Bioenergian tuotannon tehostaminen teho-ultraäänellä

Voimakkaan ultraäänen (ultraäänikäsittelyn) käyttö uusiutuvan energian tuotannossa merkitsee huomattavaa edistysaskelta prosessien tehokkuudessa. Akustista kavitaatiota hyödyntämällä ultraääniteknologia tehostaa aineensiirtoa, hajottaa solurakenteita ja nopeuttaa kemiallisia reaktioita erilaisissa biopolttoaineiden, kuten biodieselin, bioetanolin ja biokaasun, tuotantoprosesseissa.
Uusiutuvien polttoaineiden kysyntä kasvaa öljyn hinnan noustessa uusiin ennätyksiin. Ultraääniteknologian käyttö ympäristöystävällisten polttoaineiden, kuten biodieselin, bioetanolin ja biokaasun, tuotannossa parantaa teknistä ja taloudellista tehokkuutta.

Biodieseliä käytetystä kasviöljystä ja eläinrasvasta

Biodiesel on uusiutuva polttoaine, jota voidaan käyttää dieselmoottoreissa maaöljystä valmistetun dieselpolttoaineen vaihtoehtona. Biodieseliä valmistetaan vaihtoesteröimällä esimerkiksi kasviöljyjä, eläinrasvoja tai muita rasvoja. Yleisimpiä raaka-aineita ovat soija-, rypsi- ja leväöljy. Biodieselin valmistukseen kuuluu katalyyttinen reaktio alkoholin (metanolin tai etanolin) kanssa. Öljyn tai rasvan sekoittaminen alkoholiin ultraäänellä parantaa reaktionopeutta ja saantoa huomattavasti. Tämä pienentää investointi- ja käyttökustannuksia.

• Nopeutettu vaihtoesteröinti: Ultraäänellä käsittely lyhentää biodieselin tuotannon reaktioaikaa huomattavasti, usein tunneista alle viiteen minuuttiin.
• Tehostettu erotus: Teknologia parantaa glyserolin erottumista biodieselistä ja lyhentää laskeutumisaikoja useista tunneista alle 15 minuuttiin.
• Suuremmat saannot: Ultraäänikäsittely voi auttaa saavuttamaan yli 99 %:n biodieselsaannon varmistamalla reaktanttien perusteellisen sekoittumisen.

Lue lisää biodieselin valmistukseen tarkoitetuista ultraäänisekoitusreaktoreista napsauttamalla tästä!

Bioetanolia tärkkelyksestä ja sokerista

Bioetanolia käytetään ympäristöystävällisenä vaihtoehtona bensiinille. Sitä valmistetaan maissista, vehnästä, perunoista, sokeriruo’osta, riisistä ja muista viljoista käymisen avulla. Hiivaa käytetään näiden viljelykasvien sisältämän tärkkelyksen ja sokereiden käyttämiseen etanoliksi. Solurakenteiden hajotus ultraäänellä ja solunsisäisen materiaalin uutto pienentävät hiukkaskokoa ja tuovat entsyymien ulottuville huomattavasti suuremman pinta-alan nesteytyksen aikana. Tämä parantaa tärkkelyksen ja sokerin biologista saatavuutta ja johtaa nopeampaan ja täydellisempään käymiseen, jolloin etanolia syntyy enemmän.
Bioetanolin tuotanto perustuu vahvasti lignoselluloosabiomassan tehokkaaseen hajottamiseen käymiskelpoisten sokereiden vapauttamiseksi. Ultraääni edistää tätä prosessia useilla tavoilla:

• Tehostettu hydrolyysi: Ultraääniesikäsittely helpottaa kasvihiukkasten hajotusta ja parantaa glukoosin vapautumista maissilietteestä kuivajauhatusmenetelmää käyttävissä etanolilaitoksissa.
• Käymisen edistäminen: Ultraäänen on osoitettu edistävän etanolin tuotantoa esimerkiksi sekalaisen toimistojätepaperin samanaikaisen sokeroitumisen ja käymisen (SSF) aikana.
• Uuton tehokkuus: Teho-ultraääni on tehokas menetelmä aktiivisten komponenttien, kuten ksylaanin ja heteroksylaanin, uuttamiseen maissintähkistä ja kuorista sekä öljyn uuton tehostamiseen soijapavuista, mikä tukee laajempia biopohjaisia tuotantoketjuja.

Napsauta tästä ja lue lisää solujen hajotuksesta ja uutosta!

Biokaasua jätteistä ja lietteestä

Yhdyskuntien orgaaninen jäte, jätevesiliete, lantajäte ja lanta toimivat biokaasun raaka-aineina. Tällaisten materiaalien käsittely aerobisissa tai anaerobisissa hajotusreaktoreissa muuntaa orgaanisen aineksen biokaasuksi. Ultraäänellä tapahtuva orgaanisen aineksen hajotus ennen biologista hajotusta muuttaa materiaalin rakennetta sekä vapauttaa ja aktivoi entsyymejä. Tämä parantaa orgaanisen aineksen biologista hajotusta, mikä nopeuttaa käsittelyä, lisää kaasun määrää ja vähentää jäännöslietteen määrää. Tämä puolestaan lisää olemassa olevien hajotusreaktorien kapasiteettia ja pienentää loppukäsittelykustannuksia.

Anaerobisessa hajotuksessa ultraääniesikäsittelyä käytetään biomassan (kuten ylimääräisen aktiivilietteen) hajottamiseen, jotta orgaaninen aines olisi paremmin bakteerien hyödynnettävissä.

• Suurempi biokaasusaanto: Ultraäänikäsittely on osoittautunut tehokkaaksi kumulatiivisen biokaasutuotannon lisäämisessä. Tutkimuksissa on raportoitu biokaasutuotannon lisääntyneen 26–36 % käsittelemättömään lietteeseen verrattuna.
• Tehostettu kiintoaineen vähentäminen: Ultraäänikäsittely tehostaa haihtuvan kiintoaineen (VS) hajotusta. Esimerkiksi VS:n hajoamisaste voi kasvaa 30 %:sta 35 %:iin tai vielä suuremmaksi (jopa 39 %:iin) orgaanisen kuormituksen ja syötetyn energian mukaan.
• Integrointi jätevedenkäsittelyyn: Yhdyskuntien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamojen sekä itse biokaasulaitosten biolietteitä voidaan käsitellä tehokkaasti ultraäänireaktoreilla stabiloinnin ja energian talteenoton optimoimiseksi.

Napsauta tästä ja lue lisää lietteen hajotuksesta ultraäänellä!

Eläinten lannan hajotus ultraäänellä ennen anaerobista hajotusta parantaa biokaasusaantoja.

Ultraäänikäsittelyn energiatase

Edellä mainitut prosessit eivät vaadi paljon ultraäänienergiaa. Yleensä ultraäänikäsittelyn tuottama ylimääräinen energia korvaa ultraäänen tuottamiseen käytetyn energian. Valmistajan Hielscher ultraäänilaitteiden kokonaishyötysuhde on yli 85 %. Tämä tarkoittaa, että yli 85 % sähköenergiasta muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja siirretään nesteeseen. Prosessin todellinen energiantarve voidaan määrittää pienessä mittakaavassa käyttämällä pöytämittakaavassa ultraääniprosessoria, jonka teho on 1kW. Kaikki tällaisten pöytämittakaavan kokeiden tulokset voidaan helposti skaalata suurempaan mittakaavaan. Hielscher toimittaa teollisia ultraäänikäsittelylaitteistoja maailmanlaajuisesti. Teollisten ultraäänihomogenisaattorien yksittäisen ultraäänilaitteen teho voi olla jopa 16kW, joten laitoksen koolla tai käsittelykapasiteetilla ei ole rajoituksia.