Le biodiesel est synthétisé par transestérification en utilisant un catalyseur de base. Toutefois, si l'on utilise des matières premières telles que des déchets végétaux de qualité inférieure ayant une teneur élevée en acides gras libres, une étape de prétraitement chimique d'estérification utilisant 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 de biodiesel, donne lieu à un rendement et une qualité de biodiesel plus élevés et permet d'économiser des réactifs tels que le méthanol et le catalyseur.

Conversion du biodiesel à l'aide d'ultrasons puissants

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 ayant une teneur élevée 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 lent d'estérification est l'application d'ultrasons puissants. 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 fort cisaillement, 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.

La transestérification des triglycérides en biodiesel (FAME) à l'aide de la sonication permet d'accélérer la réaction et d'obtenir un rendement nettement supérieur.

Comment fonctionne la conversion ultrasonique du biodiesel ?

Le mélange par ultrasons entre les différentes phases de la transestérification (parfois aussi appelée alcoolyse) et de l'estérification est basé sur l'amélioration du mélange ainsi que sur l'augmentation du transfert de chaleur et de masse. 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 est caractérisée par des forces de cisaillement et des turbulences élevées, ainsi que par des différentiels de pression et de température très importants. 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.
Il a été scientifiquement et industriellement prouvé que l'application des ultrasons pendant la conversion du biodiesel améliore 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 l'utilisation réduite 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'y a pas besoin de 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 mise à l'échelle simple à n'importe quel volume, le fonctionnement fiable et sûr ainsi que la robustesse et la fiabilité de l'équipement ultrasonique (norme industrielle, capable de fonctionner en continu 24/7/365 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 un acide et une base

Pour les matières premières à forte teneur en AGF, la production de biodiesel s'effectue par une 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 un acide et la transestérification catalysée par une base :

Estérification catalysée par les acides à l'aide d'ultrasons

Pour traiter un excès d'acides gras libres dans la charge d'alimentation, le processus 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 charge à travers un échangeur de chaleur et un mélangeur statique pour 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 font leur effet et où les acides gras libres sont convertis en biodiesel.
• Enfin, le produit est déshydraté et introduit dans 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, un système 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 du méthanol et faire passer les flux de catalyseur/méthanol et de matière première prétraitée dans un mélangeur statique pour obtenir un prémélange brut.
• Introduire le pré-mélange directement dans la chambre de réaction ultrasonique pour le mélange par cavitation à haut cisaillement et le traitement sonochimique. Les produits de cette réaction sont les esters alkyliques (c'est-à-dire le biodiesel) et 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 utilisant 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 de méthanol. Si vous vous dites "Je ne me soucie pas de ma consommation de méthanol, puisque je le récupère de toute façon", vous devriez y repenser et tenir compte du 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 retiré 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 êtes en mesure de réduire considérablement votre utilisation de méthanol, réduisant ainsi les dépenses énergétiques élevées et exorbitantes pour la récupération du méthanol. L'utilisation des réacteurs à ultrasons Hielscher permet de réduire jusqu'à 50 % la quantité de méthanol excédentaire nécessaire. Un rapport molaire entre 1:4 ou 1:4,5 (huile : méthanol) est suffisant pour la plupart des matières premières, lorsqu'on utilise le mélangeur à ultrasons Hielscher.

Les ultrasons augmentent l'efficacité de la conversion du biodiesel – Scientifiquement prouvé

De nombreux groupes de chercheurs 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 ultrasonique augmente l'activité chimique et la vitesse de réaction, ce qui entraîne 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 FAME 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 taille moyenne et grande pour le traitement du biodiesel

Hielscher Ultrasonics’ fournit des processeurs à ultrasons industriels de petite, moyenne et grande taille pour la production efficace de biodiesel à tout volume. Proposant des systèmes à ultrasons à toute échelle, Hielscher peut offrir la solution idéale tant pour les petits producteurs que pour les grandes entreprises. La conversion du biodiesel par ultrasons peut être exploitée en tant que processus discontinu ou continu en ligne. L'installation et le fonctionnement sont simples, sûrs et donnent des rendements élevés et fiables d'une qualité supérieure de biodiesel.
Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de taux de production.