بیودیزل از طریق استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون بهبودیافته با فراصوت
بیودیزل از طریق ترانس‌استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور بازی سنتز می‌شود. بااین‌حال، اگر از مواد اولیه‌ای مانند روغن گیاهی پسماند کم‌کیفیت با محتوای بالای اسیدهای چرب آزاد استفاده شود، یک مرحله پیش‌تیمار شیمیایی به روش استریفیکاسیون با کاتالیزور اسیدی لازم است. فراصوت‌دهی و اثرات سونوشیمیایی و سونومکانیکی آن به هر دو نوع واکنش کمک می‌کنند و کارایی تبدیل به بیودیزل را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. تولید فراصوتی بیودیزل به‌مراتب سریع‌تر از سنتز متداول آن است، بازده و کیفیت بالاتری ایجاد می‌کند و مصرف واکنشگرهایی مانند متانول و کاتالیزور را کاهش می‌دهد.
تبدیل به بیودیزل با استفاده از فراصوت پرتوان
برای تولید بیودیزل، استرهای اسیدهای چرب از طریق ترانس‌استریفیکاسیون روغن‌های گیاهی و همچنین چربی‌های حیوانی، مانند پیه، تولید می‌شوند. طی واکنش ترانس‌استریفیکاسیون، جزء گلیسرولی با الکل دیگری مانند متانول جایگزین می‌شود. خوراک‌هایی با محتوای بالای اسیدهای چرب آزاد، مانند روغن‌های گیاهی پسماند (WVO)، برای جلوگیری از تشکیل صابون به پیش‌تیمار استریفیکاسیون اسیدی نیاز دارند. این فرایند کاتالیز اسیدی، هنگامی که به روش متداول ناپیوسته انجام شود، واکنشی بسیار کند است. راهکار تسریع فرایند کند استریفیکاسیون، استفاده از فراصوت پرتوان است. فراصوت‌دهی سرعت واکنش، میزان تبدیل و بازده بیودیزل را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد، زیرا اثرات سونوشیمیایی فراصوت پرتوان، کاتالیز اسیدی را تقویت و تشدید می‌کنند. کاویتاسیون فراصوتی، نیروهای سونومکانیکی، یعنی اختلاط با برش بالا، و همچنین انرژی سونوشیمیایی فراهم می‌کند. این دو نوع اثر فراصوتی، یعنی سونومکانیکی و سونوشیمیایی، استریفیکاسیون با کاتالیزور اسیدی را به واکنشی سریع با نیاز کمتر به کاتالیزور تبدیل می‌کنند.
اختلاط فراصوتی سرعت تبدیل به بیودیزل را بهبود می‌بخشد، بازده را افزایش می‌دهد و مصرف متانول اضافی و کاتالیزور را کاهش می‌دهد. تصویر، نصب 3x دستگاه را نشان می‌دهد: UIP1000hdT (هرکدام با توان فراصوت 1kW) برای پردازش درون‌خطی.
تبدیل فراصوتی به بیودیزل چگونه انجام می‌شود؟
فراصوت‌دهی میان فازهای مختلف در ترانس‌استریفیکاسیون، که گاهی الکولیز نیز نامیده می‌شود، و استریفیکاسیون، بر بهبود اختلاط و همچنین افزایش انتقال حرارت و جرم استوار است. اختلاط فراصوتی بر اصل کاویتاسیون آکوستیکی تکیه دارد که در نتیجه فروپاشی حباب‌های خلأ در مایع رخ می‌دهد. کاویتاسیون آکوستیکی با نیروهای برشی و آشفتگی شدید و همچنین اختلاف‌های بسیار زیاد فشار و دما مشخص می‌شود. این نیروها واکنش شیمیایی ترانس‌استریفیکاسیون / استریفیکاسیون را تقویت می‌کنند و انتقال جرم و حرارت را تشدید می‌کنند؛ در نتیجه، واکنش تبدیل به بیودیزل به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌یابد.
ترانس‌استریفیکاسیون تری‌گلیسریدها به بیودیزل (FAME) با استفاده از فراصوت‌دهی، به تسریع واکنش و افزایش چشمگیر کارایی می‌انجامد.
بهبود کارایی فرایند با استفاده از فراصوت در حین تبدیل به بیودیزل، از نظر علمی و صنعتی اثبات شده است. این بهبود کارایی را می‌توان به کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های بهره‌برداری، کاهش مصرف الکل، یعنی متانول، نیاز کمتر به کاتالیزور و کوتاه‌تر شدن چشمگیر زمان واکنش نسبت داد. هزینه انرژی برای گرمایش حذف می‌شود، زیرا نیازی به گرمایش خارجی نیست. افزون بر این، جداسازی فازهای بیودیزل و گلیسرول ساده‌تر است و در زمان کوتاه‌تری انجام می‌شود. عوامل مهم برای استفاده تجاری از فراصوت در تولید بیودیزل عبارت‌اند از افزایش آسان مقیاس به هر حجم، عملکرد قابل‌اعتماد و ایمن و همچنین استحکام و قابلیت اطمینان تجهیزات فراصوتی؛ این تجهیزات دارای استاندارد صنعتی هستند و می‌توانند به‌صورت پیوسته 24/7/365 تحت بار کامل کار کنند.
سامانه صنعتی فراصوتی مجهز به سلول جریان برای استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون درون‌خطی بیودیزل.
استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یا در قالب فرایند پیوسته درون‌خطی انجام داد. این نمودار، فرایند فراصوتی درون‌خطی ترانس‌استریفیکاسیون بیودیزل (FAME) را نشان می‌دهد.
استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یا در قالب فرایند پیوسته درون‌خطی انجام داد. این نمودار، فرایند فراصوتی ناپیوسته تبدیل به بیودیزل را نشان می‌دهد.
تبدیل دومرحله‌ای به بیودیزل به کمک فراصوت با استفاده از مراحل واکنش با کاتالیزورهای اسیدی و بازی
برای خوراک‌هایی با محتوای بالای FFA، تولید بیودیزل به‌صورت واکنش با کاتالیزور اسیدی یا بازی در یک فرایند دومرحله‌ای انجام می‌شود. فراصوت به هر دو نوع واکنش، یعنی استریفیکاسیون با کاتالیزور اسیدی و ترانس‌استریفیکاسیون با کاتالیزور بازی، کمک می‌کند:
استریفیکاسیون با کاتالیزور اسیدی با استفاده از فراصوت
برای تیمار مقدار اضافی اسیدهای چرب آزاد موجود در خوراک، فرایند استریفیکاسیون لازم است. اسید سولفوریک معمولاً به‌عنوان کاتالیزور اسیدی استفاده می‌شود.
- خوراک را با فیلتراسیون و پالایش برای حذف آلاینده‌ها و آب آماده کنید.
- کاتالیزور، یعنی اسید سولفوریک، را در متانول حل کنید. جریان کاتالیزور/متانول و خوراک را از یک مبدل حرارتی و یک مخلوط‌کن ایستا عبور دهید تا یک پیش‌مخلوط اولیه به دست آید.
- پیش‌مخلوط کاتالیزور و خوراک مستقیماً وارد محفظه واکنش فراصوتی می‌شود؛ در آنجا اختلاط در مقیاس فوق‌ریز و سونوشیمی اثر می‌گذارند و اسیدهای چرب آزاد به بیودیزل تبدیل می‌شوند.
- در پایان، آب محصول را جدا کنید و آن را به مرحله دوم، یعنی ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی، وارد کنید. متانول اسیدیِ حاوی آب پس از بازیابی، خشک‌سازی و خنثی‌سازی، آماده استفاده مجدد است.
- برای خوراک‌هایی با محتوای بسیار بالای FFA، ممکن است پیش از مرحله ترانس‌استریفیکاسیون به آرایش بازگردش نیاز باشد تا FFA به سطحی مناسب کاهش یابد.
واکنش استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور اسیدی:
FFA + الکل → استر + آب
درباره استریفیکاسیون اسیدهای چرب آزاد با کاتالیزور اسیدی و بهبود آن با فراصوت بیشتر بخوانید!
ترانس‌استریفیکاسیون با کاتالیزور بازی با استفاده از فراصوت
خوراک که اکنون فقط مقادیر اندکی اسید چرب آزاد دارد، می‌تواند مستقیماً وارد مرحله ترانس‌استریفیکاسیون شود. معمولاً هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم (NaOH, KOH) به‌عنوان کاتالیزور بازی استفاده می‌شود.
- کاتالیزور، یعنی هیدروکسید پتاسیم، را در متانول حل کنید و جریان‌های کاتالیزور/متانول و خوراک پیش‌تیمارشده را از یک مخلوط‌کن ایستا عبور دهید تا یک پیش‌مخلوط اولیه به دست آید.
- پیش‌مخلوط را مستقیماً وارد محفظه واکنش فراصوتی کنید تا اختلاط با برش بالا ناشی از کاویتاسیون و تیمار سونوشیمیایی انجام شود. محصولات این واکنش، استرهای آلکیلی، یعنی بیودیزل، و گلیسیرین هستند. گلیسیرین را می‌توان با ته‌نشینی یا سانتریفیوژ جدا کرد.
- بیودیزل تولیدشده با فراصوت کیفیت بالایی دارد و با صرفه‌جویی در مصرف متانول و کاتالیزور، به‌سرعت و با بهره‌وری انرژی و صرفه اقتصادی بالا تولید می‌شود.
واکنش ترانس‌استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور بازی:
روغن / چربی + الکل → بیودیزل + گلیسرول
مصرف متانول و بازیابی متانول
متانول یکی از اجزای کلیدی در تولید بیودیزل است. تبدیل به بیودیزل با نیروی فراصوت، امکان کاهش قابل‌توجه مصرف متانول را فراهم می‌کند. اگر اکنون فکر می‌کنید «مصرف متانول برایم مهم نیست، چون به‌هرحال آن را بازیابی می‌کنم»، شاید بهتر باشد تجدیدنظر کنید و هزینه بسیار بالای انرژی در مرحله تبخیر، مثلاً با استفاده از برج تقطیر، را در نظر بگیرید؛ این مرحله برای جداسازی و بازیافت متانول ضروری است.
متانول معمولاً پس از جداسازی بیودیزل و گلیسیرین به دو لایه حذف می‌شود تا از برگشت واکنش جلوگیری شود. سپس متانول تصفیه و به ابتدای فرایند بازگردانده می‌شود. با تولید بیودیزل از طریق استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون با نیروی فراصوت، می‌توانید مصرف متانول را به‌طور چشمگیری کاهش دهید و در نتیجه، هزینه بسیار بالای انرژی برای بازیابی متانول را کم کنید. استفاده از راکتورهای فراصوتی Hielscher مقدار متانول اضافی موردنیاز را تا 50% کاهش می‌دهد. هنگام استفاده از اختلاط فراصوتی Hielscher، نسبت مولی بین 1:4 و 1:4٫5 (روغن : متانول) برای بیشتر خوراک‌ها کافی است.
استریفیکاسیون فراصوتی یک مرحله پیش‌تیمار است که خوراک کم‌کیفیت با محتوای بالای اسیدهای چرب آزاد را به استرها تبدیل می‌کند. در مرحله 2 ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی، تری‌گلیسریدها به بیودیزل (FAME) تبدیل می‌شوند.
افزایش کارایی تبدیل به بیودیزل با فراصوت – اثبات‌شده از نظر علمی
گروه‌های پژوهشی متعددی سازوکار و اثرات ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی بیودیزل را بررسی کرده‌اند. برای نمونه، گروه پژوهشی Sebayan Darwin نشان داد که کاویتاسیون فراصوتی، فعالیت شیمیایی و سرعت واکنش را افزایش می‌دهد و در نتیجه، تشکیل استر به‌طور قابل‌توجهی بیشتر می‌شود. روش فراصوتی زمان واکنش ترانس‌استریفیکاسیون را به 5 دقیقه کاهش داد؛ در مقایسه با 2 ساعت برای پردازش با هم‌زدن مکانیکی. تبدیل تری‌گلیسرید (TG) به FAME تحت فراصوت‌دهی، با نسبت مولی متانول به روغن 6:1 و 1%wt هیدروکسید سدیم به‌عنوان کاتالیزور، به 95٫6929%wt رسید. (رجوع کنید به Darwin et al. 2010)
دستگاه‌های فراصوت متوسط و بزرگ‌مقیاس برای پردازش بیودیزل
Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی کوچک تا متوسط و همچنین پردازشگرهای صنعتی بزرگ‌مقیاس را برای تولید کارآمد بیودیزل در هر حجم عرضه می‌کند. Hielscher با ارائه سامانه‌های فراصوتی در هر مقیاس، می‌تواند راهکار ایدئالی برای تولیدکنندگان کوچک و شرکت‌های بزرگ ارائه دهد. تبدیل فراصوتی به بیودیزل را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یا در قالب فرایند پیوسته درون‌خطی انجام داد. نصب و بهره‌برداری ساده و ایمن است و به‌طور قابل‌اعتماد، خروجی بالایی از بیودیزل با کیفیت برتر فراهم می‌کند.
در ادامه، آرایش‌های پیشنهادی راکتورها برای طیفی از نرخ‌های تولید ارائه شده است.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0٫25 تا 0٫5
|
80 تا 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0٫5 تا 1٫0
|
160 تا 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0٫75 تا 1٫5
|
240 تا 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1٫0 تا 2٫0
|
320 تا 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1٫5 تا 3٫0
|
480 تا 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3٫0 تا 6٫0
|
960 تا 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4٫5 تا 9٫0
|
1440 تا 2880
|
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
تولید بیودیزل
بیودیزل زمانی تولید می‌شود که تری‌گلیسریدها از طریق یک واکنش شیمیایی موسوم به ترانس‌استریفیکاسیون به متیل استر اسید چرب آزاد (FAME) تبدیل شوند. طی واکنش ترانس‌استریفیکاسیون، تری‌گلیسریدهای موجود در روغن‌های گیاهی یا چربی‌های حیوانی در حضور یک کاتالیزور، مانند هیدروکسید پتاسیم یا هیدروکسید سدیم، با یک الکل نوع اول، مانند متانول، واکنش می‌دهند. در این واکنش، استرهای آلکیلی از خوراک روغن گیاهی یا چربی حیوانی تشکیل می‌شوند. تری‌گلیسریدها گلیسریدهایی هستند که در آن‌ها گلیسرول با اسیدهای زنجیره‌بلند، موسوم به اسیدهای چرب، استری شده است. این اسیدهای چرب به‌وفور در روغن‌های گیاهی و چربی‌های حیوانی وجود دارند. ازآنجاکه بیودیزل را می‌توان از خوراک‌های گوناگون مانند روغن‌های گیاهی بکر، روغن‌های گیاهی پسماند، روغن‌های مصرف‌شده سرخ‌کردنی و چربی‌های حیوانی مانند پیه و چربی خوک تولید کرد، مقدار اسیدهای چرب آزاد (FFAs) می‌تواند بسیار متغیر باشد. درصد اسیدهای چرب آزاد تری‌گلیسریدها، عاملی تعیین‌کننده است که بر فرایند تولید بیودیزل و کیفیت بیودیزل حاصل تأثیر چشمگیری دارد. مقدار زیاد اسیدهای چرب آزاد می‌تواند در فرایند تبدیل اختلال ایجاد کند و کیفیت نهایی بیودیزل را کاهش دهد. مشکل اصلی این است که اسیدهای چرب آزاد (FFAs) با کاتالیزورهای قلیایی واکنش می‌دهند و باعث تشکیل صابون می‌شوند. تشکیل صابون در ادامه مشکلاتی در جداسازی گلیسرول ایجاد می‌کند. بنابراین، خوراک‌هایی که مقادیر زیادی اسید چرب آزاد دارند، اغلب به پیش‌تیمار، موسوم به واکنش استریفیکاسیون، نیاز دارند که طی آن اسیدهای چرب آزاد به استرها تبدیل می‌شوند. فراصوت‌دهی هر دو واکنش ترانس‌استریفیکاسیون و استریفیکاسیون را تقویت می‌کند.
واکنش شیمیایی استریفیکاسیون
استریفیکاسیون فرایند ترکیب یک اسید آلی (RCOOH) با یک الکل (ROH) برای تشکیل یک استر (RCOOR) و آب است.
مصرف متانول در استریفیکاسیون اسیدی
هنگامی که برای کاهش اسیدهای چرب آزاد در خوراک از استریفیکاسیون اسیدی استفاده می‌شود، نیاز مستقیم به انرژی نسبتاً کم است. بااین‌حال، طی واکنش استریفیکاسیون آب تولید می‌شود و متانول اسیدیِ حاوی آب به وجود می‌آید که باید خنثی، خشک و بازیابی شود. این فرایند بازیابی متانول پرهزینه است.
اگر خوراک‌های اولیه دارای 20 تا 40 % یا حتی درصدهای بالاتری از اسیدهای چرب آزاد باشند، ممکن است برای کاهش آن‌ها به سطوح قابل‌قبول به چندین مرحله نیاز باشد. این بدان معناست که متانول اسیدیِ حاوی آب بیشتری تولید می‌شود. پس از خنثی‌سازی متانول اسیدی، خشک‌سازی به تقطیر چندمرحله‌ای با نرخ‌های بالای برگشت مایع نیاز دارد که به مصرف بسیار بالای انرژی منجر می‌شود.
چه روغن‌هایی برای تولید بیودیزل استفاده می‌شوند؟
روغن‌های مورد استفاده برای تولید بیودیزل شامل روغن‌های گیاهی مانند روغن سویا، کلزا (کانولا)، آفتابگردان، نخل و روغن حاصل از تفاله قهوه مصرف‌شده، و همچنین چربی‌های حیوانی مانند پیه و چربی خوک هستند. روغن‌های پسماند، از جمله روغن پخت‌وپز مصرف‌شده و روغن‌های استخراج‌شده از تفاله قهوه مصرف‌شده نیز به‌طور معمول استفاده می‌شوند. این روغن‌ها که عمدتاً از تری‌گلیسریدها تشکیل شده‌اند، با الکل تحت ترانس‌استریفیکاسیون قرار می‌گیرند تا متیل استرهای اسیدهای چرب (FAME)، یعنی ترکیبات شیمیایی تشکیل‌دهنده بیودیزل، تولید شوند. فراصوت‌دهی با تقویت فرایند ترانس‌استریفیکاسیون از طریق اعمال امواج فراصوت با شدت بالا، تبدیل روغن‌های پسماند به بیودیزل را بهبود می‌بخشد. در روغن‌های پسماند که اغلب دارای ناخالصی و محتوای بالاتر اسیدهای چرب آزاد هستند، فراصوت‌دهی به تجزیه این ناخالصی‌ها کمک می‌کند و اختلاط واکنشگرها را بهبود می‌بخشد. این امر حتی با خوراک‌های کم‌کیفیت‌تر نیز به افزایش سرعت واکنش، کاهش زمان واکنش و بازده بالاتر بیودیزل منجر می‌شود. فراصوت‌دهی همچنین امکان کاهش مصرف کاتالیزور و انرژی را فراهم می‌کند و تبدیل روغن‌های پسماند به بیودیزل را کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌سازد.
درباره اینکه چگونه فراصوت‌دهی استخراج روغن از تفاله قهوه مصرف‌شده و ترانس‌استریفیکاسیون این روغن‌ها به بیودیزل را تشدید می‌کند، بیشتر بخوانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در ابعاد آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.