Biodiisel ultraheli abil täiustatud (trans-) esterdamine

Biodiisel sünteesitakse ümberesterdamise teel, kasutades baaskatalüsaatorit. Kui aga kasutatakse sellist toorainet nagu madala kvaliteediga köögiviljajäätmed, millel on kõrge vabade rasvhapete sisaldus, on vajalik esterdamise keemiline eeltöötlusetapp happekatatlüsti abil. Ultraheli ja selle sonokeemilised ja sonomehaanilised mõjud aitavad kaasa mõlemale reaktsioonitüübile ja suurendavad biodiisli muundamise efektiivsust dramaatiliselt. Ultraheli biodiisli tootmine on oluliselt kiirem kui tavaline biodiisli süntees, mille tulemuseks on suurem biodiisli saagis ja kvaliteet ning säästab reaktiive nagu metanool ja katalüsaator.

Biodiisli muundamine Power Ultrasound abil

Biodiisli puhul toodetakse rasvhapete estreid taimeõlide ja loomsete rasvade (nt sulatatud rasv) ümberesterdamisel. Ümberesterdamisreaktsiooni ajal asendatakse glütserooli komponent teise alkoholiga, näiteks metanooliga. Suure vabade rasvhapete sisaldusega lähteained, nt taimeõlijäätmed, vajavad seebi moodustumise vältimiseks happe esterdamise eeltöötlust. See happekatalüüsi protsess on väga aeglane reaktsioon, kui see viiakse läbi tavapärase partii meetodina. Aeglase esterdamisprotsessi kiirendamise lahendus on võimsuse ultraheli rakendamine. Sonikatsioon saavutab reaktsioonikiiruse, konversiooni ja biodiisli saagise olulise paranemise, kuna suure võimsusega ultraheli sonokeemilised mõjud soodustavad ja intensiivistavad happekatalüüsi. Ultraheli kavitatsioon pakub sonomehaanilisi jõude, s.t. kõrge nihkega segamine, samuti sonokeemiline energia. Need mõlemat tüüpi ultraheli mõju (sonomehaaniline ja sonokeemiline) muudavad happekatalüüsitud esterdamise kiireks reaktsiooniks, mis nõuab vähem katalüsaatorit.

Kuidas ultraheli biodiisli muundamine toimib?

Ultraheli ümberesterdamise erinevate faaside vahel (mõnikord nimetatakse ka alkoholüüsiks ) ja esterdamine põhineb segamise suurendamisel, samuti suurenenud soojuse ja massiülekandel. Ultraheli segamine põhineb akustilise kavitatsiooni põhimõttel, mis tekib vedelikus vaakummullide implodeerimise tulemusena. Akustilist kavitatsiooni iseloomustavad suured nihkejõud ja turbulentsid, samuti väga kõrge rõhu ja temperatuuri erinevused. Need jõud soodustavad ümberesterdamise / esterdamise keemilist reaktsiooni ning intensiivistavad massi ja soojusülekannet, parandades seeläbi oluliselt biodiisli muundamise reaktsiooni.

Triglütseriidide ümberesterdamine biodiislikütuseks (FAME), kasutades ultrahelitöötlust, toob kaasa kiirendatud reaktsiooni ja oluliselt suurema efektiivsuse.

Ultraheli kasutamine biodiisli muundamise ajal on teaduslikult ja tööstuslikult tõestatud, et see parandab protsessi efektiivsust. Protsessi efektiivsuse paranemist võib seostada energiatarbimise ja tegevuskulude vähenemisega ning alkoholi (st metanooli), väiksema katalüsaatori ja oluliselt lühenenud reaktsiooniaja vähenemisega. Kütte energiakulu on välistatud, kuna puudub vajadus väliskütte järele. Lisaks on biodiisli ja glütserooli faaside eraldamine lihtsam, kui faaside eraldamise aeg on lühem. Oluline tegur ultraheli kaubanduslikuks kasutamiseks biodiisli tootmisel on lihtne skaala mis tahes mahuni, usaldusväärne ja ohutu töö, samuti ultraheli seadmete töökindlus ja usaldusväärsus (tööstuslik standard, mis on võimeline töötama pidevalt 24/7/365 täiskoormuse all).

Ultraheli tööstussüsteem koos vooluelemendiga inline biodiisli esterdamiseks ja ümberesterdamiseks.

Ultraheli abil kaheastmeline biodiisli muundamine, rakendades happe- ja aluskatalüüsitud reaktsioonietappe

Suure FFA sisaldusega lähteainete puhul toimub biodiislikütuse tootmine happe või alusega katalüüsitud reaktsioonina kaheastmelises protsessis. Ultraheli aitab kaasa kahte tüüpi reaktsioonidele, happekatalüüsitud esterdamisele ja aluse katalüüsitud ümberesterdamisele:

Happekatalüüsitud esterdamine ultraheli abil

Vabade rasvhapete liia töötlemiseks lähteaines on vaja esterdamisprotsessi. Väävelhapet kasutatakse tavaliselt happekatalüsaatorina.

• Lähteaine valmistamine saasteainetest ja veest filtreerimise ja rafineerimise teel.
• Katalüsaator, nimelt väävelhape, lahustatakse metanoolis. Katalüsaatori/ metanooli ja lähteaine etteandevoog läbi soojusvaheti ja staatilise segisti, et saada toores eelsegu.
• Katalüsaatori ja lähteaine eelsegu läheb otse ultraheli reaktsioonikambrisse, kus jõustub ülipeen segamine ja sonokeemia ning vabad rasvhapped muundatakse biodiislikütuseks.
• Lõpuks tühjendage toode ja toitke see teisele etapile – ultraheli ümberesterdamisele. Happeline märg metanool on pärast taaskasutamist, kuivatamist ja neutraliseerimist valmis taaskasutamiseks.
• Väga kõrge FFA-d sisaldavate lähteainete puhul võib FFA alandamiseks mõistlikule tasemele enne ümberesterdamise etappi olla vaja retsirkulatsiooni seadistust.

Esterdamisreaktsioon happekatalüsaatori abil:
FFA + alkohol → ester + vesi

Baas-katalüüsitud ümberesterdamine ultraheli abil

Lähteainet, milles on nüüd vaid väike kogus FFA-sid, saab otse ümberesterdamise etappi suunata. Kõige sagedamini kasutatakse aluskatalüsaatorina naatriumhüdroksiidi või kaaliumhüdroksiidi (NaOH, KOH).

• Katalüsaator, nimelt kaaliumhüdroksiid, lahustatakse metanoolis ja juhitakse katalüsaatori/ metanooli ja eeltöödeldud lähteaine vood staatilise segisti kaudu, et saada toores eelsegu.
• Söötke eelsegu otse ultraheli reaktsioonikambrisse kavitatsioonilise suure nihkega segamiseks ja sonokeemiliseks raviks. Selle reaktsiooni saadused on alküülestrid (st biodiisel) ja glütseriin. Glütseriini saab eraldada settimise või tsentrifuugimise teel.
• Ultraheli toodetud biodiisel on kõrge kvaliteediga ja toodetud kiiresti, energiatõhusalt ja kulutõhusalt, säästes metanooli ja katalüsaatorit.

Ümberesterdamisreaktsioon baaskatalüsaatori abil:
Õli / rasv + alkohol → biodiisel + glütserool

Metanooli kasutamine & Metanooli taaskasutamine

Metanool on biodiisli tootmisel võtmekomponent. Ultraheliga juhitav biodiisli muundamine võimaldab oluliselt vähendada metanooli kasutamist. Kui te nüüd mõtlete, et "ma ei hooli oma metanooli kasutamisest, kuna ma taastan selle niikuinii", võite uuesti mõelda ja kaaluda aurustamisetapile (nt destilleerimiskolonni kasutamine) kehtivat ülemäärast kõrget energiakulu, mis on vajalik metanooli eraldamiseks ja ringlussevõtuks.
Metanool eemaldatakse tavaliselt pärast biodiisli ja glütseriini eraldamist kaheks kihiks, vältides reaktsiooni pöördumist. Seejärel metanool puhastatakse ja võetakse ringlusse tagasi protsessi algusesse. Biodiisli tootmine ultraheliga juhitava esterdamise ja ümberesterdamise kaudu on teil võimalik vähendada metanooli kasutamist dramaatiliselt, vähendades seeläbi metanooli taaskasutamise ülemääraseid suuri energiakulusid. Hielscheri ultraheli reaktorite kasutamine vähendab vajalikku kogust liigset metanooli kuni 50%. Molaarsuhe vahemikus 1:4 või 1:4,5 (õli: metanool) on enamiku lähteainete jaoks piisav, kui kasutate Hielscheri ultraheli segamist.

Ultraheli suurenenud biodiisli muundamise efektiivsus – teaduslikult tõestatud

Paljud teadlaste rühmad on uurinud biodiisli ultraheli ümberesterdamise mehhanismi ja mõju. Näiteks näitas Sebayan Darwini uurimisrühm, et ultraheli kavitatsioon suurendas keemilist aktiivsust ja reaktsioonikiirust, mille tulemuseks oli oluliselt suurenenud estri moodustumine. Ultraheli tehnika vähendas ümberesterdamise reaktsiooniaega 5 minutini – võrreldes 2 tunniga mehaanilise segamise töötlemisel. Triglütseriidide (TG) muundamine FAME-ks ultraheliuuringu alusel saadi 95,6929%wt metanooli ja õli molaarsuhtega 6:1 ja 1%wt naatriumhüdroksiidiga katalüsaatorina. (vrd Darwin et al. 2010)

Keskmise suurusega ja suuremahulised ultrasonikaatorid biodiisli töötlemiseks

Hielscher Ultrasonics’ tarnib väikeseid kuni keskmise suurusega, samuti suuremahulisi tööstuslikke ultraheli protsessoreid biodiisli tõhusaks tootmiseks mis tahes mahus. Pakkudes ultraheli süsteemi mis tahes skaalal, võib Hielscher pakkuda ideaalset lahendust nii väiketootjatele kui ka suurettevõtetele. Ultraheli biodiisli muundamist saab kasutada partiina või pideva tekstisisese protsessina. Paigaldamine ja kasutamine on lihtne, ohutu ja annab usaldusväärselt kõrge kvaliteediga biodiislikütuse kõrge kvaliteedi.
Allpool leiate soovitatavad reaktori seadistused erinevate tootmismäärade jaoks.