Producción de biodiésel con un proceso superior y eficiencia de costes

La mezcla por ultrasonidos es la tecnología superior para la producción de biodiésel altamente eficiente 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 biodiésel 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 la materia prima lipídica (triglicéridos, por ejemplo, aceite vegetal, aceites de cocina usados, grasas animales, aceite de algas) y el 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 los largos tiempos de reacción, las elevadas relaciones molares metanol-aceite, los elevados requisitos de los catalizadores, las altas temperaturas de proceso y las altas velocidades de agitación. Estos factores son importantes factores de coste que hacen que la fabricación convencional de biodiésel sea un proceso caro.
La solución: El mezclado por ultrasonidos emulsiona los reactivos de forma muy eficaz, rápida y económica, de modo que se puede mejorar la relación aceite-metanol, se reducen las necesidades de catalizadores y se disminuyen 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 considerablemente 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 aceites y grasas de baja calidad como materia prima. La intensificación del proceso por ultrasonidos mejora considerablemente la tasa de conversión, reduciendo el uso del exceso de metanol y catalizador, lo que permite producir biodiésel que cumple con el estándar de calidad de las especificaciones ASTM D6751 y EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

La transesterificación por ultrasonidos mejora la conversión del biodiésel.

La transesterificación de los triglicéridos en biodiésel (FAME) utilizando la sonicación da lugar a una reacción acelerada y a una eficiencia significativamente mayor.

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Procesador de biodiésel por ultrasonidos UIP2000hdT con reactor FC2T500k para una rápida conversión, mayores rendimientos y una excelente eficiencia global. Los ultrasonidos superan fácilmente a los agitadores mecánicos en la fabricación de biodiésel.

Reactor de biodiésel por ultrasonidos UIP2000hdT para una mayor eficiencia del proceso: mayor rendimiento, mejor calidad del biodiésel, procesamiento más rápido y reducción de costes.

Reduzca las necesidades energéticas de su proceso de biodiésel con la mezcla por ultrasonidos.

La mezcla por ultrasonidos reduce el consumo específico de energía en la fabricación de biodiésel, superando con creces la mezcla magnética hidrodinámica y los mezcladores de alto cizallamiento.

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 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, su robustez y su facilidad de uso (no se requiere una formación específica para su manejo) permiten convertir cualquier instalación en una planta de biodiésel de alta eficiencia. A continuación, le presentamos los resultados científicamente probados de las ventajas documentadas por terceros independientes. Las cifras demuestran la superioridad de la mezcla de biodiésel por ultrasonidos sobre cualquier técnica de agitación convencional.

Diagrama de flujo de una planta de procesamiento de biodiésel por ultrasonidos

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

Comparación de eficiencia y costes: Ultrasonidos frente a agitación mecánica

La tecnología del reactor de biodiésel por ultrasonidos utiliza la cavitación por ultrasonidos para obtener unos resultados de mezcla superiores. Esto da lugar a una mayor conversión de biodiésel, mayores rendimientos, menos metanol y menos consumo de catalizadores, así como a una reducción de los costes energéticos y operativos.Gholami et al. (2021) presentan en su estudio comparativo las ventajas de la transesterificación por ultrasonidos frente a la agitación mecánica (es decir, mezclador de cuchillas, impulsor, mezclador de alto cizallamiento).
Costes de inversión: El procesador y reactor de ultrasonidos UIP16000 puede producir entre 192 y 384 t de biodiésel al día con 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)
Costes de tramitación: Los costes de procesamiento para la producción de biodiésel por ultrasonidos 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 de coste más importante en ambos procesos, sonicación y agitación mecánica. Sin embargo, en el caso de la conversión de biodiésel por ultrasonidos, los costes de los productos químicos son significativamente inferiores a los de la agitación mecánica. La fracción de coste de 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 menor que 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, resultante de la producción y 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 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 la eliminación de residuos. Este coste en el proceso de sonicación es aproximadamente una quinta parte del del proceso de agitación, lo que resulta de la importante disminución de la producción de residuos debido a la mayor conversión del reactor y a la menor cantidad de alcohol consumido.
Respetuoso con el medio ambiente: Debido a la altísima eficiencia global, al menor consumo de productos químicos, a las menores necesidades energéticas 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 eficiencia de la producción de biodiésel

El mezclado por ultrasonidos supera a los mezcladores mecánicos de hélice por su eficacia.La evaluación científica muestra las claras ventajas de la mezcla por ultrasonidos sobre 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 rendimiento. Se comprobó que el importe de la inversión total en el proceso de cavitación ultrasónica era 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 importante eficacia del proceso y la reducción del tiempo de reacción. La formación y el colapso de numerosas burbujas de vacío – conocido como cavitación acústica / ultrasónica – reducir el tiempo de reacción de varias horas en el reactor de tanque agitado a unos pocos segundos en el reactor de cavitación ultrasónica. Este corto tiempo de residencia permite la producción de biodiésel en un reactor de flujo continuo que ocupa poco espacio. El reactor de cavitación ultrasónica también muestra efectos beneficiosos en los requisitos de energía y material, 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 por ultrasonidos es una inversión aceptable debido a su valor actual neto positivo, a su menor tiempo de amortización y a su mayor tasa interna de retorno. 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)

Los reactores de cavitación por ultrasonidos de Hielscher Ultrasonics están ampliamente instalados en las instalaciones de fabricación de biodiésel para mejorar la eficiencia del proceso, aumentar el rendimiento y reducir los costes de producción.

Reactor de flujo ultrasónico con 3 ultrasonidos de 1kW del modelo 1000hdT para una conversión de biodiésel altamente eficiente.

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Diagrama de flujo para la producción continua en línea de biodiésel utilizando un reactor de ultrasonidos Hielscher para mejorar la mezcla.

El diagrama de flujo muestra una configuración típica para un proceso de biodiésel asistido por ultrasonidos. El uso de un reactor de ultrasonidos mejora drásticamente la eficiencia del proceso de biodiésel.

Utilice el catalizador de su elección

El proceso de transesterificación ultrasónica del biodiésel ha demostrado ser 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 amonio tetrametilo 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) se mostró 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 los 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 probados. 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, los dos catalizadores de guanidina, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) y 1,3-diclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), se han mostrado como altrnativas interesantes para la conversión de biodiesel.
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 biodiésel asistida por ultrasonidos se comparó con el proceso tradicional de agitación magnética, y se encontró que el proceso de ultrasonidos mostró un 95,2% de rendimiento utilizando BaO en un tiempo de reacción de 60 minutos, que de otro modo toma 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 lograr un rendimiento del 95%, en comparación con las 2-4 horas de la agitación convencional. Además, los rendimientos conseguidos con ultrasonidos en 60 minutos 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.

La mezcla por ultrasonidos supera a la agitación mecánica en cuanto a rendimiento de biodiésel, tiempo y eficacia general. Para el estudio se utilizó un ultrasonido Hielscher UP200St.

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

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Reactores ultrasónicos de alto rendimiento para un procesamiento superior del biodiésel

Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores y reactores de ultrasonidos de alto rendimiento para mejorar la producción de biodiésel, lo que se traduce en un mayor rendimiento, una mejor calidad, una reducción del tiempo de procesamiento y una disminución de los costes de producción.

Reactores de Biodiesel de Pequeña y Mediana Escala

reactores de ultrasonidos de mezcla para la producción de biodieselPara 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 de reequipar. Están construidos para trabajar en entornos difíciles. A continuación encontrará las configuraciones de reactores recomendadas para una serie de índices de producción.

ton/hr
gal/hr
1 x UIP500hdT (500 vatios)
0.25 a 0.5
80 a 160
1 x UIP1000hdT (1000 vatios)
0.5 a 1.0
160 a 320
1 x UIP1500hdT (1500 vatios)
0.75 a 1.5
240 a 480
1 x UIP2000hdT (2000 vatios)
1.0 a 2.0
320 a 640
2x UIP2000hdT (2000 vatios)
2,0 a 4,0
640 a 1280
4xUIP1500hdT (1500 vatios)
3.0 a 6.0
960 a 1920
6x UIP1500hdT (1500 vatios)
4.5 a 9.0
1440 a 2880
6x UIP2000hdT (2000 vatios)
6.0 a 12.0
1920 a 3840

Reactores industriales de biodiésel de muy alto rendimiento

producción de biodieselPara el procesamiento industrial de biodiesel en plantas de producción Hielscher ofrece los procesadores ultrasónicos UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) y UIP16000hdT (16kW) ¡homogeneizadores ultrasónicos! Estos procesadores por ultrasonidos están diseñados para el procesamiento continuo de grandes caudales. El UIP4000hdT, el UIP6000hdT y el UIP10000 pueden integrarse en contenedores marítimos 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 industriales típicos.

ton/hr
gal/hr
1x UIP6000hdT (6000 vatios)
3.0 a 6.0
960 a 1920
3x UIP4000hdT (4000 vatios)
6.0 a 12.0
1920 a 3840
5x UIP4000hdT (4000 vatios)
10.0 a 20.0
3200 a 6400
3x UIP6000hdT (6000 vatios)
9,0 a 18,0
2880 a 5880
3x UIP10000 (10.000 vatios)
15.0 a 30.0
4800 a 9600
3x UIP16000hdT (16.000 vatios)
24.0 a 48.0
7680 a 15360
5x UIP16000hdT
40.0 a 80.0
12800 a 25600

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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

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 biodiesel

El biodiésel se produce cuando los triglicéridos se convierten en ésteres metílicos grasos libres (FAME) mediante una reacción química conocida como transesterificación. 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 en las grasas animales. Durante la reacción de transesterificación, los triglicéridos presentes en la materia prima (por ejemplo, aceites vegetales, aceites de cocina usados o 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 la reacción de transesterificación del biodiésel, se forman ésteres alquílicos a partir de la materia prima de aceite vegetal o grasa animal. Dado que el biodiésel puede producirse a partir de diferentes materias primas, como aceites vegetales vírgenes, aceites vegetales de desecho, aceites de fritura usados, 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 mismo. 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 (FFAs) 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 pretratamiento (la llamada reacción de esterificación), durante el cual los AGL se transforman en ésteres. La ultrasonicación promueve ambas reacciones, la transesterificación y la esterificación.
Más información sobre la esterificación catalizada por ácidos y la transesterificación catalizada por bases de aceites y grasas pobres para obtener biodiésel de alta calidad.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido 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.