Producción de biodiésel con una eficiencia superior del proceso y de los costes

La mezcla ultrasónica es la tecnología superior para una producción de biodiésel altamente eficiente y rentable. La cavitación ultrasónica mejora drásticamente la transferencia de masa, lo que reduce los costes de producción y la duración del procesamiento. Al mismo tiempo, permite utilizar aceites y grasas de baja calidad (p. ej., aceites usados) y mejora la calidad del biodiésel. Hielscher Ultrasonics suministra reactores de mezcla ultrasónica robustos y de alto rendimiento para cualquier escala de producción. ¡Descubra cómo la sonicación puede beneficiar a su producción de biodiésel!

Ventajas del uso de ultrasonidos en la producción de biodiésel

El biodiésel (éster metílico de ácidos grasos, abreviado FAME) es el producto de una reacción de transesterificación entre una materia prima lipídica (triglicéridos, p. ej., aceite vegetal, aceites de cocina usados, grasas animales o aceite de algas) y un alcohol (metanol, etanol), utilizando un catalizador (p. ej., hidróxido de potasio KOH).
El problema: En la conversión convencional a biodiésel mediante agitación convencional, el carácter inmiscible de los dos reactivos de la reacción de transesterificación, el aceite y el alcohol, da lugar a una baja velocidad de transferencia de masa y, por tanto, a una producción de biodiésel ineficiente. Esta ineficiencia se caracteriza por tiempos de reacción prolongados, mayores relaciones molares metanol-aceite, una elevada necesidad de catalizador, altas temperaturas de proceso y altas velocidades de agitación. Estos factores contribuyen considerablemente a los costes y hacen que la fabricación convencional de biodiésel sea un proceso caro.
La solución: La mezcla ultrasónica emulsiona los reactivos de forma altamente eficiente, rápida y económica, lo que permite mejorar la relación aceite-metanol, reducir la necesidad de catalizador 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 se mejoran significativamente la calidad del biodiésel y la rentabilidad de la producción. Estas ventajas convierten la mezcla ultrasónica en la tecnología preferida para una fabricación eficaz de biodiésel.
Las investigaciones y los productores industriales de biodiésel confirman que la mezcla ultrasónica es una forma muy rentable de producir biodiésel, incluso cuando se utilizan aceites y grasas de baja calidad como materia prima. La intensificación del proceso mediante ultrasonidos mejora considerablemente la tasa de conversión y reduce el uso de metanol y catalizador en exceso, lo que permite producir biodiésel que cumple los requisitos de calidad de las especificaciones ASTM D6751 y EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

La transesterificación de triglicéridos en biodiésel (FAME) mediante sonicación acelera la reacción y aumenta significativamente la eficiencia.

Numerosas ventajas de la mezcla ultrasónica en la producción de biodiésel

Los reactores de mezcla ultrasónica pueden integrarse fácilmente en cualquier instalación nueva e incorporarse a plantas de biodiésel existentes. La integración de un mezclador ultrasónico Hielscher convierte cualquier instalación de biodiésel en una planta de producción de alto rendimiento. Su instalación sencilla, robustez y facilidad de uso (no se requiere formación específica para su manejo) permiten transformar cualquier instalación en una planta de biodiésel altamente eficiente. A continuación, presentamos resultados científicamente demostrados de ventajas documentadas por terceros independientes. Las cifras demuestran la superioridad de la mezcla ultrasónica de biodiésel frente a cualquier técnica de agitación convencional.

El diagrama de flujo muestra las etapas de producción de biodiésel, incluida la mezcla ultrasónica para mejorar la eficiencia 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 frente a la agitación mecánica (es decir, mezclador de palas, impulsor y mezclador de alto cizallamiento).

Bajos costes de inversión:
El procesador y reactor ultrasónico UIP16000 puede producir 192–384 t de biodiésel/d y ocupa una superficie de tan solo 1,2 m x 0,6 m. En comparación, la agitación mecánica (MS) requiere un reactor mucho mayor debido al prolongado tiempo de reacción del proceso de agitación mecánica, lo que aumenta significativamente el coste del reactor. (cf. Gholami et al., 2020)
Bajos costes de procesamiento:
Los costes de procesamiento de la producción ultrasónica de biodiésel son un 7,7% inferiores a los del proceso de agitación, principalmente debido a la menor inversión total del proceso de sonicación. El coste de los productos químicos (catalizador, metanol/alcohol) es el tercer factor que más contribuye al coste de ambos procesos, la sonicación y la agitación mecánica. Sin embargo, en la conversión ultrasónica a biodiésel, los costes de los productos químicos son significativamente inferiores a los de la agitación mecánica. Los productos químicos representan 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 ultrasónico de biodiésel es un 2,2% inferior al del proceso de agitación mecánica.

Menores costes energéticos:
La energía consumida por el reactor de mezcla ultrasónica es aproximadamente tres veces menor que la consumida por el agitador mecánico. Esta considerable reducción del consumo energético se debe a la intensa micromezcla y al menor tiempo de reacción, resultantes de la formación y el colapso de innumerables cavidades que caracterizan el fenómeno de la cavitación acústica / ultrasónica (Gholami et al., 2018). Además, en comparación con el agitador convencional, el consumo energético de las etapas de recuperación del metanol y purificación del 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 muy reducidos:
La tecnología de cavitación ultrasónica también reduce considerablemente el coste de eliminación de residuos. Este coste en el proceso de sonicación es aproximadamente una quinta parte del correspondiente al proceso de agitación, como resultado de la disminución significativa de la generación de residuos gracias a una mayor conversión en el reactor y a un menor consumo de alcohol.
¡Más información sobre la conversión ultrasónica a biodiésel de aceites extraídos de posos de café usados!

Mayor respeto por el medio ambiente:
Debido a su elevada eficiencia global, al menor consumo de productos químicos, a las menores necesidades energéticas y a la reducción de residuos, la producción ultrasónica de biodiésel es significativamente más respetuosa con el medio ambiente que los procesos convencionales de fabricación de biodiésel.

Conclusión – Los ultrasonidos mejoran la eficiencia 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 procesamiento ultrasónico de biodiésel abarcan la inversión total de capital, el coste total del producto, el valor actual neto y la tasa interna de rentabilidad. Se constató que la inversión total en el proceso de cavitación ultrasónica era aproximadamente un 20,8% inferior a la del otro proceso. El uso de reactores ultrasónicos redujo los costes del producto en un 5,2% – utilizando aceite de canola virgen. Dado que la sonicación también permite procesar aceites usados (p. ej., aceites de cocina usados), los costes de producción pueden reducirse aún más de forma significativa. Gholami et al. (2021) concluyen que, debido a su 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 incluyen una notable eficiencia del proceso y la reducción del tiempo de reacción. La formación y el colapso de numerosas burbujas de vacío – fenómeno conocido 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 tiene efectos beneficiosos sobre las necesidades de energía y materiales: reduce el consumo energético a casi un tercio del de un reactor de tanque agitado y el consumo de metanol y catalizador en un 25%.
Desde la perspectiva económica, la inversión total del proceso de cavitación ultrasónica es inferior a la del proceso de agitación mecánica, principalmente debido a una reducción de casi el 50% en el coste del reactor y del 11,6% en el coste de la columna de destilación de metanol, respectivamente. El proceso de cavitación ultrasónica también reduce el coste de producción del biodiésel gracias a una reducción del 4% en el consumo de aceite de canola, una menor inversión total, un consumo de productos químicos un 2,2% inferior y unas necesidades de servicios auxiliares un 23,8% menores. A diferencia del proceso con agitación mecánica, el procesamiento ultrasónico es una inversión aceptable debido a su valor actual neto positivo, su menor plazo de recuperación de la inversión y su mayor tasa interna de rentabilidad. Además de los beneficios técnico-económicos asociados al proceso de cavitación ultrasónica, este es más respetuoso con el medio ambiente que el proceso de agitación mecánica. La cavitación ultrasónica permite reducir los flujos de residuos en un 80% gracias a la mayor conversión en el reactor y al menor consumo de alcohol en este proceso. (cf. Gholami et al., 2021)

¡Transforme materias primas de baja calidad en biodiésel de excelente calidad!

La sonicación permite procesar con mayor eficacia materias primas de baja calidad, como aceites vegetales usados, grasas de fritura usadas, sebo o aceites de pescado, porque la cavitación ultrasónica propicia un contacto mucho mayor entre las fases inmiscibles de aceite y alcohol, lo que mejora considerablemente la mezcla y la transferencia de calor y masa. También acelera la cinética de reacción, de modo que incluso las materias primas difíciles de procesar y de composición variable pueden convertirse más rápidamente y de forma más completa.
La cavitación acústica intensifica el entorno de reacción y puede favorecer la formación de radicales altamente reactivos, lo que contribuye aún más a una transesterificación rápida y ayuda a superar los inconvenientes habituales del procesamiento de materias primas de baja calidad.
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Utilice el catalizador de su elección

Se ha demostrado que el proceso de transesterificación ultrasónica del biodiésel es eficiente tanto con catalizadores alcalinos como básicos. Por ejemplo, Shinde and Kaliaguine (2019) compararon la eficiencia de la mezcla ultrasónica y de la mezcla mecánica con palas utilizando diversos catalizadores, concretamente hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de tetrametilamonio y cuatro guanidinas (propil-2,3-diciclohexilguanidina (PCHG), 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametilguanidina (TMG), 1,3-difenilguanidina (DPG)). La mezcla ultrasónica (a 35º) demostró ser superior para la producción de biodiésel, al superar a la mezcla mecánica (a 65º) con mayores rendimientos y una mayor tasa de conversión. La eficiencia de la transferencia de masa en el campo ultrasónico aumentó la velocidad de la reacción de transesterificación en comparación con la agitación mecánica. La sonicación superó a la agitación mecánica con todos los catalizadores ensayados. Realizar la reacción de transesterificación mediante cavitación ultrasónica es una alternativa energéticamente eficiente e industrialmente viable para la producción de biodiésel. Además de los catalizadores ampliamente utilizados KOH y NaOH, los dos catalizadores de guanidina, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) y 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), también han demostrado ser alternativas interesantes para la conversión a biodiésel.
Mootabadi et al. (2010) investigaron la síntesis de biodiésel a partir de aceite de palma asistida por ultrasonidos utilizando diversos catalizadores de óxidos de metales alcalinos, como CaO, BaO y SrO. La actividad del catalizador en la síntesis de biodiésel asistida por ultrasonidos se comparó con la del proceso tradicional de agitación magnética, y se constató que el proceso ultrasónico alcanzaba un rendimiento del 95,2% con BaO en un tiempo de reacción de 60 min, mientras que el proceso de agitación convencional requería 3–4 h. Para la transesterificación asistida por ultrasonidos en condiciones óptimas, se necesitaron 60 min para alcanzar un rendimiento del 95%, frente a 2–4 h con agitación convencional. Asimismo, los rendimientos alcanzados con ultrasonidos en 60 min aumentaron del 5,5% al 77,3% utilizando CaO como catalizador, del 48,2% al 95,2% utilizando SrO como catalizador y del 67,3% al 95,2 utilizando BaO como catalizador.

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

Reactores ultrasónicos de alto rendimiento para un procesamiento superior del biodiésel

Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores y reactores ultrasónicos de alto rendimiento que mejoran la producción de biodiésel y permiten obtener mayores rendimientos, una mejor calidad, tiempos de procesamiento más cortos y menores costes de producción.

Reactores de biodiésel a pequeña y mediana escala

Para la producción de biodiésel a pequeña y mediana escala de hasta 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher le ofrece los modelos UIP500hdT (500 vatios), UIP1000hdT (1000 vatios), UIP1500hdT (1500 vatios) y UIP2000hdT (2000 vatios) de mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento. Estos cuatro reactores ultrasónicos son muy compactos y fáciles de integrar en instalaciones nuevas o incorporar a instalaciones existentes. Están diseñados para un funcionamiento intensivo en entornos exigentes. A continuación encontrará configuraciones de reactores recomendadas para distintas capacidades de producción.

Reactores industriales de biodiésel para capacidades de producción muy elevadas

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