Βιοντίζελ μέσω υπερήχων βελτιωμένη (trans-) εστεροποίηση
Το βιοντίζελ συντίθεται μέσω μετεστεροποίησης χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη βάσης. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιείται η πρώτη ύλη, όπως χαμηλής ποιότητας απόβλητα λαχανικών με υψηλή περιεκτικότητα σε ελεύθερα λιπαρά οξέα, απαιτείται χημικό στάδιο προεπεξεργασίας εστεροποίησης με χρήση όξινου καταλυτή. Υπερήχους και sonochemical και sonomechanical επιδράσεις συμβάλλουν και στους δύο τύπους αντίδρασης και αυξάνουν δραματικά την αποτελεσματικότητα της μετατροπής βιοντίζελ. Η παραγωγή βιοντίζελ υπερήχων είναι σημαντικά ταχύτερη από τη συμβατική σύνθεση βιοντίζελ, οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση και ποιότητα βιοντίζελ και εξοικονομεί αντιδραστήρια όπως μεθανόλη και καταλύτη.
Μετατροπή βιοντίζελ με χρήση υπερήχων ισχύος
Για το βιοντίζελ, οι εστέρες λιπαρών οξέων παράγονται με μετεστεροποίηση φυτικών ελαίων καθώς και ζωικών λιπών (π.χ. ζωικού λίπους). Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης μετεστεροποίησης, το συστατικό γλυκερόλης αντικαθίσταται από άλλη αλκοόλη, όπως μεθανόλη. Οι πρώτες ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε ελεύθερα λιπαρά οξέα, π.χ. απόβλητα φυτικά έλαια (WVO), απαιτούν προεπεξεργασία της εστεροποίησης οξέων προκειμένου να αποφευχθεί ο σχηματισμός σαπουνιού. Αυτή η διαδικασία όξινης κατάλυσης είναι μια πολύ αργή αντίδραση, όταν διεξάγεται ως συμβατική μέθοδος παρτίδας. Η λύση για την επιτάχυνση της αργής διαδικασίας εστεροποίησης είναι η εφαρμογή υπερήχων ισχύος. Κατεργασία με υπερήχους επιτυγχάνει σημαντική βελτίωση στην ταχύτητα αντίδρασης, μετατροπή και απόδοση βιοντίζελ καθώς οι sonochemical επιδράσεις των υπερήχων υψηλής ισχύος προάγουν και εντείνουν την όξινη κατάλυση. Υπερήχων σπηλαίωση παρέχει sonomechanical δυνάμεις, δηλαδή υψηλής διάτμησης ανάμειξη, καθώς και sonochemical ενέργεια. Αυτοί οι δύο τύποι υπερηχητικής κρούσης (sonomechanical και sonochemical) μετατρέπουν την εστεροποίηση που καταλύεται από οξύ σε μια γρήγορη αντίδραση που απαιτεί λιγότερο καταλύτη.
Πώς λειτουργεί η μετατροπή βιοντίζελ υπερήχων?
Υπερήχους μεταξύ διαφορετικών φάσεων στην μετεστεροποίηση (επίσης μερικές φορές ονομάζεται αλκοολίτιδα ) και εστεροποίηση βασίζεται στην ενίσχυση της ανάμειξης, καθώς και σε αυξημένη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Η υπερηχητική ανάμειξη βασίζεται στην αρχή της ακουστικής σπηλαίωσης, η οποία συμβαίνει ως αποτέλεσμα της κατάρρευσης φυσαλίδων κενού στο υγρό. Η ακουστική σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από δυνάμεις υψηλής διάτμησης και αναταράξεις, καθώς και από πολύ υψηλές διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας. Αυτές οι δυνάμεις προάγουν τη χημική αντίδραση μετεστεροποίησης / εστεροποίησης και εντείνουν τη μεταφορά μάζας και θερμότητας, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την αντίδραση μετατροπής βιοντίζελ.
Η εφαρμογή των υπερήχων κατά τη μετατροπή βιοντίζελ έχει αποδειχθεί επιστημονικά και βιομηχανικά ότι βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας. Η βελτίωση της αποδοτικότητας της διαδικασίας μπορεί να αποδοθεί στη μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και στο λειτουργικό κόστος, καθώς και στη μειωμένη χρήση αλκοόλης (δηλαδή μεθανόλης), λιγότερου καταλύτη και σημαντικά μειωμένου χρόνου αντίδρασης. Το ενεργειακό κόστος για θέρμανση εξαλείφεται αφού δεν υπάρχει απαίτηση για εξωτερική θέρμανση. Επιπλέον, ο διαχωρισμός φάσης μεταξύ βιοντίζελ και γλυκερόλης είναι απλούστερος με μικρότερο χρόνο διαχωρισμού φάσης. Ένας σημαντικός παράγοντας για την εμπορική χρήση των υπερήχων στην παραγωγή βιοντίζελ είναι η απλή κλιμάκωση σε οποιοδήποτε όγκο, η αξιόπιστη και ασφαλής λειτουργία, καθώς και η ευρωστία και η αξιοπιστία του εξοπλισμού υπερήχων (βιομηχανικό πρότυπο, ικανό να λειτουργεί συνεχώς 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 υπό πλήρες φορτίο).
Υπερήχων υποβοηθούμενη μετατροπή βιοντίζελ δύο βημάτων εφαρμόζοντας βήματα αντίδρασης που καταλύονται από οξύ και βάση
Για πρώτες ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε FFA, η παραγωγή βιοντίζελ πραγματοποιείται ως όξινη ή καταλυόμενη από βάση αντίδραση σε μια διαδικασία δύο σταδίων. Ο υπέρηχος συμβάλλει σε δύο και τους δύο τύπους αντιδράσεων, την εστεροποίηση που καταλύεται με οξύ καθώς και τη μετεστεροποίηση που καταλύεται από τη βάση:
Εστεροποίηση με χρήση υπερήχων
Για τη θεραπεία μιας περίσσειας ελεύθερων λιπαρών οξέων στην πρώτη ύλη, απαιτείται η διαδικασία εστεροποίησης. Το θειικό οξύ χρησιμοποιείται συνήθως ως όξινος καταλύτης.
- Προετοιμάστε την πρώτη ύλη φιλτράροντας και εξευγενίζοντας από ρύπους και νερό.
- Διαλύεται ο καταλύτης, δηλαδή το θειικό οξύ, σε μεθανόλη. Ρεύμα τροφοδοσίας καταλύτη/μεθανόλης και της πρώτης ύλης μέσω εναλλάκτη θερμότητας και στατικού αναμικτήρα για τη λήψη ακατέργαστου προμείγματος.
- Το προ-μίγμα καταλύτη και πρώτης ύλης πηγαίνει απευθείας στο θάλαμο αντίδρασης υπερήχων, όπου η εξαιρετικά λεπτή ανάμειξη και sonochemistry τίθενται σε ισχύ και τα ελεύθερα λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε βιοντίζελ.
- Τέλος, αφυδατώστε το προϊόν και τροφοδοτήστε το στο δεύτερο στάδιο – την υπερηχητική μετεστεροποίηση. Η όξινη υγρή μεθανόλη είναι μετά την ανάκτηση, ξήρανση και εξουδετέρωση έτοιμη για επαναχρησιμοποίηση.
- Για πολύ υψηλά FFA που περιέχουν πρώτες ύλες, μπορεί να απαιτείται μια ρύθμιση ανακυκλοφορίας για να μειωθεί το FFA σε λογικό επίπεδο πριν από το βήμα μετεστεροποίησης.
Αντίδραση εστεροποίησης με όξινο καταλύτη:
FFA + Αλκοόλη → Εστέρας + Νερό
TBase-Catalyzed Μετεστεροποίηση με χρήση Υπερήχων
Η πρώτη ύλη, η οποία τώρα έχει μόνο μικρές ποσότητες ελεύθερων λιπαρών οξέων, μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας στο στάδιο της μετεστεροποίησης. Συνηθέστερα υδροξείδιο του νατρίου ή υδροξείδιο του καλίου (NaOH, KOH) χρησιμοποιείται ως καταλύτης βάσης.
- Διαλύεται ο καταλύτης, δηλαδή το υδροξείδιο του καλίου, σε μεθανόλη και τροφοδοτούνται τα ρεύματα καταλύτη/μεθανόλης και προεπεξεργασμένης πρώτης ύλης μέσω στατικού αναμικτήρα για να ληφθεί ακατέργαστο προμείγμα.
- Τροφοδοτήστε το προ-μίγμα απευθείας στο θάλαμο αντίδρασης υπερήχων για την ανάμιξη υψηλής διάτμησης και τη sonochemical επεξεργασία. Τα προϊόντα αυτής της αντίδρασης είναι αλκυλεστέρες (δηλαδή βιοντίζελ) και γλυκερίνη. Η γλυκερίνη μπορεί να διαχωριστεί με καθίζηση ή φυγοκέντρηση.
- Το υπερηχητικά παραγόμενο βιοντίζελ είναι υψηλής ποιότητας και κατασκευάζεται γρήγορα, ενεργειακά αποδοτικά και οικονομικά αποδοτικά εξοικονομώντας μεθανόλη και καταλύτη.
Αντίδραση μετεστεροποίησης με χρήση καταλύτη βάσης:
Λάδι / Λίπος + Αλκοόλ → Βιοντίζελ + Γλυκερόλη
Χρήση μεθανόλης & Ανάκτηση μεθανόλης
Η μεθανόλη αποτελεί βασικό συστατικό κατά την παραγωγή βιοντίζελ. Η μετατροπή βιοντίζελ με υπερήχους επιτρέπει σημαντικά μειωμένη χρήση μεθανόλης. Εάν τώρα σκέφτεστε "Δεν με νοιάζει η χρήση μεθανόλης, αφού την ανακτώ ούτως ή άλλως", μπορείτε να ξανασκεφτείτε και να εξετάσετε το υπερβολικό υψηλό ενεργειακό κόστος που ισχύει για το στάδιο εξάτμισης (π.χ. χρησιμοποιώντας μια στήλη απόσταξης), το οποίο είναι απαραίτητο για τον διαχωρισμό και την ανακύκλωση της μεθανόλης.
Η μεθανόλη συνήθως απομακρύνεται αφού το βιοντίζελ και η γλυκερίνη έχουν διαχωριστεί σε δύο στρώματα, αποτρέποντας την αντιστροφή της αντίδρασης. Η μεθανόλη στη συνέχεια καθαρίζεται και ανακυκλώνεται πίσω στην αρχή της διαδικασίας. Παραγωγή βιοντίζελ μέσω υπερήχων οδηγείται εστεροποίηση και μετεστεροποίηση, είστε σε θέση να μειώσετε δραματικά τη χρήση μεθανόλης, μειώνοντας έτσι την υπερβολική υψηλή ενεργειακή δαπάνη για την ανάκτηση μεθανόλης. Η χρήση των αντιδραστήρων υπερήχων Hielscher μειώνει την απαιτούμενη ποσότητα περίσσειας μεθανόλης έως και 50%. Μια μοριακή αναλογία μεταξύ 1: 4 ή 1: 4.5 (πετρέλαιο: μεθανόλη) είναι επαρκής για τις περισσότερες πρώτες ύλες, όταν χρησιμοποιείτε Hielscher υπερήχων ανάμειξη.
Υπερήχων αυξημένη αποδοτικότητα μετατροπής βιοντίζελ – επιστημονικά αποδεδειγμένο
Πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες έχουν διερευνήσει τον μηχανισμό και τις επιπτώσεις της υπερηχητικής μετεστεροποίησης του βιοντίζελ. Για παράδειγμα, η ερευνητική ομάδα του Sebayan Darwin απέδειξε ότι η υπερηχητική σπηλαίωση αύξησε τη χημική δραστηριότητα και το ρυθμό αντίδρασης με αποτέλεσμα ένα σημαντικά αυξημένο σχηματισμό εστέρα. Η τεχνική υπερήχων μείωσε το χρόνο αντίδρασης μετεστεροποίησης σε 5 λεπτά – σε σύγκριση με 2 ώρες για μηχανική επεξεργασία ανάδευσης. Μετατροπή των τριγλυκεριδίων (TG) σε FAME υπό υπερήχους που λαμβάνονται 95.6929% wt με μοριακή αναλογία μεθανόλης προς λάδι 6: 1 και 1% wt υδροξειδίου του νατρίου ως καταλύτη. (πρβλ. Darwin et al. 2010)
Μεσαίου μεγέθους και μεγάλης κλίμακας υπερήχων για την επεξεργασία βιοντίζελ
Hielscher Ultrasonics’ Προμηθεύει μικρούς έως μεσαίους καθώς και μεγάλης κλίμακας βιομηχανικούς επεξεργαστές υπερήχων για την αποτελεσματική παραγωγή βιοντίζελ σε οποιοδήποτε όγκο. Προσφέροντας σύστημα υπερήχων σε οποιαδήποτε κλίμακα, Hielscher μπορεί να προσφέρει την ιδανική λύση τόσο για μικρούς παραγωγούς όσο και για μεγάλες εταιρείες. Η μετατροπή βιοντίζελ υπερήχων μπορεί να λειτουργήσει ως παρτίδα ή ως συνεχής ενσωματωμένη διαδικασία. Η εγκατάσταση και λειτουργία είναι απλή, ασφαλής και παρέχει αξιόπιστα υψηλές αποδόσεις ανώτερης ποιότητας βιοντίζελ.
Παρακάτω θα βρείτε συνιστώμενες ρυθμίσεις αντιδραστήρων για μια σειρά ρυθμών παραγωγής.
τόνος/ώρα
|
gal/ώρα
|
|
---|---|---|
1x UIP500hdT |
0.25 έως 0,5
|
80 έως 160
|
1x UIP1000hdT |
0.5 έως 1.0
|
160 έως 320
|
1x UIP1500hdT |
0.75 έως 1,5
|
240 έως 480
|
2x UIP1000hdT |
1,0 έως 2,0
|
320 έως 640
|
2x UIP1500hdT |
1,5 έως 3,0
|
480 έως 960
|
4x UIP1500hdT |
3.0 έως 6.0
|
960 έως 1920
|
6x UIP1500hdT |
4,5 έως 9,0
|
1440 έως 2880
|
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Παραγωγή βιοντίζελ
Το βιοντίζελ παράγεται όταν τα τριγυρίδια μετατρέπονται σε ελεύθερο λιπαρό μεθυλεστέρα (FAME) μέσω μιας χημικής αντίδρασης γνωστής ως μετεστεροποίηση. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης μετεστεροποίησης, τα τριγυλκερίδια σε φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη αντιδρούν παρουσία καταλύτη (π.χ. υδροξείδιο του καλίου ή υδροξείδιο του νατρίου) με πρωτοταγή αλκοόλη (π.χ. μεθανόλη). Σε αυτή την αντίδραση, σχηματίζονται αλκυλεστέρες από την πρώτη ύλη φυτικού ελαίου ή ζωικού λίπους. Τα τριγλυκερίδια είναι γλυκερίδια, στα οποία η γλυκερόλη εστεροποιείται με οξέα μακράς αλυσίδας, γνωστά ως λιπαρά οξέα. Αυτά τα λιπαρά οξέα υπάρχουν άφθονα σε φυτικά έλαια και ζωικά λίπη. Δεδομένου ότι το βιοντίζελ μπορεί να παραχθεί από διάφορες πρώτες ύλες, όπως παρθένα φυτικά έλαια, απόβλητα φυτικά έλαια, χρησιμοποιημένα έλαια τηγανίσματος, ζωικά λίπη όπως λίπος και λαρδί, η ποσότητα των ελεύθερων λιπαρών οξέων (FFA) μπορεί να ποικίλει σε μεγάλο βαθμό. Το ποσοστό των ελεύθερων λιπαρών οξέων των τριγλυκεριδίων είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει δραστικά τη διαδικασία παραγωγής βιοντίζελ και την προκύπτουσα ποιότητα βιοντίζελ. Μια υψηλή ποσότητα ελεύθερων λιπαρών οξέων μπορεί να επηρεάσει τη διαδικασία μετατροπής και να επιδεινώσει την τελική ποιότητα του βιοντίζελ. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι τα ελεύθερα λιπαρά οξέα (FFAs) αντιδρούν με αλκαλικούς καταλύτες με αποτέλεσμα το σχηματισμό σαπουνιού. Ο σχηματισμός σαπουνιού προκαλεί στη συνέχεια προβλήματα διαχωρισμού γλυκερόλης. Επομένως, οι πρώτες ύλες που περιέχουν υψηλές ποσότητες ελεύθερων λιπαρών οξέων απαιτούν ως επί το πλείστον προεπεξεργασία (τη λεγόμενη αντίδραση εστεροποίησης), κατά την οποία τα ελεύθερα λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε εστέρες. Υπερήχους προωθεί και τις δύο αντιδράσεις, μετεστεροποίηση και εστεροποίηση.
Χημική αντίδραση εστεροποίησης
Η εστεροποίηση είναι η διαδικασία συνδυασμού ενός οργανικού οξέος (RCOOH) με μια αλκοόλη (ROH) για να σχηματίσει έναν εστέρα (RCOOR) και νερό.
Χρήση μεθανόλης σε όξινη εστεροποίηση
Όταν η εστεροποίηση οξέος χρησιμοποιείται για τη μείωση των ελεύθερων λιπαρών οξέων στην πρώτη ύλη, οι άμεσες ενεργειακές απαιτήσεις είναι σχετικά χαμηλές. Ωστόσο, δημιουργείται νερό κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εστεροποίησης – δημιουργώντας υγρή, όξινη μεθανόλη, η οποία πρέπει να εξουδετερωθεί, να στεγνώσει και να ανακτηθεί. Αυτή η διαδικασία ανάκτησης μεθανόλης είναι δαπανηρή.
Εάν οι πρώτες ύλες εκκίνησης έχουν 20 έως 40 % ή ακόμη υψηλότερα ποσοστά ελεύθερων λιπαρών οξέων, ενδέχεται να απαιτούνται πολλαπλά βήματα προκειμένου να μειωθούν σε αποδεκτά επίπεδα. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργείται ακόμη πιο όξινη, υγρή μεθανόλη. Μετά την εξουδετέρωση της όξινης μεθανόλης, η ξήρανση απαιτεί απόσταξη πολλαπλών σταδίων με σημαντικούς ρυθμούς παλινδρόμησης, με αποτέλεσμα πολύ υψηλή χρήση ενέργειας.
Ποια έλαια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοντίζελ;
Τα έλαια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοντίζελ περιλαμβάνουν φυτικά έλαια, όπως σόγια, ελαιοκράμβη (canola), ηλίανθο, φοινικέλαιο και λάδι από χρησιμοποιημένους κόκκους καφέ, καθώς και ζωικά λίπη όπως λίπος και λαρδί. Τα χρησιμοποιημένα έλαια, συμπεριλαμβανομένων των χρησιμοποιημένων μαγειρικών ελαίων και των ελαίων που εξάγονται από χρησιμοποιημένους κόκκους καφέ, χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως. Αυτά τα έλαια, που αποτελούνται κυρίως από τριγλυκερίδια, υποβάλλονται σε μετεστεροποίηση με αλκοόλη για την παραγωγή μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων (FAME), των χημικών ενώσεων που σχηματίζουν βιοντίζελ. Κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη μετατροπή βιοντίζελ των χρησιμοποιημένων ορυκτελαίων ενισχύοντας τη διαδικασία μετεστεροποίησης μέσω της εφαρμογής κυμάτων υπερήχων υψηλής έντασης. Στα χρησιμοποιημένα έλαια, τα οποία συχνά έχουν ακαθαρσίες και υψηλότερη περιεκτικότητα σε ελεύθερα λιπαρά οξέα, υπερήχηση βοηθά στη διάσπαση αυτών των ακαθαρσιών και βελτιώνει την ανάμειξη των αντιδρώντων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ταχύτερους ρυθμούς αντίδρασης, μειωμένους χρόνους αντίδρασης και υψηλότερες αποδόσεις βιοντίζελ, ακόμη και με πρώτες ύλες χαμηλότερης ποιότητας. Κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει επίσης τη μειωμένη χρήση καταλύτη και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, καθιστώντας τη μετατροπή των χρησιμοποιημένων ορυκτελαίων σε βιοντίζελ πιο αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική.
Διαβάστε περισσότερα πώς κατεργασία με υπερήχους εντείνει την εκχύλιση ελαίων από χρησιμοποιημένους κόκκους καφέ και τη μετεστεροποίηση αυτών των ελαίων σε βιοντίζελ!