Producción de biodiésel con mayor eficiencia de procesos y costes

La mezcla por ultrasonidos es la tecnología superior para una producción de biodiésel altamente eficaz y rentable. La cavitación ultrasónica mejora drásticamente la transferencia de masa, reduciendo así los costes de producción y la duración del proceso. Al mismo tiempo, se pueden utilizar aceites y grasas de baja calidad (por ejemplo, aceites usados) y se mejora la calidad del biodiésel. Hielscher Ultrasonics suministra reactores de mezcla por ultrasonidos robustos y de alto rendimiento para cualquier escala de producción. ¡Lea más sobre cómo su producción de biodiesel se beneficiará de la sonicación !

Beneficios de la producción de biodiésel mediante ultrasonidos

El biodiésel (éster metílico de ácidos grasos, abreviado FAME) es el producto de una reacción de transesterificación de materia prima lipídica (triglicéridos, por ejemplo, aceite vegetal, aceites de cocina usados, grasas animales, aceite de algas) y alcohol (metanol, etanol) utilizando un catalizador (por ejemplo, hidróxido de potasio KOH).
El problema: En la conversión convencional de biodiésel mediante agitación convencional, la naturaleza inmiscible de los dos reactantes de la reacción de transesterificación del aceite y el alcohol conduce a una tasa de transferencia de masa deficiente que da lugar a una producción de biodiésel ineficiente. Esta ineficacia se caracteriza por tiempos de reacción largos, relaciones molares metanol-aceite más elevadas, elevados requisitos de catalizador, altas temperaturas de proceso y altas velocidades de agitación. Estos factores son factores de coste significativos que hacen que la fabricación convencional de biodiésel sea un proceso caro.
La solución: La mezcla por ultrasonidos emulsiona los reactivos de forma muy eficaz, rápida y barata, lo que permite mejorar la relación aceite-metanol, reducir las necesidades de catalizadores y disminuir el tiempo y la temperatura de reacción. De este modo, se ahorran recursos (es decir, productos químicos y energía) y tiempo, se reducen los costes de procesamiento y mejoran significativamente la calidad del biodiésel y la rentabilidad de la producción. Estos hechos convierten a la mezcla ultrasónica en la tecnología preferida para la fabricación eficaz de biodiésel.
La investigación y los productores industriales de biodiésel confirman que la mezcla por ultrasonidos es una forma muy rentable de producir biodiésel, incluso cuando se utilizan como materia prima aceites y grasas de baja calidad. La intensificación del proceso ultrasónico mejora considerablemente la tasa de conversión reduciendo el uso de metanol y catalizador en exceso, lo que permite producir biodiésel que cumple la norma de calidad de las especificaciones ASTM D6751 y EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

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

Numerosas ventajas de la mezcla por ultrasonidos en la producción de biodiésel

Los reactores de mezcla por ultrasonidos pueden integrarse fácilmente en cualquier instalación nueva, así como reequiparse en plantas de biodiésel ya existentes. La integración de un mezclador ultrasónico Hielscher convierte cualquier instalación de biodiésel en una planta de producción de alto rendimiento. Su sencilla instalación, robustez y facilidad de uso (no requiere formación específica para su manejo) permiten convertir cualquier instalación en una planta de biodiésel altamente eficiente. A continuación, le presentamos los resultados científicamente probados de las ventajas documentadas por terceros independientes. Las cifras demuestran la superioridad de la mezcla ultrasónica de biodiésel sobre cualquier técnica de agitación convencional.

El diagrama de flujo muestra las fases de producción del biodiésel, incluida la mezcla por ultrasonidos para mejorar la eficacia del proceso.

Comparación de eficiencia y costes: Ultrasonidos frente a agitación mecánica

Gholami et al. (2021) presentan en su estudio comparativo las ventajas de la transesterificación ultrasónica sobre la agitación mecánica (es decir, mezclador de palas, impulsor, mezclador de alto cizallamiento).
Costes de inversión: El procesador y reactor ultrasónico UIP16000 puede producir entre 192 y 384 t de biodiésel al día en un espacio de sólo 1,2 m x 0,6 m. En comparación, para la agitación mecánica (MS) se requiere un reactor mucho más grande debido al largo tiempo de reacción en el proceso de agitación mecánica, lo que hace que el coste del reactor aumente significativamente. (cf. Gholami et al., 2020)
Gastos de tramitación: Los costes de procesamiento para la producción de biodiésel por ultrasonidos son un 7,7% inferiores a los del proceso de agitación, debido principalmente a la menor inversión total del proceso de sonicación. El coste de los productos químicos (catalizador, metanol/alcohol) es el tercer factor de coste más importante en ambos procesos, sonicación y agitación mecánica. Sin embargo, en el caso de la conversión ultrasónica del biodiésel, el coste de los productos químicos es significativamente inferior al de la agitación mecánica. La fracción del coste correspondiente a los productos químicos representa aproximadamente el 5% del coste final del biodiésel. Debido al menor consumo de metanol, hidróxido de sodio y ácido fosfórico, el coste de los productos químicos en el proceso de biodiésel por ultrasonidos es un 2,2% inferior al del proceso de agitación mecánica.
Costes energéticos: La energía consumida por el reactor de mezcla ultrasónica es aproximadamente tres veces inferior a la del agitador mecánico. Esta considerable reducción en el consumo de energía es producto de la intensa micro-mezcla y la reducción del tiempo de reacción, resultantes de la producción y colapso de innumerables cavidades, que caracterizan el fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica (Gholami et al., 2018). Además, en comparación con el agitador convencional, el consumo de energía para las etapas de recuperación de metanol y purificación de biodiésel durante el proceso de mezcla ultrasónica se reduce en un 26,5% y un 1,3%, respectivamente. Esta disminución se debe a las menores cantidades de metanol que entran en estas dos columnas de destilación en el proceso de transesterificación ultrasónica.
Costes de eliminación de residuos: La tecnología de cavitación ultrasónica también reduce notablemente el coste de eliminación de residuos. Este coste en el proceso de sonicación es aproximadamente una quinta parte del del proceso de agitación, como resultado de la importante disminución de la producción de residuos debida a la mayor conversión del reactor y a la menor cantidad de alcohol consumido.
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Respeto del medio ambiente: Gracias a su altísima eficiencia global, al menor consumo de productos químicos y de energía y a la reducción de residuos, la producción de biodiésel por ultrasonidos es mucho más respetuosa con el medio ambiente que los procesos convencionales de fabricación de biodiésel.

Conclusión – Los ultrasonidos mejoran la eficacia de la producción de biodiésel

La evaluación científica muestra las claras ventajas de la mezcla ultrasónica frente a la agitación mecánica convencional para la producción de biodiésel. Las ventajas del proceso de biodiésel por ultrasonidos incluyen la inversión total de capital, el coste total del producto, el valor actual neto y la tasa interna de rentabilidad. El importe de la inversión total en el proceso de cavitación ultrasónica resultó ser inferior al de los demás en aproximadamente un 20,8%. El uso de reactores ultrasónicos redujo los costes del producto en un 5,2%. – utilizando aceite de canola virgen. Dado que la sonicación permite procesar también aceites usados (por ejemplo, aceites de cocina usados), los costes de producción pueden reducirse aún más. Gholami et al. (2021) llegan a la conclusión de que, debido a un valor actual neto positivo, el proceso de cavitación ultrasónica es la mejor opción de tecnología de mezcla para la producción de biodiésel.
Desde el punto de vista técnico, los efectos más importantes de la cavitación ultrasónica abarcan la significativa eficacia del proceso y la reducción del tiempo de reacción. La formación y el colapso de numerosas burbujas de vacío – conocida como cavitación acústica / ultrasónica – reducen el tiempo de reacción de varias horas en el reactor de tanque agitado a unos pocos segundos en el reactor de cavitación ultrasónica. Este breve tiempo de residencia permite producir biodiésel en un reactor de flujo continuo que ocupa poco espacio. El reactor de cavitación ultrasónica también muestra efectos beneficiosos sobre los requisitos energéticos y materiales, reduciendo el consumo de energía a casi un tercio del consumido por un reactor de tanque agitado y el consumo de metanol y catalizador en un 25%.
Desde el punto de vista económico, la inversión total del proceso de cavitación ultrasónica es inferior a la del proceso de agitación mecánica, debido principalmente a la reducción de casi el 50% y el 11,6% del coste del reactor y de la columna de destilación de metanol, respectivamente. El proceso de cavitación ultrasónica también reduce el coste de producción de biodiésel debido a una reducción del 4% en el consumo de aceite de canola, una menor inversión total, un 2,2% menos de consumo de productos químicos y un 23,8% menos de necesidades de servicios públicos. A diferencia del proceso de agitación mecánica, el proceso ultrasónico es una inversión aceptable debido a su valor actual neto positivo, un plazo de amortización más corto y una tasa interna de rentabilidad más alta. Además de las ventajas tecnoeconómicas asociadas al proceso de cavitación ultrasónica, es más respetuoso con el medio ambiente que el proceso de agitación mecánica. La cavitación ultrasónica da lugar a una reducción del 80% de los flujos de residuos debido a la mayor conversión en el reactor y al menor consumo de alcohol en este proceso. (cf. Gholami et al., 2021)

Utilice el catalizador de su elección

Se ha demostrado que el proceso de transesterificación ultrasónica del biodiésel es eficiente utilizando catalizadores alcalinos o básicos. Por ejemplo, Shinde y Kaliaguine (2019) compararon la eficiencia de la mezcla ultrasónica y la mezcla técnica con cuchillas utilizando varios catalizadores, a saber, hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de tetrametil amonio y cuatro guanidinas (propil-2,3-diclohexil guanidina (PCHG), 1,3-diclohexil 2 n-octil guanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidina (TMG), 1,3-difenil guanidina (DPG)). La mezcla ultrasónica (a 35º) demostró ser superior para la producción de biodiésel, superando a la mezcla mecánica (a 65º) por su mayor rendimiento y tasa de conversión. La eficiencia de la transferencia de masa en el campo de ultrasonidos mejoró la velocidad de la reacción de transesterificación en comparación con la agitación mecánica. La sonicación superó a la agitación mecánica para todos los catalizadores ensayados. La ejecución de la reacción de transesterificación con cavitación ultrasónica es una alternativa energéticamente eficiente e industrialmente viable para la producción de biodiésel. Además de los catalizadores ampliamente utilizados KOH y NaOH, ambos catalizadores de guanidina, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) y 1,3-diclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), se han mostrado como altrnativos interesantes para la conversión de biodiésel.
Mootabadi et al. (2010) investigaron la síntesis de biodiésel asistida por ultrasonidos a partir de aceite de palma utilizando diversos catalizadores de óxidos metálicos alcalinos como CaO, BaO y SrO. La actividad del catalizador en la síntesis de biodiesel asistida por ultrasonidos se comparó con el proceso de agitación magnética tradicional, y se encontró que el proceso de ultrasonidos mostró un 95,2% de rendimiento utilizando BaO en 60 minutos de tiempo de reacción, que de otro modo tomaría 3-4 h en el proceso de agitación convencional. En el caso de la transesterificación asistida por ultrasonidos en condiciones óptimas, se necesitaron 60 minutos para alcanzar un rendimiento del 95%, frente a las 2-4 horas de la agitación convencional. Además, los rendimientos conseguidos con ultrasonidos en 60 min aumentaron del 5,5% al 77,3% utilizando CaO como catalizadores, del 48,2% al 95,2% utilizando SrO como catalizadores, y del 67,3% al 95,2 utilizando BaO como catalizadores.

Producción de biodiésel utilizando diversas guanidinas (3% mol) como catalizador. (A) Reactor discontinuo de agitación mecánica: (metanol:aceite de canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reactor discontinuo de ultrasonidos: ultrasonicador UP200St(metanol:aceite de canola) 4:1, 60% de amplitud US, temperatura 35ºC. La mezcla por ultrasonidos supera con creces a la agitación mecánica.
(Estudio y gráficos: Shinde y Kaliaguine, 2019)

Reactores ultrasónicos de alto rendimiento para un procesamiento superior del biodiésel

Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores y reactores ultrasónicos de alto rendimiento para mejorar la producción de biodiésel, lo que se traduce en mayores rendimientos, mejor calidad, menor tiempo de procesamiento y menores costes de producción.

Reactores de Biodiesel de Pequeña y Mediana Escala

Para la producción de biodiesel de pequeñas y medianas corrientes volumétricas de hasta 9 ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher le ofrece diferentes procesadores ultrasónicos como el UIP500hdT (500 vatios), UIP1000hdT (1000 vatios), UIP1500hdT (1500 vatios)y UIP2000hdT (2000 vatios) modelos de mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento. Estos cuatro reactores ultrasónicos son muy compactos, fáciles de integrar o reequipar. Están fabricados para trabajar en entornos difíciles. A continuación encontrará las configuraciones de reactor recomendadas para una serie de índices de producción.

Reactores industriales de biodiésel de muy alto rendimiento

Para el procesamiento industrial de biodiesel en plantas de producción Hielscher ofrece los procesadores ultrasónicos UIP4000hdT (4 kW)UIP6000hdT (6 kW), UIP10000 (10 kW) y UIP16000hdT (16 kW) homogeneizadores ultrasónicos Estos procesadores ultrasónicos están diseñados para el procesamiento continuo de caudales elevados. Los modelos UIP4000hdT, UIP6000hdT y UIP10000 pueden integrarse en contenedores de transporte marítimo estándar. Como alternativa, los cuatro modelos de procesadores están disponibles en armarios de acero inoxidable. Una instalación vertical requiere un espacio mínimo. A continuación encontrará las configuraciones recomendadas para los índices de procesamiento industrial típicos.