Biodiesel par (trans)estérification améliorée par ultrasons

Le biodiesel est synthétisé par transestérification à l’aide d’un catalyseur basique. Cependant, si l’on utilise une matière première telle que des huiles végétales usagées de qualité inférieure à forte teneur en acides gras libres, une étape de prétraitement chimique par estérification à l’aide d’un catalyseur acide est nécessaire. L’ultrasonication et ses effets sonochimiques et sonomécaniques contribuent aux deux types de réaction et augmentent considérablement l’efficacité de la conversion en biodiesel. La production de biodiesel par ultrasons est nettement plus rapide que la synthèse conventionnelle du biodiesel, permet d’obtenir un rendement et une qualité de biodiesel plus élevés et économise des réactifs tels que le méthanol et le catalyseur.

Conversion en biodiesel à l’aide d’ultrasons de puissance

Pour le biodiesel, les esters d’acides gras sont produits par transestérification d’huiles végétales ainsi que de graisses animales (par exemple le suif). Au cours de la réaction de transestérification, le composant glycérol est remplacé par un autre alcool, tel que le méthanol. Les matières premières à forte teneur en acides gras libres, par exemple les huiles végétales usagées (WVO), nécessitent un prétraitement par estérification acide afin d’éviter la formation de savon. Ce procédé de catalyse acide est une réaction très lente lorsqu’il est réalisé selon la méthode conventionnelle en batch. La solution pour accélérer ce lent processus d’estérification est l’application d’ultrasons de puissance. La sonication permet une amélioration significative de la vitesse de réaction, de la conversion et du rendement en biodiesel, car les effets sonochimiques des ultrasons de haute puissance favorisent et intensifient la catalyse acide. La cavitation ultrasonore fournit des forces sonomécaniques, c’est-à-dire un mélange à cisaillement élevé, ainsi que de l’énergie sonochimique. Ces deux types d’action ultrasonore (sonomécanique et sonochimique) transforment l’estérification catalysée par un acide en une réaction rapide nécessitant moins de catalyseur.

Comment fonctionne la conversion en biodiesel par ultrasons ?

L’ultrasonication entre les différentes phases lors de la transestérification (parfois également appelée alcoolyse) et de l’estérification repose sur l’amélioration du mélange ainsi que sur un transfert de chaleur et de masse accru. Le mélange par ultrasons repose sur le principe de la cavitation acoustique, qui résulte de l’implosion de bulles de vide dans le liquide. La cavitation acoustique se caractérise par des forces de cisaillement élevées et des turbulences, ainsi que par des différences de pression et de température très élevées. Ces forces favorisent la réaction chimique de transestérification / estérification et intensifient le transfert de masse et de chaleur, améliorant ainsi significativement la réaction de conversion en biodiesel.

La transestérification des triglycérides en biodiesel (FAME) par sonication entraîne une accélération de la réaction et une efficacité nettement supérieure.

Il a été prouvé scientifiquement et industriellement que l’application des ultrasons lors de la conversion en biodiesel améliore l’efficacité du procédé. Cette amélioration de l’efficacité du procédé s’explique par la réduction de la consommation d’énergie et des coûts d’exploitation, ainsi que par une moindre utilisation d’alcool (c’est-à-dire de méthanol), moins de catalyseur et un temps de réaction considérablement raccourci. Les coûts énergétiques de chauffage sont supprimés, puisqu’aucun chauffage externe n’est nécessaire. En outre, la séparation des phases entre le biodiesel et le glycérol est plus simple, avec un temps de séparation des phases plus court. Un facteur important pour l’utilisation commerciale des ultrasons dans la production de biodiesel est la simplicité de la mise à l’échelle à n’importe quel volume, le fonctionnement fiable et sûr ainsi que la robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons (norme industrielle, capables de fonctionner en continu 24/7/365 à pleine charge).

Système industriel à ultrasons avec cellule à circulation pour l’estérification et la transestérification en ligne du biodiesel.

Conversion en biodiesel en deux étapes assistée par ultrasons, avec étapes de réaction catalysées par un acide et par une base

Pour les matières premières à forte teneur en AGL, la production de biodiesel est réalisée sous forme de réaction catalysée par un acide ou par une base dans un procédé en deux étapes. Les ultrasons contribuent aux deux types de réactions, l’estérification catalysée par un acide ainsi que la transestérification catalysée par une base :

Estérification catalysée par un acide à l’aide d’ultrasons

Pour traiter un excès d’acides gras libres dans la matière première, le procédé d’estérification est nécessaire. L’acide sulfurique est couramment utilisé comme catalyseur acide.

• Préparer la matière première en la filtrant et en la débarrassant des contaminants et de l’eau.
• Dissoudre le catalyseur, à savoir l’acide sulfurique, dans le méthanol. Faire passer le flux de catalyseur/méthanol et la matière première à travers un échangeur de chaleur et un mélangeur statique afin d’obtenir un prémélange grossier.
• Le prémélange de catalyseur et de matière première passe directement dans la chambre de réaction à ultrasons, où le mélange ultrafin et la sonochimie agissent et où les acides gras libres sont convertis en biodiesel.
• Enfin, déshydrater le produit et l’acheminer vers la deuxième étape – la transestérification par ultrasons. Le méthanol humide acide est, après récupération, séchage et neutralisation, prêt à être réutilisé.
• Pour les matières premières à très forte teneur en AGL, un montage de recirculation peut être nécessaire afin d’abaisser la teneur en AGL à un niveau raisonnable avant l’étape de transestérification.

 
Réaction d’estérification à l’aide d’un catalyseur acide :
AGL + alcool → ester + eau
 

En savoir plus sur l’estérification des AGL catalysée par un acide et améliorée par ultrasons !
 
 

Transestérification catalysée par une base à l’aide d’ultrasons

La matière première, qui ne contient désormais plus que de faibles quantités d’AGL, peut être directement acheminée vers l’étape de transestérification. On utilise le plus souvent l’hydroxyde de sodium ou l’hydroxyde de potassium (NaOH, KOH) comme catalyseur basique.

• Dissoudre le catalyseur, à savoir l’hydroxyde de potassium, dans le méthanol et faire passer les flux de catalyseur/méthanol et de matière première prétraitée à travers un mélangeur statique afin d’obtenir un prémélange grossier.
• Acheminer le prémélange directement dans la chambre de réaction à ultrasons pour le mélange cavitationnel à cisaillement élevé et le traitement sonochimique. Les produits de cette réaction sont des esters alkyliques (c’est-à-dire du biodiesel) et de la glycérine. La glycérine peut être séparée par décantation ou par centrifugation.
• Le biodiesel produit par ultrasons est de haute qualité et fabriqué rapidement, de manière économe en énergie et rentable grâce aux économies de méthanol et de catalyseur.

Réaction de transestérification à l’aide d’un catalyseur basique :
Huile / graisse + alcool → biodiesel + glycérol

Utilisation et récupération du méthanol

Le méthanol est un composant clé de la production de biodiesel. La conversion en biodiesel par ultrasons permet de réduire considérablement l’utilisation de méthanol. Si vous pensez maintenant « Ma consommation de méthanol m’est égale, puisque je le récupère de toute façon », vous devriez peut-être reconsidérer la question et tenir compte du coût énergétique exorbitant de l’étape d’évaporation (par exemple à l’aide d’une colonne de distillation), nécessaire pour séparer et recycler le méthanol.
Le méthanol est généralement éliminé après la séparation du biodiesel et de la glycérine en deux couches, ce qui empêche l’inversion de la réaction. Le méthanol est ensuite purifié et recyclé au début du procédé. En produisant du biodiesel par estérification et transestérification assistées par ultrasons, vous pouvez réduire considérablement votre consommation de méthanol et ainsi diminuer la dépense énergétique exorbitante liée à la récupération du méthanol. L’utilisation des réacteurs à ultrasons Hielscher réduit jusqu’à 50% la quantité de méthanol en excès nécessaire. Un rapport molaire compris entre 1:4 et 1:4,5 (huile : méthanol) suffit pour la plupart des matières premières lors de l’utilisation du mélange par ultrasons Hielscher.

Efficacité accrue de la conversion en biodiesel par ultrasons – prouvée scientifiquement

De nombreux groupes de recherche ont étudié le mécanisme et les effets de la transestérification du biodiesel par ultrasons. Par exemple, l’équipe de recherche de Sebayan Darwin a démontré que la cavitation ultrasonore augmentait l’activité chimique et la vitesse de réaction, ce qui entraînait une formation d’esters significativement accrue. La technique ultrasonore a réduit le temps de réaction de transestérification à 5 minutes – contre 2 heures pour le traitement par agitation mécanique. La conversion des triglycérides (TG) en FAME sous ultrasonication a atteint 95,6929%wt avec un rapport molaire méthanol/huile de 6:1 et 1%wt d’hydroxyde de sodium comme catalyseur. (cf. Darwin et al. 2010)

Ultrasonicateurs de taille moyenne et à grande échelle pour la production de biodiesel

Hielscher Ultrasonics fournit des processeurs à ultrasons de petite à moyenne taille ainsi que des processeurs industriels à grande échelle pour la production efficace de biodiesel à n’importe quel volume. Proposant des systèmes à ultrasons à toutes les échelles, Hielscher peut offrir la solution idéale aussi bien aux petits producteurs qu’aux grandes entreprises. La conversion en biodiesel par ultrasons peut être réalisée en batch ou en procédé continu en ligne. L’installation et l’utilisation sont simples et sûres, et fournissent de manière fiable des rendements élevés d’un biodiesel de qualité supérieure.
Vous trouverez ci-dessous des configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de capacités de production.