreren Stunden im Rührkesselreaktor auf wenige Sekunden im Ultraschall-Kavitationsreaktor. Diese kurze Verweilzeit ermöglicht die Biodieselproduktion in einem Durchflussreaktor mit geringer Stellfläche. Der Ultraschall-Kavitationsreaktor wirkt sich auch vorteilhaft auf den Energie- und Materialbedarf aus, da der Energieverbrauch auf fast ein Drittel des Verbrauchs eines Rührkesselreaktors und der Methanol- und Katalysatorverbrauch um 25 % gesenkt wird.
Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Gesamtinvestition des Ultraschall-Kavitationsverfahrens niedriger als die des mechanischen Rührverfahrens, vor allem aufgrund der um fast 50 % bzw. 11,6 % geringeren Kosten für den Reaktor und die Methanoldestillationskolonne. Das Ultraschall-Kavitationsverfahren senkt auch die Biodieselproduktionskosten, da der Rapsölverbrauch um 4 %, die Gesamtinvestitionen, der Chemikalienverbrauch um 2,2 % und der Energiebedarf um 23,8 % gesenkt werden. Im Gegensatz zum mechanisch gerührten Verfahren ist das Ultraschallverfahren aufgrund des positiven Kapitalwerts, der kürzeren Amortisationszeit und des höheren internen Zinsfußes die bessere Investition. Zusätzlich zu den technisch-wirtschaftlichen Vorteilen, die mit dem Ultraschall-Kavitationsverfahren verbunden sind, ist es umweltfreundlicher als das mechanische Rührverfahren. Die Ultraschallkavitation führt zu einer 80-prozentigen Verringerung der Abfallströme aufgrund des höheren Umsatzes im Reaktor und des geringeren Alkoholverbrauchs bei diesem Verfahren. (vgl. Gholami et al., 2021)

Verwenden Sie den Katalysator Ihrer Wahl

Die Umesterung von Biodiesel mit Ultraschall hat sich sowohl unter Verwendung alkalischer als auch basischer Katalysatoren als effizient erwiesen. So verglichen Shinde und Kaliaguine (2019) die Effizienz eines Ultraschallhomogenisators und eines mechanischen Schaufelmischers (Impeller) 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)). Das Ultraschall-gestützte Mischen (bei 35º) erwies sich bei der Biodieselproduktion als deutlich überlegenere Methode und übertraf das mechanische Rühren (bei 65º) mit höheren Ausbeuten und besseren Umwandlungsraten. Die Effizienz des Stofftransfers im Ultraschallfeld erhöhte die Geschwindigkeit der Umesterungsreaktion im Vergleich zum mechanischen Rühren. Bei allen getesteten Katalysatoren übertraf die Ultraschallverarbeitung das mechanische Rühren. Die Durchführung der Umesterungsreaktion mit Ultraschallkavitation ist eine energieeffiziente und industriell nutzbare Alternative für die Biodieselproduktion. Neben den weit verbreiteten Katalysatoren KOH und NaOH haben sich auch die beiden Guanidin-Katalysatoren Propyl-2,3-dicyclohexylguanidin (PCHG) und 1,3-Dicyclohexyl-2-n-octylguanidin (DCOG) als interessante Alternativen für die Biodieselumwandlung erwiesen.
Mootabadi et al. (2010) untersuchten die ultraschall-gestützte Biodieselsynthese aus Palmöl unter Verwendung verschiedener Alkalimetalloxid-Katalysatoren wie CaO, BaO und SrO. Die Aktivität des Katalysators bei der ultraschall-gestützten Biodieselsynthese wurde mit dem herkömmlichen Magnetrührverfahren verglichen, und es wurde festgestellt, dass das Ultraschallverfahren mit BaO innerhalb von 60 Minuten Reaktionszeit eine Ausbeute von 95,2 % ergab, was beim herkömmlichen Rührverfahren 3-4 Stunden dauert. Bei der ultraschall-gestützten Umesterung wurden unter optimalen Bedingungen 60 Minuten benötigt, um eine Ausbeute von 95 % zu erreichen, im Vergleich zu 2-4 Stunden beim herkömmlichen Rühren. Auch die mit Ultraschall in 60 min erzielten Ausbeuten stiegen von 5,5 % auf 77,3 % bei Verwendung von CaO als Katalysator, von 48,2 % auf 95,2 % bei Verwendung von SrO als Katalysator und von 67,3 % auf 95,2 % bei Verwendung von BaO als Katalysator.

Biodieselherstellung unter Verwendung verschiedener Guanidine (3% mol) als Katalysator. (A) Batchreaktor mit mechanischem Rührer: (Methanol:Rapsöl) 4:1, Temperatur 65ºC; (B) Ultraschall-Batchreaktor: Ultraschallgerät UP200St(Methanol:Rapsöl) 4:1, 60% US-Amplitude, Temperatur 35ºC. Das ultraschallgesteuerte Mischen übertrifft das mechanische Rühren bei weitem.
(Studie und Diagramme: Shinde und Kaliaguine, 2019)

Hochleistungs-Ultraschallreaktoren für die Produktion von Biodiesel auf höchstem Niveau

Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungs-Ultraschall-Prozessoren und -Reaktoren für eine verbesserte Biodieselproduktion, die zu höheren Erträgen, besserer Qualität, kürzerer Verarbeitungszeit und niedrigeren Produktionskosten führt.

Kleine und mittelgroße Biodiesel-Reaktoren

Für die kleine und mittlere Biodieselproduktion von bis zu 9 Tonnen/Stunde (2900 Gallonen/Stunde) bietet Ihnen Hielscher die Ultraschall-HighShear-Mischer-Modelle UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1000 Watt), UIP1500hdT (1500 Watt) und UIP2000hdT (2000 Watt) Ultraschall-High-Shear-Mixer-Modelle. Diese vier Ultraschallreaktoren sind sehr kompakt, leicht zu integrieren oder nachzurüsten. Sie sind für den Hochleistungsbetrieb in rauen Umgebungen ausgelegt. Nachstehend finden Sie empfohlene Reaktoraufbauten für eine Reihe von Produktionsraten.

Industrielle Biodiesel-Reaktoren für sehr großen Durchsatz

Für die industrielle Verarbeitung von Biodiesel-Produktionsanlagen bietet Hielscher die Ultraschall-Homogenisatoren UIP4000hdT (4kW)UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) und UIP16000hdT (16kW) . Diese Ultraschallprozessoren sind für die kontinuierliche Verarbeitung von hohen Durchflussmengen konzipiert. Der UIP4000hdT, UIP6000hdT und UIP10000 können in Standard-Seefrachtcontainer integriert werden. Alternativ dazu sind alle vier Prozessormodelle in Edelstahlschränken erhältlich. Eine aufrechte Installation erfordert nur minimalen Platz. Nachstehend finden Sie empfohlene Aufstellungen für typische industrielle Verarbeitungsraten.