Biodiesel par (trans)estérification améliorée par ultrasons

Le biodiesel est synthétisé par transestérification à l'aide d'un catalyseur basique. Toutefois, si l'on utilise des matières premières telles que des déchets végétaux de qualité inférieure à forte teneur en acides gras libres, une étape de prétraitement chimique d'estérification à l'aide d'un catalyseur acide est nécessaire. Les ultrasons et leurs effets sonochimiques et sonomécaniques contribuent aux deux types de réaction et augmentent considérablement l'efficacité de la conversion du 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 supérieurs du biodiesel et permet d'économiser des réactifs tels que le méthanol et le catalyseur.

Conversion du biodiesel à l'aide d'ultrasons de puissance

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

Comment fonctionne la conversion ultrasonique du biodiesel ?

L'ultrasonication entre les différentes phases de la transestérification (aussi parfois appelée alcoolyse) et de l'estérification est basée sur l'amélioration du mélange ainsi que sur l'augmentation du transfert de chaleur et de masse. Le mélange ultrasonique est basé sur le principe de la cavitation acoustique, qui se produit à la suite de l'implosion de bulles de vide dans le liquide. La cavitation acoustique se caractérise par des forces de cisaillement et des turbulences importantes, ainsi que par des différentiels de pression et de température très élevés. Ces forces favorisent la réaction chimique de transestérification/estérification et intensifient le transfert de masse et de chaleur, améliorant ainsi considérablement la réaction de conversion du biodiesel.

La transestérification des triglycérides en biodiesel (FAME) par sonication permet d'accélérer la réaction et d'obtenir un rendement nettement plus élevé.

Il a été scientifiquement et industriellement prouvé que l'application des ultrasons pendant la conversion du biodiesel améliorait l'efficacité du processus. L'amélioration de l'efficacité du processus peut être attribuée à la réduction de la consommation d'énergie et des coûts d'exploitation, ainsi qu'à la réduction de l'utilisation d'alcool (c'est-à-dire de méthanol), à la diminution du catalyseur et à la réduction significative du temps de réaction. Les coûts énergétiques liés au chauffage sont éliminés puisqu'il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un chauffage externe. En outre, la séparation des phases entre le biodiesel et le glycérol est plus simple et le temps de séparation des phases est 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 pour tout volume, le fonctionnement fiable et sûr ainsi que la robustesse et la fiabilité de l'équipement ultrasonique (norme industrielle, capable de fonctionner en continu 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an à pleine charge).

Système industriel à ultrasons avec cellule d'écoulement pour l'estérification et la transestérification en ligne du biodiesel.

Conversion du biodiesel en deux étapes assistée par ultrasons en appliquant des étapes de réaction catalysées par des acides et des bases

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

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

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

• Préparer les matières premières en les filtrant et en les 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 par un échangeur de chaleur et un mélangeur statique afin d'obtenir un pré-mélange brut.
• Le pré-mélange de catalyseur et de matière première passe directement dans la chambre de réaction ultrasonique, où le mélange ultra-fin et la sonochimie prennent effet et où les acides gras libres sont convertis en biodiesel.
• Enfin, le produit est déshydraté et acheminé vers la deuxième étape - la transestérification par ultrasons. Après récupération, séchage et neutralisation, le méthanol humide acide est prêt à être réutilisé.
• Pour les matières premières à très forte teneur en AGF, une installation de recirculation peut être nécessaire pour ramener les AGF à un niveau raisonnable avant l'étape de transestérification.

Réaction d'estérification à l'aide d'un catalyseur acide :
FFA + alcool → ester + eau

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

La matière première, qui ne contient plus que de faibles quantités d'AGF, peut être directement introduite dans l'étape de transestérification. Le plus souvent, l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium (NaOH, KOH) est utilisé comme catalyseur de base.

• 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 dans un mélangeur statique pour obtenir un pré-mélange brut.
• Introduire le pré-mélange directement dans la chambre de réaction ultrasonique pour le mélange cavitationnel à cisaillement élevé et le traitement sonochimique. Les produits de cette réaction sont des esters d'alkyle (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, avec un bon rendement énergétique et un bon rapport coût-efficacité, en économisant le méthanol et le catalyseur.

Réaction de transestérification à l'aide d'un catalyseur de base :
Huile / Graisse + Alcool → Biodiesel + Glycérol

Utilisation du méthanol & Récupération du méthanol

Le méthanol est un composant clé de la production de biodiesel. La conversion du biodiesel par ultrasons permet de réduire considérablement l'utilisation du méthanol. Si vous vous dites maintenant "Je ne me soucie pas de ma consommation de méthanol, puisque je le récupère de toute façon", vous devriez y repenser et prendre en compte le coût énergétique exorbitant de l'étape d'évaporation (par exemple en utilisant une colonne de distillation), qui est nécessaire pour séparer et recycler le méthanol.
Le méthanol est généralement éliminé après que le biodiesel et la glycérine ont été séparés en deux couches, ce qui empêche l'inversion de la réaction. Le méthanol est ensuite nettoyé et recyclé au début du processus. En produisant du biodiesel par estérification et transestérification à l'aide d'ultrasons, vous pouvez réduire considérablement votre consommation de méthanol, ce qui réduit les dépenses énergétiques exorbitantes liées à la récupération du méthanol. L'utilisation de réacteurs à ultrasons Hielscher permet de réduire jusqu'à 50 % l'excès de méthanol nécessaire. Un rapport molaire de 1:4 ou 1:4,5 (huile : méthanol) est suffisant pour la plupart des matières premières, lorsque l'on utilise le mélangeur à ultrasons Hielscher.

Les ultrasons augmentent l'efficacité de la conversion du biodiesel – Prouvé scientifiquement

De nombreux groupes de chercheurs ont étudié le mécanisme et les effets de la transestérification ultrasonique du biodiesel. Par exemple, l'équipe de recherche de Sebayan Darwin a démontré que la cavitation ultrasonique augmentait l'activité chimique et la vitesse de réaction, entraînant une augmentation significative de la formation d'esters. La technique ultrasonique a permis de réduire le temps de réaction de la transestérification à 5 minutes – par rapport à 2 heures pour le traitement par agitation mécanique. La conversion des triglycérides (TG) en EMAG sous ultrasons a obtenu 95,6929 % en poids avec un rapport molaire méthanol/huile de 6:1 et 1 % en poids d'hydroxyde de sodium comme catalyseur. (cf. Darwin et al. 2010)

Ultrasons de moyenne et grande taille pour le traitement du biodiesel

Hielscher Ultrasonics’ Hielscher fournit des processeurs à ultrasons industriels de petite, moyenne et grande taille pour la production efficace de biodiesel à n'importe quel volume. En proposant des systèmes à ultrasons à toutes les échelles, Hielscher est en mesure d'offrir la solution idéale aux petits producteurs comme aux grandes entreprises. La conversion du biodiesel par ultrasons peut être effectuée par lots ou en continu, en ligne. L'installation et le fonctionnement sont simples, sûrs et permettent d'obtenir des rendements élevés et fiables pour un biodiesel de qualité supérieure.
Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de taux de production.