Biodiésel mediante (trans)esterificación mejorada por ultrasonidos

El biodiésel se sintetiza mediante transesterificación utilizando un catalizador base. Sin embargo, si se utilizan materias primas como residuos vegetales de baja calidad con un alto contenido en ácidos grasos libres, es necesario un pretratamiento químico de esterificación mediante un catalizador ácido. La ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos y sonomecánicos contribuyen a ambos tipos de reacción y aumentan drásticamente la eficiencia de la conversión del biodiésel. La producción de biodiésel por ultrasonidos es significativamente más rápida que la síntesis de biodiésel convencional, da lugar a un mayor rendimiento y calidad del biodiésel y ahorra reactivos como el metanol y el catalizador.

Conversión de biodiésel mediante ultrasonidos de potencia

En el caso del biodiésel, los ésteres de ácidos grasos se producen por transesterificación de aceites vegetales, así como de grasas animales (por ejemplo, sebo). Durante la reacción de transesterificación, el componente glicerol se sustituye por otro alcohol, como el metanol. Las materias primas con un alto contenido de ácidos grasos libres, por ejemplo los aceites vegetales usados (WVO), requieren un tratamiento previo de esterificación ácida para evitar la formación de jabón. Este proceso de catálisis ácida es una reacción muy lenta, cuando se lleva a cabo como método convencional por lotes. La solución para acelerar el lento proceso de esterificación es la aplicación de ultrasonidos de potencia. La sonicación consigue una mejora significativa de la velocidad de reacción, la conversión y el rendimiento de biodiésel, ya que los efectos sonoquímicos de los ultrasonidos de alta potencia promueven e intensifican la catálisis ácida. La cavitación ultrasónica proporciona fuerzas sonomecánicas, es decir, mezcla de alto cizallamiento, así como energía sonoquímica. Estos dos tipos de impacto ultrasónico (sonomecánico y sonoquímico) convierten la esterificación catalizada por ácido en una reacción rápida que requiere menos catalizador.

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3 ultrasonidos UIP1000hdT para la transesterificación de biodiésel de alta eficacia

La mezcla ultrasónica mejora la tasa de conversión del biodiésel, aumenta el rendimiento y ahorra el exceso de metanol y catalizador.La imagen muestra la instalación de 3x UIP1000hdT (cada uno de 1 kW de potencia ultrasónica) para el procesamiento en línea.

 

En este video tutorial le introducimos en la ciencia de cómo los reactores de biodiésel por ultrasonidos mejoran significativamente la producción de biodiésel. Los reactores de biodiésel por ultrasonidos Hielscher se han establecido como una potente herramienta para mejorar el proceso de producción de biodiésel y, en este tutorial, profundizamos en el principio de funcionamiento que hay detrás y mostramos varias configuraciones de ultrasonidos para cualquier escala de producción. Mejore su producción de biodiésel en eficiencia y rentabilidad y produzca mayores rendimientos de biodiésel de alta calidad en una conversión rápida. Al mismo tiempo, los reactores de biodiésel por ultrasonidos permiten utilizar aceites pobres, como aceites vegetales usados o grasas de cocina usadas, y ayudan a ahorrar metanol y catalizador, contribuyendo a una fabricación de biodiésel sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

Producción de biodiésel con sonorreactores de Hielscher para mayor rendimiento y calidad & capacidad

Vídeo en miniatura

 

¿Cómo funciona la conversión ultrasónica del biodiésel?

La ultrasonicación entre las distintas fases de la transesterificación (también llamada a veces alcohólisis ) y la esterificación se basa en la mejora de la mezcla, así como en el aumento de la transferencia de calor y masa. La mezcla ultrasónica se basa en el principio de la cavitación acústica, que se produce como resultado de la implosión de burbujas de vacío en el líquido. La cavitación acústica se caracteriza por elevadas fuerzas de cizallamiento y turbulencias, así como por diferenciales de presión y temperatura muy elevados. Estas fuerzas promueven la reacción química de transesterificación / esterificación e intensifican la transferencia de masa y calor, mejorando así significativamente la reacción de conversión del biodiésel.

La transesterificación ultrasónica mejora la conversión del biodiésel.

La transesterificación de triglicéridos en biodiésel (FAME) mediante sonicación da lugar a una reacción acelerada y una eficacia significativamente mayor.

Se ha demostrado científica e industrialmente que la aplicación de ultrasonidos durante la conversión de biodiésel mejora la eficiencia del proceso. La mejora de la eficiencia del proceso puede atribuirse a la reducción del consumo de energía y de los costes operativos, así como al menor uso de alcohol (es decir, metanol), menos catalizador y un tiempo de reacción significativamente más corto. Se eliminan los costes energéticos de calentamiento, ya que no se requiere calefacción externa. Además, la separación de fases entre el biodiésel y el glicerol es más sencilla, con un tiempo de separación de fases más corto. Un factor importante para el uso comercial de los ultrasonidos en la producción de biodiésel es la sencilla ampliación a cualquier volumen, el funcionamiento fiable y seguro, así como la robustez y fiabilidad del equipo de ultrasonidos (estándar industrial, capaz de funcionar continuamente 24/7/365 a plena carga).

Reactor ultrasónico Hielscher para la transesterificación de biodiésel con una eficacia de proceso superior

Sistema industrial ultrasónico con célula de flujo para la esterificación y transesterificación del biodiésel en línea.

Gráfico del proceso de biodiésel en flujo continuo. Los ultrasonidos pueden mejorar notablemente la esterificación y la transesterificación.

La esterificación y la transesterificación por ultrasonidos pueden realizarse como procesos en línea continuos o por lotes. El gráfico muestra el proceso ultrasónico en línea para la transesterificación de biodiésel (FAME).


Gráfico del proceso de biodiésel por lotes. Los ultrasonidos pueden mejorar significativamente la esterificación y la transesterificación.

La esterificación y la transesterificación por ultrasonidos pueden realizarse como procesos en línea continuos o por lotes. Este gráfico muestra el proceso por lotes ultrasónico para la conversión de biodiésel.

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Conversión de biodiésel en dos etapas asistida por ultrasonidos aplicando etapas de reacción catalizadas por ácidos y bases

En el caso de las materias primas con un alto contenido en FFA, la producción de biodiésel se lleva a cabo mediante una reacción catalizada por ácido o por base en un proceso de dos etapas. Los ultrasonidos contribuyen a dos tipos de reacciones, la esterificación catalizada por ácido y la transesterificación catalizada por base:

Esterificación catalizada por ácido mediante ultrasonidos

Para tratar un exceso de ácidos grasos libres en la materia prima, es necesario el proceso de esterificación. El ácido sulfúrico se utiliza habitualmente como catalizador ácido.

  • Preparar la materia prima filtrándola y depurándola de contaminantes y agua.
  • Disolver el catalizador, concretamente ácido sulfúrico, en metanol. Alimentar la corriente de catalizador/metanol y la materia prima a través de un intercambiador de calor y un mezclador estático para obtener una premezcla en bruto.
  • La premezcla de catalizador y materia prima pasa directamente a la cámara de reacción ultrasónica, donde la mezcla ultrafina y la sonoquímica surten efecto y los ácidos grasos libres se convierten en biodiésel.
  • Por último, se deshidrata el producto y se alimenta a la segunda etapa: la transesterificación por ultrasonidos. Tras la recuperación, el secado y la neutralización, el metanol ácido húmedo está listo para su reutilización.
  • En el caso de materias primas con un alto contenido en FFA, puede ser necesaria una instalación de recirculación para reducir los FFA a un nivel razonable antes de la etapa de transesterificación.

Reacción de esterificación utilizando un catalizador ácido:
FFA + Alcohol → Ester + Agua

Transesterificación catalizada por bases mediante ultrasonidos

La materia prima, que ahora sólo tiene pequeñas cantidades de AGL, puede introducirse directamente en la fase de transesterificación. Lo más habitual es utilizar hidróxido de sodio o hidróxido de potasio (NaOH, KOH) como catalizador base.

  • Disolver el catalizador, concretamente hidróxido potásico, en metanol y alimentar las corrientes de catalizador/metanol y materia prima pretratada a través de un mezclador estático para obtener una premezcla bruta.
  • Introduzca la premezcla directamente en la cámara de reacción ultrasónica para la mezcla cavitacional de alto cizallamiento y el tratamiento sonoquímico. Los productos de esta reacción son ésteres alquílicos (es decir, biodiésel) y glicerina. La glicerina puede separarse por decantación o centrifugación.
  • El biodiésel producido por ultrasonidos es de alta calidad y se fabrica con rapidez, eficiencia energética y rentabilidad gracias al ahorro de metanol y catalizador.

Reacción de transesterificación utilizando un catalizador base:
Aceite / Grasa + Alcohol → Biodiesel + Glicerol

Uso del metanol & Recuperación de metanol

El metanol es un componente clave durante la producción de biodiésel. La conversión de biodiésel por ultrasonidos permite reducir significativamente el uso de metanol. Si ahora está pensando "no me importa el uso de metanol, ya que lo recupero de todos modos", podría replanteárselo y tener en cuenta el exorbitante alto coste energético que se aplica a la etapa de evaporación (por ejemplo, utilizando una columna de destilación), necesaria para separar y reciclar el metanol.
Por lo general, el metanol se extrae después de que el biodiésel y la glicerina se hayan separado en dos capas, lo que evita la inversión de la reacción. A continuación, el metanol se limpia y se recicla de nuevo al principio del proceso. La producción de biodiésel mediante esterificación y transesterificación por ultrasonidos permite reducir drásticamente el uso de metanol, con lo que se reduce el exorbitante gasto energético que supone la recuperación de metanol. El uso de reactores ultrasónicos Hielscher reduce la cantidad necesaria de metanol en exceso hasta en un 50%. Una relación molar entre 1:4 o 1:4,5 (aceite : metanol) es suficiente para la mayoría de las materias primas, cuando se utiliza la mezcla ultrasónica de Hielscher.

Gráfico del proceso de transformación del biodiésel. Los ultrasonidos pueden mejorar notablemente la esterificación y la transesterificación.

La esterificación ultrasónica es una etapa de pretratamiento que reduce a ésteres las materias primas de baja calidad con alto contenido en AGL. En el segundo paso de la transesterificación ultrasónica, los triglicéridos se convierten en biodiésel (FAME).

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Los ultrasonidos aumentan la eficiencia de conversión del biodiésel – Demostrado científicamente

Numerosos grupos de investigadores han estudiado el mecanismo y los efectos de la transesterificación ultrasónica del biodiésel. Por ejemplo, el equipo de investigación de Sebayan Darwin demostró que la cavitación ultrasónica aumentaba la actividad química y la velocidad de reacción, lo que se traducía en un incremento significativo de la formación de ésteres. La técnica ultrasónica redujo el tiempo de reacción de la transesterificación a 5 minutos. – en comparación con las 2 horas del proceso de agitación mecánica. La conversión de triglicéridos (TG) en FAME bajo ultrasonidos obtuvo un 95,6929%wt con una relación molar metanol/aceite de 6:1 y 1%wt de hidróxido de sodio como catalizador. (cf. Darwin et al. 2010)

Gholami et al. (2021) demostraron la eficacia superior de la transesterificación del biodiésel asistida por ultrasonidos en comparación con la agitación mecánica. Por lo tanto, el equipo de investigación comparó dos plantas de biodiésel basadas en la agitación mecánica convencional y la cavitación ultrasónica, que se diseñaron utilizando Aspen HYSYS V8.4. Para comparar los dos procesos se utilizaron la inversión total, los costes de los productos, el valor actual neto y la tasa interna de rendimiento. – ultrasonidos y estridor mecánico – entre sí. La inversión total en el proceso de cavitación ultrasónica fue inferior a la del proceso de agitación mecánica en aproximadamente un 20,8%. En comparación con el proceso convencional, el uso de reactores ultrasónicos también hizo que los costes de los productos se redujeran en un 5,2%. Debido a un valor actual neto positivo y una tasa interna de rendimiento del 18,3%, el proceso de cavitación ultrasónica fue una mejor elección. Además, la cavitación ultrasónica dio lugar a una disminución significativa tanto de la energía consumida como de la producción de residuos. El consumo total de energía se redujo en un 6,9% cuando se empleó la cavitación ultrasónica. La cantidad de residuos producidos en el proceso asistido por ultrasonidos fue una quinta parte de la del proceso de agitación mecánica.

Ultrasonidos de tamaño medio y grande para el procesamiento de biodiésel

Hielscher Ultrasonics’ suministra procesadores de ultrasonidos industriales de pequeño a mediano tamaño, así como de gran escala, para la producción eficiente de biodiésel a cualquier volumen. Ofreciendo sistemas de ultrasonidos a cualquier escala, Hielscher puede ofrecer la solución ideal tanto para pequeños productores como para grandes empresas. La conversión de biodiésel por ultrasonidos puede funcionar como proceso en línea discontinuo o continuo. La instalación y el funcionamiento son sencillos, seguros y ofrecen una producción fiable de biodiésel de calidad superior.
A continuación encontrará las configuraciones de reactor recomendadas para una serie de índices de producción.

ton/hr
gal/hr
1 x UIP500hdT
0.25 a 0.5
80 a 160
1 x UIP1000hdT
0.5 a 1.0
160 a 320
1 x UIP1500hdT
0.75 a 1.5
240 a 480
2x UIP1000hdT
1.0 a 2.0
320 a 640
2x UIP1500hdT
1.5 a 3.0
480 a 960
4x UIP1500hdT
3.0 a 6.0
960 a 1920
6x UIP1500hdT
4.5 a 9.0
1440 a 2880

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias


Información interesante

Producción de biodiésel

El biodiésel se produce cuando los triglicéridos se convierten en ésteres metílicos grasos libres (FAME) mediante una reacción química conocida como transesterificación. Durante la reacción de transesterificación, los triglicéridos de los aceites vegetales o las grasas animales reaccionan en presencia de un catalizador (por ejemplo, hidróxido de potasio o hidróxido de sodio) con un alcohol primario (por ejemplo, metanol). En esta reacción, se forman ésteres alquílicos a partir de la materia prima de aceite vegetal o grasa animal. Los triglicéridos son glicéridos en los que el glicerol está esterificado con ácidos de cadena larga, conocidos como ácidos grasos. Estos ácidos grasos están presentes en abundancia en el aceite vegetal y las grasas animales. Dado que el biodiésel puede producirse a partir de distintas materias primas, como aceites vegetales vírgenes, aceites vegetales usados, aceites de fritura usados o grasas animales como el sebo y la manteca de cerdo, la cantidad de ácidos grasos libres (AGL) puede variar mucho. El porcentaje de ácidos grasos libres de los triglicéridos es un factor crucial que influye drásticamente en el proceso de producción de biodiésel y en la calidad del biodiésel resultante. Una cantidad elevada de ácidos grasos libres puede interferir en el proceso de conversión y deteriorar la calidad final del biodiésel. El principal problema es que los ácidos grasos libres (AGL) reaccionan con los catalizadores alcalinos dando lugar a la formación de jabón. La formación de jabón provoca posteriormente problemas de separación del glicerol. Por lo tanto, las materias primas que contienen grandes cantidades de AGL suelen requerir un tratamiento previo (la llamada reacción de esterificación), durante el cual los AGL se transforman en ésteres. La ultrasonicación favorece ambas reacciones, la transesterificación y la esterificación.

Reacción química de esterificación

La esterificación es el proceso de combinación de un ácido orgánico (RCOOH) con un alcohol (ROH) para formar un éster (RCOOR) y agua.

Uso del metanol en la esterificación ácida

Cuando se utiliza la esterificación ácida para reducir los AGL en la materia prima, los requisitos energéticos inmediatos son relativamente bajos. Sin embargo, durante la reacción de esterificación se crea agua – creando metanol ácido y húmedo, que debe neutralizarse, secarse y recuperarse. Este proceso de recuperación del metanol es caro.
Si las materias primas de partida tienen entre un 20 % y un 40 % de AGL, o incluso porcentajes más elevados, pueden ser necesarias varias etapas para reducirlos a niveles aceptables. Esto significa que se crea metanol húmedo aún más ácido. Después de neutralizar el metanol ácido, el secado requiere una destilación multietapa con tasas de reflujo significativas, lo que se traduce en un consumo energético muy elevado.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.


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