Biodieselin tuotanto ylivertaisella prosessi- ja kustannustehokkuudella

Ultraäänisekoitus on ylivertainen teknologia erittäin tehokkaaseen ja kustannustehokkaaseen biodieselin tuotantoon. Ultraäänikavitaatio parantaa aineensiirtoa huomattavasti ja vähentää siten tuotantokustannuksia ja käsittelyn kestoa. Samalla voidaan käyttää heikkolaatuisia öljyjä ja rasvoja (esim. jäteöljyjä), ja biodieselin laatu paranee. Hielscher Ultrasonics toimittaa tehokkaita ja kestäviä ultraäänisekoitusreaktoreita kaiken mittakaavan tuotantoon. Lue lisää siitä, miten biodieselin tuotantosi hyötyy ultraäänikäsittelystä!

Ultraäänen hyödyt biodieselin tuotannossa

Biodiesel (rasvahapon metyyliesteri, lyh. FAME) syntyy lipidiraaka-aineen (triglyseridien, esim. kasviöljyn, käytettyjen ruokaöljyjen, eläinrasvojen tai leväöljyn) ja alkoholin (metanolin tai etanolin) välisessä transesteröintireaktiossa, jossa käytetään katalyyttiä (esim. kaliumhydroksidia KOH).
Ongelma: Tavanomaisessa biodieselin valmistuksessa, jossa käytetään tavanomaista sekoitusta, öljyn ja alkoholin transesteröintireaktion molempien reaktanttien sekoittumattomuus johtaa hitaaseen aineensiirtoon ja siten tehottomaan biodieselin tuotantoon. Tätä tehottomuutta luonnehtivat pitkät reaktioajat, suuremmat metanolin ja öljyn moolisuhteet, suuri katalyytin tarve, korkeat prosessilämpötilat ja suuret sekoitusnopeudet. Nämä tekijät lisäävät kustannuksia merkittävästi ja tekevät tavanomaisesta biodieselin valmistuksesta kalliin prosessin.
Ratkaisu: Ultraäänisekoitus emulgoi reaktantit erittäin tehokkaasti, nopeasti ja edullisesti, jolloin öljyn ja metanolin suhdetta voidaan parantaa, katalyytin tarvetta vähentää sekä reaktioaikaa lyhentää ja reaktiolämpötilaa alentaa. Näin säästetään resursseja (eli kemikaaleja ja energiaa) sekä aikaa ja vähennetään käsittelykustannuksia, samalla kun biodieselin laatu ja tuotannon kannattavuus paranevat merkittävästi. Näiden seikkojen ansiosta ultraäänisekoitus on ensisijainen teknologia tehokkaaseen biodieselin valmistukseen.
Tutkimukset ja teolliset biodieselin tuottajat vahvistavat, että ultraäänisekoitus on erittäin kustannustehokas tapa tuottaa biodieseliä myös silloin, kun raaka-aineena käytetään heikkolaatuisia öljyjä ja rasvoja. Prosessin tehostaminen ultraäänellä parantaa konversioastetta huomattavasti ja vähentää ylimääräisen metanolin ja katalyytin käyttöä, jolloin voidaan tuottaa ASTM D6751- ja EN 14212 -spesifikaatioiden laatuvaatimukset täyttävää biodieseliä. (vrt. Abdullah et al., 2015)

Triglyseridien transesteröinti biodieseliksi (FAME) ultraäänikäsittelyn avulla nopeuttaa reaktiota ja parantaa tehokkuutta merkittävästi.

Ultraäänisekoituksen lukuisat edut biodieselin tuotannossa

Ultraäänisekoitusreaktorit voidaan helposti integroida mihin tahansa uuteen laitteistoon ja jälkiasentaa olemassa oleviin biodiesellaitoksiin. Ultraäänisekoittimen (Hielscher) integrointi muuttaa minkä tahansa biodiesellaitoksen tehokkaaksi tuotantolaitokseksi. Helppo asennus, kestävyys ja käyttäjäystävällisyys (käyttö ei edellytä erityiskoulutusta) mahdollistavat minkä tahansa laitoksen päivittämisen erittäin tehokkaaksi biodiesellaitokseksi. Alla esittelemme riippumattomien kolmansien osapuolten dokumentoimia, tieteellisesti todennettuja tuloksia näistä eduista. Luvut osoittavat biodieselin ultraäänisekoituksen ylivertaisuuden kaikkiin tavanomaisiin sekoitustekniikoihin nähden.

Vuokaavio esittää biodieselin tuotantovaiheet, mukaan lukien prosessitehokkuutta parantavan ultraäänisekoituksen.

Tehokkuuden ja kustannusten vertailu: ultraääni ja mekaaninen sekoitus

Gholami et al. (2021) esittelevät vertailevassa tutkimuksessaan ultraäänellä toteutetun transesteröinnin edut mekaaniseen sekoitukseen (eli lapasekoittimeen, siipipyörään tai suuria leikkausvoimia tuottavaan sekoittimeen) nähden.

Pienet investointikustannukset:
Ultraääniprosessori ja -reaktori UIP16000 voi tuottaa 192–384 t biodieseliä/d ja tarvitsee vain 1,2m x 0,6m lattiatilaa. Mekaaniseen sekoitukseen (MS) tarvitaan sen sijaan huomattavasti suurempi reaktori mekaanisen sekoitusprosessin pitkän reaktioajan vuoksi, mikä kasvattaa reaktorin kustannuksia merkittävästi. (vrt. Gholami et al., 2020)
Pienet käsittelykustannukset:
Biodieselin ultraäänituotannon käsittelykustannukset ovat 7,7% pienemmät kuin sekoitusprosessin kustannukset, pääasiassa ultraäänikäsittelyprosessin pienemmän kokonaisinvestoinnin vuoksi. Kemikaalien (katalyytin, metanolin/alkoholin) kustannukset ovat kolmanneksi suurin kustannustekijä molemmissa prosesseissa, ultraäänikäsittelyssä ja mekaanisessa sekoituksessa. Biodieselin ultraäänikonversiossa kemikaalikustannukset ovat kuitenkin merkittävästi pienemmät kuin mekaanisessa sekoituksessa. Kemikaalien osuus biodieselin lopullisista kustannuksista on noin 5%. Metanolin, natriumhydroksidin ja fosforihapon pienemmän kulutuksen ansiosta biodieselin ultraääniprosessin kemikaalikustannukset ovat 2,2% pienemmät kuin mekaanisen sekoitusprosessin.

Pienemmät energiakustannukset:
Ultraäänisekoitusreaktorin energiankulutus on noin kolmasosa mekaanisen sekoittimen energiankulutuksesta. Tämä huomattava energiankulutuksen väheneminen johtuu voimakkaasta mikrosekoituksesta ja lyhyemmästä reaktioajasta, jotka ovat seurausta lukemattomien onteloiden syntymisestä ja luhistumisesta. Nämä ilmiöt luonnehtivat akustista kavitaatiota eli ultraäänikavitaatiota (Gholami et al., 2018). Lisäksi ultraäänisekoitusprosessissa metanolin talteenottovaiheen energiankulutus pienenee 26,5% ja biodieselin puhdistusvaiheen energiankulutus 1,3% tavanomaiseen sekoittimeen verrattuna. Tämä väheneminen johtuu näihin kahteen tislauskolonniin tulevan metanolin pienemmästä määrästä ultraäänellä toteutetussa transesteröintiprosessissa.

Huomattavasti pienemmät jätehuoltokustannukset:
Ultraäänikavitaatioteknologia vähentää myös jätehuollon kustannuksia huomattavasti. Ultraäänikäsittelyprosessissa nämä kustannukset ovat noin viidesosa sekoitusprosessin kustannuksista, sillä suurempi konversioaste reaktorissa ja pienempi alkoholin kulutus vähentävät jätteen muodostumista merkittävästi.
Lue lisää käytettyjen kahvinporojen öljyjen muuttamisesta biodieseliksi ultraäänen avulla!

Parempi ympäristöystävällisyys:
Erittäin korkean kokonaistehokkuuden, vähäisemmän kemikaalien kulutuksen, pienemmän energiantarpeen ja vähäisemmän jätteen ansiosta biodieselin ultraäänituotanto on merkittävästi ympäristöystävällisempää kuin tavanomaiset biodieselin valmistusprosessit.

Johtopäätös – ultraääni parantaa biodieselin tuotannon tehokkuutta

Tieteellinen arviointi osoittaa ultraäänisekoituksen selkeät edut tavanomaiseen mekaaniseen sekoitukseen nähden biodieselin tuotannossa. Biodieselin ultraäänikäsittelyn etuja ovat kokonaisinvestointi, tuotteen kokonaiskustannukset, nettonykyarvo ja sisäinen korkokanta. Ultraäänikavitaatioprosessin kokonaisinvestoinnin todettiin olevan noin 20,8% pienempi kuin toisen prosessin. Ultraäänireaktorien käyttö pienensi tuotteen kustannuksia 5,2% – käytettäessä neitseellistä canolaöljyä. Koska ultraäänikäsittely mahdollistaa myös käytettyjen öljyjen (esim. käytettyjen ruokaöljyjen) käsittelyn, tuotantokustannuksia voidaan pienentää merkittävästi lisää. Gholami et al. (2021) päättelevät, että positiivisen nettonykyarvon ansiosta ultraäänikavitaatioprosessi on parempi sekoitusteknologiavaihtoehto biodieselin tuotantoon.
Teknisestä näkökulmasta ultraäänikavitaation tärkeimpiä vaikutuksia ovat merkittävä prosessitehokkuus ja reaktioajan lyheneminen. Lukuisten tyhjiökuplien muodostuminen ja luhistuminen – ilmiö, joka tunnetaan akustisena kavitaationa eli ultraäänikavitaationa – lyhentävät reaktioajan sekoitussäiliöreaktorin useista tunneista muutamaan sekuntiin ultraäänikavitaatioreaktorissa. Tämä lyhyt viipymäaika mahdollistaa biodieselin tuotannon vähän lattiatilaa tarvitsevassa läpivirtausreaktorissa. Ultraäänikavitaatioreaktorilla on myös suotuisia vaikutuksia energian- ja materiaalintarpeeseen: energiankulutus pienenee lähes kolmasosaan sekoitussäiliöreaktorin kulutuksesta ja metanolin sekä katalyytin kulutus vähenee 25%.
Taloudellisesta näkökulmasta ultraäänikavitaatioprosessin kokonaisinvestointi on pienempi kuin mekaanisen sekoitusprosessin, pääasiassa siksi, että reaktorin kustannukset pienenevät lähes 50% ja metanolin tislauskolonnin kustannukset 11,6%. Ultraäänikavitaatioprosessi pienentää myös biodieselin tuotantokustannuksia, koska canolaöljyn kulutus vähenee 4%, kokonaisinvestointi on pienempi, kemikaalien kulutus on 2,2% pienempi ja käyttöhyödykkeiden tarve on 23,8% pienempi. Toisin kuin mekaanisesti sekoitettu prosessi, ultraäänikäsittely on hyväksyttävä investointi positiivisen nettonykyarvonsa, lyhyemmän takaisinmaksuaikansa ja korkeamman sisäisen korkokantansa ansiosta. Ultraäänikavitaatioprosessin teknistaloudellisten hyötyjen lisäksi se on ympäristöystävällisempi kuin mekaaninen sekoitusprosessi. Ultraäänikavitaatio vähentää jätevirtoja 80%, koska konversioaste reaktorissa on suurempi ja alkoholin kulutus tässä prosessissa pienempi. (vrt. Gholami et al., 2021)

Muuta heikkolaatuinen raaka-aine ensiluokkaiseksi biodieseliksi!

Ultraäänikäsittely mahdollistaa heikkolaatuisten raaka-aineiden, kuten jätekasviöljyjen, käytettyjen paistorasvojen, talin tai kalaöljyjen, tehokkaamman käsittelyn, koska ultraäänikavitaatio saa sekoittumattomat öljy- ja alkoholifaasit huomattavasti parempaan kosketukseen keskenään. Tämä parantaa merkittävästi sekoittumista sekä lämmön- ja aineensiirtoa. Se nopeuttaa myös reaktiokinetiikkaa, joten jopa vaikeat ja vaihtelevat raaka-aineet voidaan muuntaa nopeammin ja täydellisemmin.
Akustinen kavitaatio tehostaa reaktioympäristöä ja voi edistää erittäin reaktiivisten radikaalien muodostumista, mikä tukee edelleen nopeaa transesteröintiä ja auttaa voittamaan heikkolaatuisten raaka-aineiden tavanomaiset käsittelyhaitat.
Lue, miten ultraäänikäsittely muuttaa jäteöljyt ja -rasvat biodieseliksi!

Käytä valitsemaasi katalyyttiä

Biodieselin ultraäänitransesteröintiprosessi on osoitettu tehokkaaksi sekä alkalisilla että emäksisillä katalyyteillä. Esimerkiksi Shinde ja Kaliaguine (2019) vertasivat ultraäänisekoituksen ja mekaanisen lapasekoituksen tehokkuutta käyttäen erilaisia katalyyttejä: natriumhydroksidia (NaOH), kaliumhydroksidia (KOH), (CH₃ONa), tetrametyyliammoniumhydroksidia ja neljää guanidiinia (propyyli-2,3-disykloheksyyliguanidiinia (PCHG), 1,3-disykloheksyyli-2-n-oktyyliguanidiinia (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyyliguanidiinia (TMG) ja 1,3-difenyyliguanidiinia (DPG)). Ultraäänisekoitus (35º:ssa) osoittautui biodieselin tuotannossa ylivertaiseksi ja päihitti mekaanisen sekoituksen (65º:ssa) suuremmilla saannoilla ja korkeammalla konversioasteella. Aineensiirron tehokkuus ultraäänikentässä nopeutti transesteröintireaktiota mekaaniseen sekoitukseen verrattuna. Ultraäänikäsittely päihitti mekaanisen sekoituksen kaikilla testatuilla katalyyteillä. Transesteröintireaktion toteuttaminen ultraäänikavitaatiolla on energiatehokas ja teollisesti toteuttamiskelpoinen vaihtoehto biodieselin tuotantoon. Laajalti käytettyjen KOH- ja NaOH-katalyyttien lisäksi molemmat guanidiinikatalyytit, propyyli-2,3-disykloheksyyliguanidiini (PCHG) ja 1,3-disykloheksyyli-2-n-oktyyliguanidiini (DCOG), on osoitettu kiinnostaviksi vaihtoehdoiksi biodieselkonversioon.
Mootabadi et al. (2010) tutkivat ultraääniavusteista biodieselin synteesiä palmuöljystä käyttäen erilaisia alkalimetallioksidikatalyyttejä, kuten CaO:ta, BaO:ta ja SrO:ta. Katalyytin aktiivisuutta ultraääniavusteisessa biodieselin synteesissä verrattiin perinteiseen magneettisekoitusprosessiin. Ultraääniprosessin todettiin saavuttavan BaO:ta käytettäessä 95,2%:n saannon 60 min:n reaktioajassa, kun tavanomaisessa sekoitusprosessissa tähän kuluu 3–4 h. Optimaalisissa olosuhteissa ultraääniavusteinen transesteröinti vaati 60 min 95%:n saannon saavuttamiseen, kun tavanomaisella sekoituksella siihen kului 2–4 h. Lisäksi ultraäänellä 60 min:ssa saavutetut saannot kasvoivat CaO:ta katalyyttinä käytettäessä 5,5%:sta 77,3%:iin, SrO:ta käytettäessä 48,2%:sta 95,2%:iin ja BaO:ta käytettäessä 67,3%:sta arvoon 95,2.

Biodieselin tuotanto käyttäen erilaisia guanidiineja (3% mol) katalyyttinä. (A) Mekaanisesti sekoitettu panosreaktori: (metanoli:canolaöljy) 4:1, lämpötila 65ºC; (B) Ultraäänipanosreaktori: ultraäänilaite UP200St, (metanoli:canolaöljy) 4:1, 60%:n ultraääniamplitudi, lämpötila 35ºC. Ultraäänisekoitus päihittää mekaanisen sekoituksen selvästi.
(Tutkimus ja kuvaajat: Shinde ja Kaliaguine, 2019)

Tehokkaat ultraäänireaktorit ylivertaiseen biodieselin käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics tarjoaa tehokkaita ultraääniprosessoreita ja -reaktoreita biodieselin tuotannon parantamiseen. Niiden avulla saavutetaan suuremmat saannot, parempi laatu, lyhyempi käsittelyaika ja pienemmät tuotantokustannukset.

Pienen ja keskisuuren mittakaavan biodieselreaktorit

Pienen ja keskisuuren mittakaavan biodieselin tuotantoon, enintään 9ton/hr (2 900 gal/hr), Hielscher tarjoaa seuraavat suuria leikkausvoimia tuottavat ultraäänisekoitinmallit: UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1 000 wattia), UIP1500hdT (1 500 wattia) ja UIP2000hdT (2 000 wattia) . Nämä neljä ultraäänireaktoria ovat erittäin kompakteja ja helppoja integroida tai jälkiasentaa. Ne on rakennettu vaativaan käyttöön ankarissa ympäristöolosuhteissa. Alla on suositeltuja reaktorikokoonpanoja eri tuotantonopeuksille.

Erittäin suuren tuotantokapasiteetin teolliset biodieselreaktorit

Teollisiin biodieselin tuotantolaitoksiin Hielscher tarjoaa seuraavat ultraäänihomogenisaattorit: UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000hdT (16kW) ! Nämä ultraääniprosessorit on suunniteltu jatkuvaan käsittelyyn suurilla tilavuusvirroilla. UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP10000 voidaan integroida tavanomaisiin merirahtikontteihin. Vaihtoehtoisesti kaikki neljä prosessorimallia ovat saatavana ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa kaapeissa. Pystyasennus vaatii hyvin vähän tilaa. Alla on suositeltuja kokoonpanoja tyypillisille teollisille käsittelynopeuksille.