Biodiesel ultraäänellä parannetun (trans)esteröinnin kautta

Biodiesel syntetisoidaan transesteröimällä käyttäen peruskatalyyttiä. Jos kuitenkin käytetään raaka-ainetta, kuten matala-asteista kasvijätettä, jolla on korkea vapaiden rasvahappojen pitoisuus, tarvitaan kemiallinen esikäsittelyvaihe, jossa esteröinti tehdään happokatatlystillä. Ultrasonication ja sen sonokemialliset ja sonomekaaniset vaikutukset edistävät molempia reaktiotyyppejä ja lisäävät biodieselin muuntamisen tehokkuutta dramaattisesti. Ultraäänibiodieselin tuotanto on huomattavasti nopeampaa kuin tavanomainen biodieselsynteesi, johtaa korkeampaan biodieselin saantoon ja laatuun ja säästää reagensseja, kuten metanolia ja katalyyttiä.

Biodieselin muuntaminen tehon ultraäänellä

Biodieseliä varten rasvahappoestereitä tuotetaan transesteröimällä kasviöljyjä sekä eläinrasvoja (esim. talia). Transesteröintireaktion aikana glyserolikomponentti korvataan toisella alkoholilla, kuten metanolilla. Runsaasti vapaita rasvahappoja sisältävät raaka-aineet, kuten jätekasviöljyt (WVO), edellyttävät happoesteröinnin esikäsittelyä saippuan muodostumisen välttämiseksi. Tämä happokatalyysiprosessi on hyvin hidas reaktio, kun se suoritetaan tavanomaisena panosmenetelmänä. Ratkaisu hitaan esteröintiprosessin nopeuttamiseksi on tehon ultraäänen käyttö. Sonikaatio saavuttaa merkittävän parannuksen reaktionopeudessa, muuntamisessa ja biodieselin saannossa, koska suuritehoisen ultraäänen sonokemialliset vaikutukset edistävät ja tehostavat happokatalyysiä. Ultraäänikavitaatio tarjoaa sonomekaanisia voimia eli korkean leikkauksen sekoittamista sekä sonokemiallista energiaa. Nämä molemmat ultraäänivaikutustyypit (sonomekaaniset ja sonokemialliset) muuttavat happokatalysoidun esteröinnin nopeaksi reaktioksi, joka vaatii vähemmän katalyyttiä.

Miten ultraäänibiodieselin muuntaminen toimii?

Ultrasonication transesteröinnin eri vaiheiden välillä (kutsutaan joskus myös alkoholisiksi ) ja esteröinti perustuu sekoittamisen tehostamiseen sekä lisääntyneeseen lämmön- ja massansiirtoon. Ultraäänisekoitus perustuu akustisen kavitaation periaatteeseen, joka tapahtuu nesteen paisuvien tyhjiökuplien seurauksena. Akustiselle kavitaatiolle on ominaista suuret leikkausvoimat ja turbulenssit sekä erittäin korkeat paine- ja lämpötilaerot. Nämä voimat edistävät transesteröinnin / esteröinnin kemiallista reaktiota ja tehostavat massan ja lämmönsiirtoa, mikä parantaa biodieselin muuntamisen reaktiota merkittävästi.

Triglyseridien transesteröinti biodieseliksi (FAME) sonikaatiolla johtaa nopeutettuun reaktioon ja huomattavasti suurempaan hyötysuhteeseen.

Ultrasonicsin käyttö biodieselin muuntamisen aikana on tieteellisesti ja teollisesti todistettu parantavan prosessin tehokkuutta. Prosessin tehokkuuden paraneminen johtuu energiankulutuksen ja käyttökustannusten vähenemisestä sekä alkoholin (eli metanolin) käytön vähenemisestä, katalyytin vähenemisestä ja merkittävästi lyhyemmästä reaktioajasta. Lämmityksen energiakustannukset eliminoidaan, koska ulkoista lämmitystä ei tarvita. Lisäksi biodieselin ja glyserolin välinen faasierotus on yksinkertaisempaa lyhyemmällä faasierotusajalla. Tärkeä tekijä ultraäänen kaupallisessa käytössä biodieselin tuotannossa on yksinkertainen skaalaus mihin tahansa tilavuuteen, luotettava ja turvallinen toiminta sekä ultraäänilaitteiden kestävyys ja luotettavuus (teollisuusstandardi, joka pystyy toimimaan jatkuvasti 24/7/365 täydellä kuormituksella).

Ultraääniteollisuusjärjestelmä, jossa virtauskenno inline-biodieselin esteröintiin ja transesteröintiin.

Ultraäänellä avustettu kaksivaiheinen biodieselin muuntaminen happo- ja emäskatalysoiduilla reaktiovaiheilla

Raaka-aineiden, joiden FFA-pitoisuus on korkea, biodieselin tuotanto tapahtuu happo- tai emäskatalisoituna reaktiona kaksivaiheisessa prosessissa. Ultraääni edistää kahta molempia reaktiotyyppejä, happokatalysoitua esteröintiä sekä emäksen katalysoitua transesteröintiä:

Happokatalysoitu esteröinti ultraäänellä

Raaka-aineessa olevien vapaiden rasvahappojen ylimäärän käsittelemiseksi tarvitaan esteröintiprosessi. Rikkihappoa käytetään yleisesti happokatalysaattorina.

• Valmistele raaka-aine suodattamalla ja puhdistamalla epäpuhtauksista ja vedestä.
• Katalyytti, nimittäin rikkihappo, liuotetaan metanoliin. Katalyytin/metanolin ja raaka-aineen syöttövirta lämmönvaihtimen ja staattisen sekoittimen läpi raakaseoksen saamiseksi.
• Katalyytin ja raaka-aineen esiseos menee suoraan ultraäänireaktiokammioon, jossa erittäin hieno sekoitus ja sonokemia tulevat voimaan ja vapaat rasvahapot muunnetaan biodieseliksi.
• Lopuksi poista tuote vedestä ja syötä se toiseen vaiheeseen – ultraäänitransesteröintiin. Hapan märkä metanoli on talteenoton, kuivauksen ja neutraloinnin jälkeen valmis uudelleenkäyttöön.
• Erittäin paljon FFA:ta sisältävien raaka-aineiden osalta kierrätysjärjestelmä saattaa olla tarpeen FFA:n laskemiseksi kohtuulliselle tasolle ennen transesteröintivaihetta.

Esteröintireaktio happokatalyytillä:
FFA + alkoholi → esteri + vesi

Emäskatalysoitu transesteröinti ultraäänellä

Raaka-aine, jossa on nyt vain pieniä määriä FFA-yhdisteitä, voidaan syöttää suoraan transesteröintivaiheeseen. Yleisimmin natriumhydroksidia tai kaliumhydroksidia (NaOH, KOH) käytetään peruskatalysaattorina.

• Katalyytti eli kaliumhydroksidi liuotetaan metanoliin ja katalysaattorin/metanolin ja esikäsitellyn raaka-aineen virrat syötetään staattisen sekoittimen läpi raa'an esiseoksen saamiseksi.
• Syötä esiseos suoraan ultraäänireaktiokammioon kavitaatiota aiheuttavaa korkean leikkauksen sekoittamista ja sonokemiallista käsittelyä varten. Tämän reaktion tuotteet ovat alkyyliesterit (eli biodieseli) ja glyseriini. Glyseriini voidaan erottaa laskeutumalla tai sentrifugoimalla.
• Ultraäänellä tuotettu biodiesel on korkealaatuista ja valmistettu nopeasti, energiatehokkaasti ja kustannustehokkaasti säästämällä metanolia ja katalyyttiä.

Transesteröintireaktio peruskatalyytillä:
Öljy / rasva + alkoholi → biodiesel + glyseroli

Metanolin käyttö & Metanolin talteenotto

Metanoli on keskeinen komponentti biodieselin tuotannossa. Ultraäänellä ohjattu biodieselin muuntaminen mahdollistaa metanolin käytön huomattavan vähentämisen. Jos ajattelet nyt: "En välitä metanolin käytöstäni, koska otan sen talteen joka tapauksessa", voit harkita uudelleen ja harkita kohtuuttomia korkeita energiakustannuksia, joita sovelletaan haihdutusvaiheeseen (esim. tislauskolonnin avulla), joka on tarpeen metanolin erottamiseksi ja kierrättämiseksi.
Metanoli poistetaan yleensä sen jälkeen, kun biodiesel ja glyseriini on erotettu kahteen kerrokseen, mikä estää reaktion kääntymisen. Tämän jälkeen metanoli puhdistetaan ja kierrätetään takaisin prosessin alkuun. Tuottamalla biodieseliä ultraäänellä esteröinnillä ja transesteröinnillä voit vähentää metanolin käyttöä dramaattisesti, mikä vähentää metanolin talteenoton kohtuuttomia korkeita energiakustannuksia. Hielscherin ultraäänireaktoreiden käyttö vähentää tarvittavaa määrää ylimääräistä metanolia jopa 50%. Moolisuhde välillä 1:4 tai 1:4,5 (öljy : metanoli) riittää useimmille raaka-aineille, kun käytetään Hielscherin ultraäänisekoitusta.

Ultraääni lisääntynyt biodieselin muuntotehokkuus – Tieteellisesti todistettu

Lukuisat tutkijaryhmät ovat tutkineet biodieselin ultraäänitransesteröinnin mekanismia ja vaikutuksia. Esimerkiksi Sebayan Darwinin tutkimusryhmä osoitti, että ultraäänikavitaatio lisäsi kemiallista aktiivisuutta ja reaktionopeutta, mikä johti merkittävästi lisääntyneeseen esterin muodostumiseen. Ultraäänitekniikka lyhensi transesteröinnin reaktioaikaa 5 minuuttiin – verrattuna 2 tuntiin mekaanisessa sekoituskäsittelyssä. Triglyseridin (TG) muuntaminen FAME: ksi ultraäänellä saatiin 95.6929% wt: n metanolin ja öljyn moolisuhteella 6: 1 ja 1% wt natriumhydroksidia katalysaattorina. (vrt. Darwin et al. 2010)

Keskikokoiset ja laajamittaiset ultraäänilaitteet biodieselin käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics’ toimittaa pieniä ja keskisuuria sekä suuren mittakaavan teollisia ultraääniprosessoreita biodieselin tehokkaaseen tuotantoon missä tahansa tilavuudessa. Tarjoamalla ultraäänijärjestelmää missä tahansa mittakaavassa, Hielscher voi tarjota ihanteellisen ratkaisun sekä pienille tuottajille että suurille yrityksille. Ultraäänibiodieselin muuntamista voidaan käyttää eränä tai jatkuvana inline-prosessina. Asennus ja käyttö on yksinkertaista, turvallista ja tuottaa luotettavasti korkealaatuisia biodieselejä.
Alta löydät suositellut reaktoriasetukset eri tuotantonopeuksille.