Bioenergian tuotannon tehokkuuden parantaminen tehoultraäänellä

Korkean intensiteetin ultraäänen (sonikaatio) hyödyntäminen uusiutuvan energian tuotannossa merkitsee merkittävää edistysaskelta prosessien tehokkuudessa. Akustisen kavitaation avulla ultraääniteknologia tehostaa massansiirtoa, hajottaa solurakenteita ja nopeuttaa kemiallisia reaktioita erilaisissa biopolttoaineiden tuotantoprosesseissa, kuten biodieselin, bioetanolin ja biokaasun valmistuksessa.
Uusiutuvien polttoaineiden kysyntä kasvaa öljyn hinnan noustessa uusiin korkeuksiin. Ultraääniteknologian soveltaminen vihreiden polttoaineiden, kuten biodieselin, bioetanolin ja biokaasun, tuotantoon parantaa teknistä ja kaupallista tehokkuutta.

Jätekasviöljystä ja eläinrasvasta valmistettu biodieseli

Biodieseli on uusiutuva polttoaine, jota voidaan käyttää dieselmoottoreissa vaihtoehtona öljystä valmistetulle dieselpolttoaineelle. Biodieseliä valmistetaan transesteröinnillä raaka-aineista, kuten kasviöljyistä, eläinrasvoista tai rasvasta. Yleisimpiä raaka-aineita ovat soija-, rapsi- tai leväöljy. Biodieselin valmistus tapahtuu katalyyttisen reaktion avulla alkoholin (metanolin tai etanolin) kanssa. Öljyn, rasvan tai rasvaseoksen ultraäänisekoitus alkoholin kanssa parantaa reaktionopeutta ja saantoa merkittävästi. Tämä alentaa investointi- ja käyttökustannuksia.

• Nopeutettu transesteröinti: Ultraäänisäteily lyhentää biodieselin tuotannon reaktioaikaa merkittävästi, usein jopa tunneista alle viiteen minuuttiin.
• Parannettu erottelu: Teknologia parantaa glyserolin erottumista biodieselistä ja lyhentää laskeutumisajan useista tunneista alle 15 minuuttiin.
• Korkeammat tuotot: Ultraäänikäsittely voi mahdollistaa yli 99 prosentin biodiesel-saantoja varmistamalla reagenssien perusteellisen sekoittumisen.

Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänisekoitusreaktoreista biodieselille!

Bioetanoli tärkkelyksestä ja sokerista

Bioetanolia käytetään ympäristöystävällisenä vaihtoehtona bensiinille. Sitä valmistetaan maissista, vehnästä, perunoista, sokeriruo’osta, riisistä ja muista viljoista käymisprosessin avulla. Hiivaa käytetään näissä viljelykasveissa olevan tärkkelyksen ja sokerien käymiseen etanoliksi. Solurakenteiden ultraäänikäsittely ja solunsisäisen aineksen uuttaminen pienentävät hiukkaskokoa ja paljastavat entsyymeille paljon suuremman pinta-alan nesteytysprosessin aikana. Tämä parantaa tärkkelyksen ja sokerin biologista hyötyosuutta ja johtaa nopeampaan ja täydellisempään käymiseen, mikä puolestaan tuottaa enemmän etanolia.
Bioetanolin tuotanto perustuu suurelta osin lignoselluloosapitoisen biomassan tehokkaaseen hajottamiseen, jotta siitä vapautuu käymiskelpoisia sokereita. Ultraääni tukee tätä prosessia monin tavoin:

• Tehostettu hydrolyysi: Ultraäänikäsittely helpottaa kasviperäisten hiukkasten hajoamista ja parantaa glukoosin vapautumista maissisuspensiosta kuivajauhatusmenetelmää käyttävissä etanolitehtaissa.
• Kehotettu käyminen: Ultraäänen on osoitettu edistävän etanolin tuotantoa esimerkiksi sekajätteenä olevan toimistopaperin samanaikaisessa sakkarifioinnissa ja käymisessä (SSF).
• Uuttotehokkuus: Suuritehoinen ultraääni on tehokas menetelmä aktiivisten ainesosien, kuten ksylaanin ja heteroksylaanin, uuttamiseen maissintähkistä ja -kuorista sekä soijapapujen öljyn uuttamisen tehostamiseen, mikä tukee biopohjaisten tuotantoketjujen laajentamista.

Klikkaa tästä lukeaksesi lisää solujen hajoaminen ja Uuttaminen!

Biokaasua jätteistä ja lietteestä

Yhdyskuntajätteet, puhdistamolietteet, lika ja lanta toimivat biokaasun lähteenä. Tällaisen materiaalin käsittely aerobisissa tai anaerobisissa mädättämöissä muuntaa orgaanisen aineksen biokaasuksi. Ultraääni orgaanisen aineksen hajoaminen Ennen pilkkomista muuttaa materiaalin rakennetta ja vapauttaa ja aktivoi entsyymejä. Tämä parantaa orgaanisen materiaalin mädätystä, mikä johtaa nopeampaan käsittelyyn, enemmän kaasua ja vähemmän jäännöslietettä. Tämä puolestaan lisää nykyisten mädättämöiden kapasiteettia ja vähentää hävittämiskustannuksia.

Anaerobisessa mädätyksessä ultraääniesikäsittelyä käytetään biomassan (kuten jäteaktiivilietteen) hajottamiseen, jotta bakteerit pääsevät paremmin käsiksi orgaaniseen aineeseen.

• Biokaasun tuotannon kasvu: Ultraäänikäsittely on osoittautunut tehokkaaksi keinoksi lisätä biokaasun kokonaistuotantoa. Tutkimuksissa on raportoitu biokaasun tuotannon kasvaneen 26–36 % verrattuna käsittelemättömään lietteeseen.
• Parannettu kiintoaineiden poisto: Ultraäänikäsittely tehostaa haihtuvien kiintoaineiden (VS) hajoamista. Esimerkiksi VS:n hajoamisaste voi nousta 30 prosentista 35 prosenttiin tai jopa korkeammalle (jopa 39 prosenttiin) orgaanisen kuormituksen ja syötetyn energian mukaan.
• Jäteveden integrointi: Kaupunkien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamoista sekä biokaasulaitoksista peräisin olevat biosolidit voidaan käsitellä tehokkaasti ultraäänireaktoreilla, jolloin stabilointi- ja energian talteenottoprosessi voidaan optimoida.

Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänilietteen hajoaminen!

Eläinten lannan hajottaminen ultraäänellä ennen anaerobista mädätystä parantaa biokaasun tuottoa.

Ultraäänienergian tasapaino

Edellä mainitut prosessit eivät vaadi paljon ultraäänienergiaa. Yleensä ultraäänikäsittelyn seurauksena syntyvä ylimääräinen energia korvaa ultraäänen tuottamiseen käytetyn energian. Hielscherin ultraäänilaitteiden kokonaistehokkuus on yli 85 %. Tämä tarkoittaa, että yli 85 % sähköenergiasta muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja siirretään nesteeseen. Prosessin todellinen energiantarve voidaan määrittää pienessä mittakaavassa käyttämällä 1 kW:n pöytämallista ultraääniprosessoria. Kaikki tällaisista pöytämallisista kokeista saadut tulokset voidaan helposti skaalata suuremmaksi. Hielscher toimittaa teollisia ultraäänikäsittelylaitteita maailmanlaajuisesti. Teollisilla ultraäänihomogenisaattoreilla, joiden teho on jopa 16 kW yhtä ultraäänilaitetta kohti, laitoksen koosta tai käsittelykapasiteetista ei ole rajoituksia.