Biodiésel mediante (trans)esterificación mejorada por ultrasonidos
El biodiésel se sintetiza mediante transesterificación con un catalizador básico. Sin embargo, cuando se utilizan materias primas como aceites vegetales residuales de baja calidad con un alto contenido de ácidos grasos libres, se requiere una etapa de pretratamiento químico mediante esterificación con un catalizador ácido. La ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos y sonomecánicos contribuyen a ambos tipos de reacción y aumentan considerablemente la eficiencia de la conversión a biodiésel. La producción ultrasónica de biodiésel es significativamente más rápida que la síntesis convencional, proporciona un mayor rendimiento y una mayor calidad del biodiésel y permite ahorrar reactivos como metanol y catalizador.
Conversión a biodiésel mediante ultrasonidos de potencia
Para producir biodiésel, se obtienen ésteres de ácidos grasos mediante la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales (p. ej., sebo). Durante la reacción de transesterificación, el componente de glicerol se sustituye por otro alcohol, como el metanol. Las materias primas con un alto contenido de ácidos grasos libres, como los aceites vegetales residuales (WVO), requieren un pretratamiento mediante esterificación ácida para evitar la formación de jabón. Este proceso de catálisis ácida es una reacción muy lenta cuando se realiza mediante el método convencional por lotes. La solución para acelerar el lento proceso de esterificación es aplicar ultrasonidos de potencia. La sonicación mejora significativamente la velocidad de reacción, la conversión y el rendimiento del biodiésel, ya que los efectos sonoquímicos de los ultrasonidos de alta potencia favorecen e intensifican la catálisis ácida. La cavitación ultrasónica proporciona fuerzas sonomecánicas, es decir, una mezcla de alto cizallamiento, así como energía sonoquímica. Estos dos tipos de acción ultrasónica (sonomecánica y sonoquímica) convierten la esterificación catalizada por ácido en una reacción rápida que requiere menos catalizador.
La mezcla ultrasónica mejora la tasa de conversión a biodiésel, aumenta el rendimiento y permite ahorrar metanol en exceso y catalizador. La imagen muestra la instalación de 3x UIP1000hdT (cada uno con 1 kW de potencia ultrasónica) para el procesamiento en línea.
¿Cómo funciona la conversión ultrasónica a biodiésel?
La ultrasonicación entre las distintas fases en la transesterificación (también denominada a veces alcohólisis) y la esterificación se basa en la mejora de la mezcla y en un aumento de la transferencia de calor y masa. La mezcla ultrasónica se basa en el principio de cavitación acústica, que se produce como resultado de la implosión de burbujas de vacío en el líquido. La cavitación acústica se caracteriza por intensas fuerzas de cizallamiento y turbulencias, así como por diferencias de presión y temperatura muy elevadas. Estas fuerzas favorecen la reacción química de transesterificación / esterificación e intensifican la transferencia de masa y calor, mejorando así significativamente la reacción de conversión a biodiésel.
La transesterificación de triglicéridos a biodiésel (FAME) mediante sonicación acelera la reacción y aumenta significativamente la eficiencia.
Se ha demostrado científicamente y a escala industrial que la aplicación de ultrasonidos durante la conversión a biodiésel mejora la eficiencia del proceso. Esta mejora se puede atribuir a la reducción del consumo energético y de los costes operativos, al menor uso de alcohol (es decir, metanol) y catalizador, y a una disminución significativa del tiempo de reacción. Se eliminan los costes energéticos de calentamiento, ya que no se requiere calentamiento externo. Además, la separación de fases entre el biodiésel y el glicerol es más sencilla y requiere menos tiempo. Un factor importante para el uso comercial de ultrasonidos en la producción de biodiésel es la facilidad de escalado a cualquier volumen, el funcionamiento fiable y seguro, así como la robustez y fiabilidad de los equipos ultrasónicos (de nivel industrial, capaces de funcionar de forma continua 24/7/365 a plena carga).
Sistema ultrasónico industrial con celda de flujo para la esterificación y transesterificación de biodiésel en línea.
La esterificación y la transesterificación ultrasónicas pueden realizarse por lotes o como un proceso continuo en línea. El diagrama muestra el proceso ultrasónico en línea para la transesterificación de biodiésel (FAME).
La esterificación y la transesterificación ultrasónicas pueden realizarse por lotes o como un proceso continuo en línea. Este diagrama muestra el proceso ultrasónico por lotes para la conversión a biodiésel.
Conversión a biodiésel en dos etapas asistida por ultrasonidos mediante reacciones catalizadas por ácidos y bases
Para las materias primas con un alto contenido de ácidos grasos libres (FFA), la producción de biodiésel se realiza mediante una reacción catalizada por ácido o base en un proceso de dos etapas. Los ultrasonidos contribuyen a ambos tipos de reacción: 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, se requiere el proceso de esterificación. El ácido sulfúrico se utiliza habitualmente como catalizador ácido.
- Prepare la materia prima mediante filtración y refinado para eliminar los contaminantes y el agua.
- Disuelva el catalizador, concretamente ácido sulfúrico, en metanol. Haga pasar la corriente de catalizador/metanol y la materia prima por un intercambiador de calor y un mezclador estático para obtener una premezcla inicial.
- La premezcla de catalizador y materia prima pasa directamente a la cámara de reacción ultrasónica, donde actúan la mezcla ultrafina y la sonoquímica, y los ácidos grasos libres se convierten en biodiésel.
- Por último, elimine el agua del producto y aliméntelo a la segunda etapa – la transesterificación ultrasónica. Tras su recuperación, secado y neutralización, el metanol ácido con contenido de agua está listo para reutilizarse.
- Para las materias primas con un contenido muy elevado de ácidos grasos libres (FFA), puede ser necesaria una configuración con recirculación para reducir dicho contenido a un nivel adecuado antes de la etapa de transesterificación.
Reacción de esterificación con un catalizador ácido:
FFA + Alcohol → Éster + Agua
Transesterificación catalizada por base mediante ultrasonidos
La materia prima, que ahora solo contiene pequeñas cantidades de ácidos grasos libres (FFA), puede alimentarse directamente a la etapa de transesterificación. Los catalizadores básicos más utilizados son el hidróxido de sodio o el hidróxido de potasio (NaOH, KOH).
- Disuelva el catalizador, concretamente hidróxido de potasio, en metanol y haga pasar las corrientes de catalizador/metanol y de materia prima pretratada por un mezclador estático para obtener una premezcla inicial.
- Alimente la premezcla directamente a la cámara de reacción ultrasónica para realizar la mezcla de alto cizallamiento por cavitación 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 mediante ultrasonidos es de alta calidad y se fabrica rápidamente, con eficiencia energética y económica gracias al ahorro de metanol y catalizador.
Reacción de transesterificación con un catalizador básico:
Aceite / Grasa + Alcohol → Biodiésel + Glicerol
Uso y recuperación del metanol
El metanol es un componente clave en la producción de biodiésel. La conversión a biodiésel impulsada por ultrasonidos permite reducir significativamente el uso de metanol. Si está pensando «No me preocupa mi consumo de metanol, porque de todos modos lo recupero», quizá convenga reconsiderarlo y tener en cuenta el coste energético exorbitante de la etapa de evaporación (p. ej., mediante una columna de destilación), necesaria para separar y reciclar el metanol.
El metanol suele eliminarse después de separar el biodiésel y la glicerina en dos capas, lo que evita que la reacción se invierta. A continuación, el metanol se purifica y se recicla, devolviéndolo al inicio del proceso. Al producir biodiésel mediante esterificación y transesterificación impulsadas por ultrasonidos, puede reducir drásticamente el uso de metanol y, con ello, el gasto energético exorbitante de su recuperación. El uso de reactores ultrasónicos Hielscher reduce hasta un 50% la cantidad necesaria de metanol en exceso. Una relación molar de entre 1:4 y 1:4,5 (aceite : metanol) es suficiente para la mayoría de las materias primas cuando se utiliza la mezcla ultrasónica Hielscher.
La esterificación ultrasónica es una etapa de pretratamiento que convierte en ésteres las materias primas de baja calidad con un alto contenido de ácidos grasos libres (FFA). En la 2.ª etapa, la transesterificación ultrasónica, los triglicéridos se convierten en biodiésel (FAME).
Mayor eficiencia de conversión a biodiésel mediante ultrasonidos – demostrada científicamente
Numerosos grupos de investigación han estudiado el mecanismo y los efectos de la transesterificación ultrasónica de 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 daba lugar a un aumento significativo de la formación de ésteres. La técnica ultrasónica redujo el tiempo de reacción de transesterificación a 5 minutos – frente a 2 horas con el procesamiento mediante agitación mecánica. La conversión de triglicéridos (TG) a FAME mediante ultrasonicación alcanzó un 95,6929%wt con una relación molar de metanol a aceite de 6:1 y un 1%wt de hidróxido de sodio como catalizador. (véase Darwin et al. 2010)
Ultrasonicadores de tamaño medio y a gran escala para el procesamiento de biodiésel
Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos industriales pequeños, medianos y a gran escala para la producción eficiente de biodiésel a cualquier volumen. Al ofrecer sistemas ultrasónicos para cualquier escala, Hielscher puede proporcionar la solución ideal tanto para pequeños productores como para grandes empresas. La conversión ultrasónica a biodiésel puede realizarse por lotes o como un proceso continuo en línea. La instalación y el funcionamiento son sencillos y seguros, y permiten obtener de forma fiable una elevada producción de biodiésel de calidad superior.
A continuación encontrará configuraciones de reactores recomendadas para distintas tasas de producción.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 a 0,5
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80 a 160
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| 1x UIP1000hdT |
0,5 a 1,0
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160 a 320
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| 1x UIP1500hdT |
0,75 a 1,5
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240 a 480
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| 2x UIP1000hdT |
1,0 a 2,0
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320 a 640
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| 2x UIP1500hdT |
1,5 a 3,0
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480 a 960
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| 4x UIP1500hdT |
3,0 a 6,0
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960 a 1920
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| 6x UIP1500hdT |
4,5 a 9,0
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1440 a 2880
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Bibliografía / Referencias
- 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.
Información de interés
Producción de biodiésel
El biodiésel se produce cuando los triglicéridos se convierten en ésteres metílicos de ácidos grasos libres (FAME) mediante una reacción química conocida como transesterificación. Durante la reacción de transesterificación, los triglicéridos presentes en los aceites vegetales o las grasas animales reaccionan con un alcohol primario (p. ej., metanol) en presencia de un catalizador (p. ej., hidróxido de potasio o hidróxido de sodio). 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 los aceites vegetales y las grasas animales. Dado que el biodiésel puede producirse a partir de diversas materias primas, como aceites vegetales vírgenes, aceites vegetales residuales, aceites de fritura usados y grasas animales como sebo y manteca de cerdo, la cantidad de ácidos grasos libres (FFA) puede variar considerablemente. 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 (FFA) reaccionan con los catalizadores alcalinos y provocan la formación de jabón. A su vez, la formación de jabón causa problemas en la separación del glicerol. Por ello, las materias primas con un alto contenido de ácidos grasos libres (FFA) suelen requerir un pretratamiento (la denominada reacción de esterificación), durante el cual estos ácidos grasos libres se transforman en ésteres. La ultrasonicación favorece ambas reacciones: la transesterificación y la esterificación.
Reacción química de esterificación
La esterificación es el proceso de combinar un ácido orgánico (RCOOH) con un alcohol (ROH) para formar un éster (RCOOR) y agua.
Uso de metanol en la esterificación ácida
Cuando se utiliza la esterificación ácida para reducir los ácidos grasos libres (FFA) de la materia prima, las necesidades energéticas inmediatas son relativamente bajas. Sin embargo, durante la reacción de esterificación se genera agua – lo que produce metanol ácido con contenido de agua, que debe neutralizarse, secarse y recuperarse. Este proceso de recuperación del metanol es costoso.
Si las materias primas iniciales contienen entre 20 y 40 % de ácidos grasos libres (FFA), o porcentajes incluso superiores, pueden ser necesarias varias etapas para reducirlos a niveles aceptables. Esto significa que se genera aún más metanol ácido con contenido de agua. Tras neutralizar el metanol ácido, el secado requiere una destilación multietapa con caudales de reflujo considerables, lo que supone un consumo energético muy elevado.
¿Qué aceites se utilizan para producir biodiésel?
Los aceites utilizados para producir biodiésel incluyen aceites vegetales, como los de soja, colza (canola), girasol, palma y posos de café usados, así como grasas animales como el sebo y la manteca de cerdo. También se utilizan habitualmente aceites residuales, incluidos el aceite de cocina usado y los aceites extraídos de posos de café usados. Estos aceites, compuestos principalmente por triglicéridos, se someten a transesterificación con alcohol para producir ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME), los compuestos químicos que constituyen el biodiésel. La sonicación mejora la conversión de aceites residuales a biodiésel al potenciar el proceso de transesterificación mediante la aplicación de ondas ultrasónicas de alta intensidad. En los aceites residuales, que suelen contener impurezas y un mayor contenido de ácidos grasos libres, la sonicación ayuda a descomponer estas impurezas y mejora la mezcla de los reactivos. Esto permite obtener velocidades de reacción más altas, tiempos de reacción más cortos y mayores rendimientos de biodiésel, incluso con materias primas de menor calidad. La sonicación también permite reducir el uso de catalizador y el consumo energético, haciendo que la conversión de aceites residuales a biodiésel sea más eficiente y rentable.
¡Más información sobre cómo la sonicación intensifica la extracción de aceites de posos de café usados y la transesterificación de estos aceites a biodiésel!
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.