Käytetystä ruokaöljystä luotettavaa biodieseliä dieselmoottoreihin

Käytetty ruokaöljy on yksi houkuttelevimmista nykyisin saatavilla olevista biodieselin raaka-aineista. Se on edullista ja laajalti saatavilla, ja sen hyödyntäminen auttaa ratkaisemaan jätteenkäsittelyongelman. Siihen liittyy kuitenkin myös tunnettu prosessointihaaste: heikkolaatuisten raaka-aineiden, kuten jätekasviöljyjen, käytettyjen ruokaöljyjen, paistorasvojen, eläinrasvojen, talin tai kalaöljyjen, tehokas muuntaminen on vaikeampaa kuin puhdistettujen, käyttämättömien öljyjen.

Tuore tutkimus ultraääniavusteisesta vaihtoesteröinnistä osoittaa, miten tämä ongelma voidaan ratkaista ultraäänisekoituksella. Tutkijat optimoivat biodieselin tuotannon käytetystä ruokaöljystä (WCO) ja testasivat sitten tuotettua biodieseliä ja biodieselin ja dieselin seoksia dieselmoottorissa. Heidän tuloksensa tukevat kahta tärkeää johtopäätöstä: ensinnäkin ultraäänikäsittely mahdollistaa nopean ja suuren saannon tuottavan muunnoksen myös vaikeille raaka-aineille; toiseksi syntyviä biodieselin ja dieselin seoksia voidaan käyttää dieselmoottoreissa ilman muutoksia siten, että suorituskyky on lähellä dieselin suorituskykyä ja päästöominaisuudet ovat paremmat.

Oletko valmis muuttamaan edulliset jäteöljyt arvokkaaksi biodieseliksi?

Hielscherin ultraäänibiodieselreaktorit auttavat tuottajia muuntamaan vaikeita raaka-aineita, kuten käytettyä ruokaöljyä, paistorasvoja, talia ja kalaöljyä, nopeammilla reaktionopeuksilla, lyhyemmillä viipymäajoilla ja paremmalla prosessitehokkuudella. Ota meihin yhteyttä nyt, niin keskustellaan raaka-aineestasi, tavoitekapasiteetistasi ja reaktorikokoonpanosta jatkuvatoimiseen ultraäänibiodieselin tuotantoon.

Miksi heikkolaatuiset raaka-aineet ovat vaikeita biodieselin tuotannossa

Edulliset biodieselin raaka-aineet ovat houkuttelevia, koska raaka-ainekustannukset hallitsevat tuotannon taloutta. Belalin ja hänen kollegoidensa vuonna 2025 julkaisema tutkimus osoittaa, että käytetyt ruokaöljyt ja rasvat voidaan muuntaa tehokkaasti biodieseliksi ultraäänisekoituksella. Tämän jälkeen ultraäänellä tuotettua biodieseliä käytettiin onnistuneesti dieselmoottoreissa.
Vaikka jäteöljyjen käyttö välttää syötäviin öljyihin liittyvän ruoan ja polttoaineen välisen kilpailun, haasteena on heikkolaatuisten raaka-aineiden suurempi vaihtelevuus ja vaikeampi prosessointi. Tavanomaisessa vaihtoesteröinnissä alkoholi- ja öljyfaasit eivät sekoitu keskenään, joten reaktion tehokkuus riippuu vahvasti siitä, miten hyvin järjestelmä pystyy voittamaan aineensiirron rajoitukset. Heikentyneiden tai heikkolaatuisten öljyjen ja rasvojen kohdalla nämä rajoitukset korostuvat, mikä johtaa usein hitaampaan muunnokseen, pidempiin viipymäaikoihin, vaikeampaan faasierotukseen ja tehottomampaan kokonaisprosessiin. Tässä ultraäänisekoitus muuttaa tilannetta ratkaisevasti.

Miksi ultraäänikäsittely mahdollistaa heikkolaatuisten raaka-aineiden käytön

Ultraäänikäsittely mahdollistaa heikkolaatuisten raaka-aineiden, kuten jätekasviöljyjen, käytettyjen ruokaöljyjen, paistorasvojen, naudantalin tai kalaöljyjen, tehokkaamman prosessoinnin, koska ultraäänikavitaatio saa aikaan huomattavasti paremman kosketuksen keskenään sekoittumattomien öljy- ja alkoholifaasien välille ja parantaa merkittävästi sekoittumista sekä lämmön- ja aineensiirtoa. Lisäksi ultraäänisekoituksella on sekä fysikaalisia että kemiallisia vaikutuksia: ultraäänikavitaatio tehostaa reaktioympäristöä ja voi edistää erittäin reaktiivisten radikaalien muodostumista, mikä nopeuttaa edelleen reaktiokinetiikkaa ja tukee nopeampaa ja täydellisempää vaihtoesteröintiä.
Juuri siksi ultraäänikäsittely on niin arvokasta heikkolaatuisille raaka-aineille. Se kompensoi rajoituksia, jotka tavallisesti tekevät näistä raaka-aineista vaikeita tavanomaisissa järjestelmissä.

Mitä tutkimuksessa saavutettiin ultraäänikäsittelyllä

Pienen laboratoriojärjestelyn sijaan teollisten biodieselin tuottajien kannalta keskeinen tulos on ultraäänikäsittelyllä saavutettu prosessin tehostuminen. Optimoiduissa ultraääniolosuhteissa Belalin ym. (2025) tutkimuksessa saavutettiin biodieselin saanto 96,65%. Kirjoittajien tavanomaiseen vertailumenetelmään verrattuna ultraääniavusteinen vaihtoesteröinti lyhensi reaktioajan 90 minuutista 6 minuuttiin ja biodieselin ja glyserolin erotusajan 720 minuutista 30 minuuttiin.
Nämä tulokset ovat erittäin merkityksellisiä teolliselle biodieselin tuotannolle, koska ne osoittavat, ettei ultraäänikäsittely pelkästään paranna sekoittumista hieman – se nopeuttaa ratkaisevasti muunnosta ja sitä seuraavaa erotusta.
 

Ultraäänimenetelmä saavuttaa noin 75%:n konversion ensimmäisten 1,5 minuutin aikana ja tasaantuu noin 90%:n konversioon 6 minuutin kuluttua.
Tavanomaisen menetelmän muunnosnopeus on paljon hitaampi, ja se saavuttaa vain noin 40%:n konversion 8 minuutin kuluttua.
Tutkimus ja kuvaaja: ©Fayyyazi et al. 2014

Miten tämä toteutuu Hielscherin jatkuvatoimisessa läpivirtausprosessissa biodieselin tuotannossa

Teollisessa toteutuksessa nämä tulokset ilmenevät suoraan Hielscherin teollisten ultraäänilaitteiden ja reaktorien jatkuvatoimisen läpivirtausprosessin etuina biodieselin ultraäänituotannossa. Tutkimuksessa osoitettu sama kavitaatiomekanismi – tehostunut sekoittuminen, parempi kosketus faasien rajapinnalla, nopeampi lämmön- ja aineensiirto sekä nopeutunut reaktiokinetiikka – on juuri se, mikä parantaa suorituskykyä linjaan asennetuissa ultraäänireaktoreissa.
Jatkuvatoimisessa käytössä öljy, alkoholi ja katalyytti pumpataan ultraäänireaktorin vyöhykkeen läpi, jossa voimakas kavitaatio dispergoi faaseja jatkuvasti ja saa ne reagoimaan keskenään. Tämä mahdollistaa lyhyemmät viipymäajat, nopeamman muunnoksen, vaihtelevien edullisten raaka-aineiden toimintavarmemman käsittelyn ja nopeamman myöhemmän erotuksen. WCO:ta, käytettyjä paistorasvoja, talia tai kalaöljyä käyttävien teollisten tuottajien kannalta keskeinen johtopäätös on selvä: ultraäänikäsittely tekee vaikeista raaka-aineista kaupallisesti houkuttelevampia tuottamalla paremman konversion lyhyemmässä ajassa.

Ultraäänikäsittely parantaa polttoaineen laatua

Keskeistä on, että käsittelemättömät jäteöljyt eivät sovellu moottoripolttoaineiksi. Tutkimuksen termogravimetrisessä analyysissä verrattiin dieseliä, käsittelemätöntä WCO:ta, tavanomaisesti valmistettua biodieseliä ja ultraäänisekoituksella tuotettua biodieseliä. Kirjoittajat havaitsivat, että käsittelemättömän WCO:n haihtumisominaisuudet olivat heikoimmat, kun taas ultraäänellä tuotetun biodieselin haihtumisominaisuudet olivat paremmat kuin käsittelemättömän WCO:n ja jopa paremmat kuin perinteisellä vaihtoesteröinnillä tuotetun biodieselin.
Tällä on merkitystä, koska huono haihtuminen ja huono sumuttuminen ovat tärkeimpiä syitä siihen, että käsittelemättömät jäteöljyt voivat aiheuttaa ruiskutussuuttimien likaantumista, epätäydellistä palamista ja kerrostumia. Tutkimuksessa todetaan, että käsittelemätön WCO sisälsi liukenemattomia oligomeereja, jotka voivat vahingoittaa moottoria tukkimalla ruiskutusjärjestelmän, kun taas asianmukainen vaihtoesteröinti parantaa polttoaineen käyttäytymistä huomattavasti.

Voidaanko biodieselin ja dieselin seoksia käyttää dieselmoottoreissa ongelmitta?

Belalin ym. (2025) tutkimus osoittaa, että kyllä, ultraäänellä tuotettua biodieseliä voidaan käyttää tavallisissa dieselmoottoreissa ongelmitta. Tutkijat testasivat seoksia B10, B20, B30, B40 ja B100 dieselmoottorissa vakionopeudella kuormituksen vaihdellessa. Heidän johtopäätöksensä oli, että diesel voidaan korvata WCO-biodieselillä tai biodieselin ja dieselin seoksilla ilman moottorin muutoksia ja että B40 oli suositeltu seos, koska siinä yhdistyivät vertailukelpoinen moottorin suorituskyky ja selvästi paremmat päästöominaisuudet.
Vaikka kaikki mittarit eivät ole identtisiä fossiilisen dieselin kanssa, seokset ovat edelleen täysin käyttökelpoisia tavallisessa dieselmoottorikäytössä, ja suorituskykyerot ovat pieniä ja päästöhyödyt huomattavia.
 

Eri biodiesel-/dieselseokset moottorin kuormituksilla 10–100%. – Vasemmalla: BSFC:n vaihtelu / Oikealla: BTE:n vaihtelu eri biodiesel-/dieselseoksilla moottorin kuormituksilla 10–100%
Tutkimus ja kuvaajat: ©Belal et al., 2025

Moottorin suorituskyky: lähellä dieseliä, pienin kompromissein

Tutkimuksessa havaittiin, että biodieselseokset tuottivat dieselin kaltaisen moottorin suorituskyvyn, mutta jarrutehoon suhteutettu polttoaineen ominaiskulutus kasvoi hieman ja jarrutehoon perustuva terminen hyötysuhde laski vähän.
Nämä muutokset ovat odotettavissa. Mitatut ominaisuudet osoittivat, että WCO-biodieselin tiheys ja viskositeetti olivat suurempia ja lämpöarvo pienempi kuin dieselillä, vaikka setaaniluku oli tässä tutkimuksessa sama. Tämä tarkoittaa, että saman tehon tuottamiseen saatetaan tarvita hieman enemmän polttoainetta, mutta moottori toimii silti normaalisti seoksilla.
Käytännön kannalta tämä tukee näkemystä, että biodieselseokset ovat käyttökelpoisia dieselmoottoreissa myös silloin, kun ne on tuotettu heikkolaatuisista raaka-aineista, kuten käytetystä ruokaöljystä.

Päästöt: merkittäviä hyötyjä biodieselin sekoittamisesta dieseliin

Päästötuloksissa biodieselin edut olivat suurimmillaan.

Täydellä kuormituksella B100 tuotti suurimmat vähennykset seuraavissa:

• CO: väheni 42,9%
• palamattomat hiilivedyt: vähenivät 29,9%
• savun opasiteetti: väheni 42,1%

puhtaaseen dieseliin verrattuna.
Tutkimuksen mukaan nämä hyödyt johtuvat biodieselin suuremmasta happipitoisuudesta ja pienemmästä hiilipitoisuudesta, jotka edistävät täydellisempää palamista ja vähentävät noen muodostumista.

Mitä tämä tarkoittaa biodieselin tuottajille

Heikkolaatuiset raaka-aineet ovat taloudellisesti houkuttelevia, mutta niitä on vaikeampi prosessoida tavanomaisella tekniikalla. Ultraäänikäsittely muuttaa tätä asetelmaa voittamalla öljyn ja alkoholin välisen aineensiirron esteen ja nopeuttamalla muunnosta huomattavasti. Tutkimuksessa tämä tarkoitti biodieselin saantoa 96,65%, reaktioajan lyhenemistä 90 minuutista 6 minuuttiin ja erotusajan lyhenemistä 12 tunnista 30 minuuttiin.
Jatkuvatoimisissa teollisissa biodieselijärjestelmissä tämä ilmenee Hielscherin ultraääniprosessoinnin keskeisinä etuina: suurempi käsittelykapasiteetti, lyhyempi viipymäaika, parempi toimintavarmuus raaka-aineen vaihdellessa ja tehokkaampi tuotanto edullisista öljyistä ja rasvoista.
 

Ultraäänireaktori UIP1000hdT jäteöljyjen ja -rasvojen tehokkaampaan muuntamiseen biodieseliksi.

Hielscherin ultraäänilaitteet biodieselin tuotantoon WCO:sta

Tutkimus osoittaa, miksi Hielscherin ultraäänilaitteet ovat niin tehokas työkalu biodieselin tuotantoon heikkolaatuisista raaka-aineista. Ultraäänikavitaatio tehostaa vaihtoesteröintiä parantamalla sekoittumista, lämmönsiirtoa, aineensiirtoa ja reaktiokinetiikkaa, jolloin vaikeat raaka-aineet, kuten käytetyt ruokaöljyt ja muut heikentyneet öljyt ja rasvat, voidaan muuntaa nopeasti ja tehokkaasti. Optimoiduissa olosuhteissa tutkimuksessa saavutettiin biodieselin saanto 96,65% vain 6 minuutissa, ja glyserolin erotus oli huomattavasti nopeampaa kuin tavanomaisessa prosessoinnissa.
Yhtä tärkeää on, että syntynyt biodiesel soveltui käytännössä moottorikäyttöön. Biodieselin ja dieselin seosten suorituskyky oli lähellä tavanomaisen dieselin suorituskykyä, ja ne vähensivät samalla merkittävästi CO:ta, palamattomia hiilivetyjä ja savua. Suositellussa B40-seoksessa yhdistyivät vertailukelpoinen mekaaninen suorituskyky ja tasapainoisimmat päästöominaisuudet, ja sitä voitiin käyttää ilman moottorin muutoksia.
Hielscherin ultraäänilaitteet eivät ainoastaan nopeuta biodieselin tuotantoa – ne tekevät edullisista, heikkolaatuisista raaka-aineista käyttökelpoisia tehokkaaseen jatkuvatoimiseen prosessointiin ja muuttavat jäteöljyt ja -rasvat käytännölliseksi, moottorikäyttöön valmiiksi polttoaineeksi.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen Hielscherin ultraäänibiodieselreaktorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscherin ultraäänibiodieselsekoittimien käytön taloudelliset ja ympäristövaikutukset

Gholamin ym. (2021) teknistaloudellinen malli osoitti:

• Kokonaisinvestointikustannukset pienenivät noin 21%,
• Tuotekustannukset tonnia kohti pienenivät noin 5%,
• Syntyvän jätteen määrä väheni viidesosaan mekaanisella sekoituksella syntyvästä määrästä,
• Sisäinen korkokanta (IRR) parani arvoon 18,3% ja nettonykyarvo (NPV) oli positiivinen, kun taas tavanomainen prosessi pysyi kannattamattomana.

Ympäristön kannalta metanoliylimäärän vähentäminen pienentää suoraan haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästöjä ja vähentää lämpöenergian käyttöä, mikä sovittaa biodieselin ultraäänituotannon yhteen ympäristöystävällisen valmistuksen tavoitteiden kanssa.

Yleiskatsaus ultraäänibiodieselreaktorin etuihin

(vertailututkimuksen tulokset, vrt. Gholami et al., 2021)

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustavat ratkaisut ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Kirjallisuus / Lähteet

• Belal, B. Y.; Li, G.; Zhang, Z.; Liang, J.; Zhou, M.; Masoud, S. M.; Attia, A. M. A.; El-Zoheiry, R. M.; El-Seesy, A. I. (2025): Optimizing waste cooking biodiesel production using ultrasonic-assisted and studying its combustion characteristics blended with diesel in diesel engine. Environmental science and pollution research international, 32(11), 2025. 6984–7001.
• J. Sáez-Bastante, M. Carmona-Cabello, S. Pinzi, M.P. Dorado (2020): Recycling of kebab restoration grease for bioenergy production through acoustic cavitation. Renewable Energy, Volume 155, 2020. 1147-1155.
• 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.
• Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
• Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
• Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
• 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.