Production de biodiesel avec une efficacité supérieure en termes de processus et de coûts

Le mélange ultrasonique est la technologie supérieure pour une production de biodiesel hautement efficace et rentable. La cavitation ultrasonique améliore considérablement le transfert de masse, réduisant ainsi les coûts de production et la durée du traitement. En même temps, les huiles et les graisses de mauvaise qualité (par exemple, les huiles usagées) peuvent être utilisées et la qualité du biodiesel est améliorée. Hielscher Ultrasonics fournit des réacteurs de mélange à ultrasons performants et robustes pour toutes les échelles de production. En savoir plus sur les avantages de la sonication pour votre production de biodiesel !

Avantages de la production de biodiesel grâce aux ultrasons

Le biodiesel (ester méthylique d'acide gras, abrév. EMAG) est le produit d'une réaction de transestérification d'une matière première lipidique (triglycérides, par exemple, huile végétale, huiles de cuisson usagées, graisses animales, huile d'algues) et d'un alcool (méthanol, éthanol) à l'aide d'un catalyseur (par exemple, l'hydroxyde de potassium KOH).
Le problème : Dans la conversion conventionnelle du biodiesel utilisant une agitation classique, la nature non miscible des deux réactifs de la réaction de transestérification de l'huile et de l'alcool entraîne un faible taux de transfert de masse, ce qui se traduit par une production inefficace de biodiesel. Cette inefficacité se caractérise par des temps de réaction longs, des rapports molaires méthanol-huile élevés, des exigences élevées en matière de catalyseur, des températures de traitement élevées et des vitesses d'agitation élevées. Ces facteurs sont des facteurs de coût importants qui font de la production conventionnelle de biodiesel un processus coûteux.
La solution : Le mélange ultrasonique émulsifie les réactifs de manière très efficace, rapide et peu coûteuse, ce qui permet d'améliorer le rapport huile-méthanol, de réduire les besoins en catalyseurs et d'abaisser le temps et la température de réaction. Ainsi, les ressources (c'est-à-dire les produits chimiques et l'énergie) et le temps sont économisés, les coûts de traitement sont réduits, tandis que la qualité du biodiesel et la rentabilité de la production sont considérablement améliorées. Ces faits font du mélange ultrasonique la technologie privilégiée pour la fabrication efficace de biodiesel.
La recherche et les producteurs industriels de biodiesel confirment que le mélange par ultrasons est un moyen très rentable de produire du biodiesel, même lorsque des huiles et des graisses de mauvaise qualité sont utilisées comme matière première. L'intensification du processus ultrasonique améliore considérablement le taux de conversion en réduisant l'utilisation de méthanol et de catalyseur en excès, ce qui permet de produire du biodiesel répondant aux normes de qualité des spécifications ASTM D6751 et EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

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

Nombreux avantages du mélange ultrasonique dans la production de biodiesel

Les réacteurs de mélange à ultrasons peuvent être facilement intégrés dans toute nouvelle installation ou dans des usines de biodiesel existantes. L'intégration d'un mélangeur à ultrasons Hielscher transforme toute installation de biodiesel en une usine de production à haut rendement. La simplicité d'installation, la robustesse et la convivialité (aucune formation spécifique n'est requise) permettent de transformer toute installation en une usine de biodiesel hautement efficace. Nous vous présentons ci-dessous des résultats scientifiquement prouvés d'avantages documentés par des tiers indépendants. Les chiffres prouvent la supériorité du mélange ultrasonique du biodiesel sur toute technique d'agitation conventionnelle.

L'organigramme montre les étapes de production du biodiesel, y compris le mélange par ultrasons pour améliorer l'efficacité du processus.

Comparaison de l'efficacité et des coûts : Comparaison des ultrasons et de l'agitation mécanique

Gholami et al. (2021) présentent dans leur étude comparative les avantages de la transestérification par ultrasons par rapport à l'agitation mécanique (c'est-à-dire le mélangeur à pales, la turbine, le mélangeur à haut cisaillement).
Coûts d'investissement : Le processeur et réacteur à ultrasons UIP16000 peut produire 192 à 384 tonnes de biodiesel par jour avec un encombrement de seulement 1,2m x 0,6m. En comparaison, pour l'agitation mécanique (MS), un réacteur beaucoup plus grand est nécessaire en raison du long temps de réaction dans le processus d'agitation mécanique, ce qui entraîne une augmentation significative du coût du réacteur. (cf. Gholami et al., 2020)
Frais de traitement : Les coûts de traitement pour la production de biodiesel par ultrasons sont inférieurs de 7,7 % à ceux du processus d'agitation, principalement en raison de l'investissement total moins élevé pour le processus de sonication. Le coût des produits chimiques (catalyseur, méthanol/alcool) est le troisième facteur de coût le plus important dans les deux procédés, sonication et agitation mécanique. Toutefois, pour la conversion du biodiesel par ultrasons, les coûts des produits chimiques sont nettement inférieurs à ceux de l'agitation mécanique. Le coût des produits chimiques représente environ 5 % du coût final du biodiesel. En raison de la consommation plus faible de méthanol, d'hydroxyde de sodium et d'acide phosphorique, le coût des produits chimiques dans le processus de biodiesel ultrasonique est inférieur de 2,2 % à celui du processus d'agitation mécanique.
Coût de l'énergie : L'énergie consommée par le réacteur de mélange ultrasonique est environ trois fois inférieure à celle consommée par l'agitateur mécanique. Cette réduction considérable de la consommation d'énergie est un produit du micro-mélange intense et du temps de réaction réduit, résultant de la production et de l'effondrement d'innombrables cavités, qui caractérisent le phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique (Gholami et al., 2018). En outre, par rapport à l'agitateur classique, la consommation d'énergie pour les étapes de récupération du méthanol et de purification du biodiesel pendant le processus de mélange ultrasonique est réduite de 26,5 % et de 1,3 %, respectivement. Cette baisse est due aux quantités plus faibles de méthanol entrant dans ces deux colonnes de distillation au cours du processus de transestérification ultrasonique.
Frais d'élimination des déchets : La technologie de cavitation ultrasonique réduit également de manière remarquable le coût de l'élimination des déchets. Ce coût dans le processus de sonication est d'environ un cinquième de celui du processus d'agitation, ce qui s'explique par la diminution significative de la production de déchets due à une conversion plus élevée du réacteur et à des quantités moindres d'alcool consommé.
En savoir plus sur la conversion ultrasonique du biodiesel à partir d'huiles de marc de café usagé !
Respect de l'environnement : En raison de l'efficacité globale très élevée, de la consommation réduite de produits chimiques, des besoins énergétiques moindres et de la réduction des déchets, la production de biodiesel par ultrasons est nettement plus respectueuse de l'environnement que les procédés conventionnels de fabrication de biodiesel.

Conclusion – Les ultrasons améliorent l'efficacité de la production de biodiesel

L'évaluation scientifique montre les avantages évidents du mélange ultrasonique par rapport à l'agitation mécanique conventionnelle pour la production de biodiesel. Les avantages du traitement du biodiesel par ultrasons comprennent l'investissement total, le coût total du produit, la valeur actuelle nette et le taux de rendement interne. Le montant de l'investissement total dans le processus de cavitation ultrasonique s'est avéré inférieur à celui des autres procédés d'environ 20,8 %. L'utilisation de réacteurs à ultrasons a permis de réduire les coûts du produit de 5,2 % – en utilisant de l'huile de canola vierge. Étant donné que la sonication permet de traiter également les huiles usées (par exemple, les huiles de cuisson usagées), les coûts de production peuvent être réduits de manière significative. Gholami et al. (2021) concluent qu'en raison d'une valeur actuelle nette positive, le processus de cavitation ultrasonique est le meilleur choix de technologie de mélange pour la production de biodiesel.
D'un point de vue technique, les effets les plus importants de la cavitation ultrasonique concernent l'efficacité significative du processus et la réduction du temps de réaction. La formation et l'effondrement de nombreuses bulles de vide – connue sous le nom de cavitation acoustique / ultrasonique – réduire le temps de réaction de plusieurs heures dans le réacteur à cuve agitée à quelques secondes dans le réacteur à cavitation ultrasonique. Ce temps de séjour court permet de produire du biodiesel dans un réacteur à flux continu de faible encombrement. Le réacteur à cavitation ultrasonique a également des effets bénéfiques sur les besoins en énergie et en matériaux, réduisant la consommation d'énergie à près d'un tiers de celle d'un réacteur à cuve agitée et la consommation de méthanol et de catalyseur à 25 %.
D'un point de vue économique, l'investissement total du procédé de cavitation ultrasonique est inférieur à celui du procédé d'agitation mécanique, principalement en raison de la réduction de près de 50 % et de 11,6 % du coût du réacteur et du coût de la colonne de distillation du méthanol, respectivement. Le procédé de cavitation ultrasonique réduit également le coût de production du biodiesel en raison d'une réduction de 4 % de la consommation d'huile de canola, d'un investissement total inférieur, d'une consommation de produits chimiques inférieure de 2,2 % et de besoins en énergie inférieurs de 23,8 %. Contrairement au procédé par agitation mécanique, le traitement ultrasonique est un investissement acceptable en raison de sa valeur actuelle nette positive, d'un délai de récupération plus court et d'un taux de rendement interne plus élevé. Outre les avantages technico-économiques associés au procédé de cavitation ultrasonique, celui-ci est plus respectueux de l'environnement que le procédé d'agitation mécanique. La cavitation ultrasonique permet de réduire de 80 % les flux de déchets en raison de la conversion plus élevée dans le réacteur et de la consommation réduite d'alcool dans ce processus. (cf. Gholami et al., 2021)

Utilisez le catalyseur de votre choix

Le processus de transestérification ultrasonique du biodiesel s'est avéré efficace en utilisant des catalyseurs alcalins ou basiques. Par exemple, Shinde et Kaliaguine (2019) ont comparé l'efficacité du mélange par ultrasons et par lame mécanique en utilisant différents catalyseurs, à savoir l'hydroxyde de sodium (NaOH), l'hydroxyde de potassium (KOH), (CH₃ONa), l'hydroxyde de tétraméthyle ammonium et quatre guanidines (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tétraméthyl guanidine (TMG), 1,3-diphényl guanidine (DPG)). Le mélange ultrasonique (à 35º) s'est avéré supérieur pour la production de biodiesel, surpassant le mélange mécanique (à 65º) par des rendements et des taux de conversion plus élevés. L'efficacité du transfert de masse dans le champ ultrasonique a augmenté le taux de réaction de transestérification par rapport à l'agitation mécanique. La sonication a été plus performante que l'agitation mécanique pour tous les catalyseurs testés. L'exécution de la réaction de transestérification par cavitation ultrasonique est une alternative énergétiquement efficace et industriellement viable pour la production de biodiesel. Outre les catalyseurs largement utilisés KOH et NaOH, les deux catalyseurs guanidine, la propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) et la 1,3-dicyclohexyl-2 n-octylguanidine (DCOG), se sont révélés être des alternatives intéressantes pour la conversion du biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) ont étudié la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons à partir d'huile de palme en utilisant divers catalyseurs d'oxydes métalliques alcalins tels que CaO, BaO et SrO. L'activité du catalyseur dans la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons a été comparée au processus traditionnel d'agitation magnétique, et il a été constaté que le processus ultrasonique a montré un rendement de 95,2 % en utilisant BaO dans un temps de réaction de 60 minutes, qui autrement prendrait 3-4 h dans le processus d'agitation conventionnel. Pour la transestérification assistée par ultrasons dans des conditions optimales, 60 minutes ont été nécessaires pour obtenir un rendement de 95 %, contre 2 à 4 heures avec l'agitation conventionnelle. En outre, les rendements obtenus avec les ultrasons en 60 minutes sont passés de 5,5 % à 77,3 % en utilisant le CaO comme catalyseur, de 48,2 % à 95,2 % en utilisant le SrO comme catalyseur, et de 67,3 % à 95,2 % en utilisant le BaO comme catalyseur.

Production de biodiesel en utilisant diverses guanidines (3% mol) comme catalyseur. (A) Réacteur discontinu à agitation mécanique : (méthanol:huile de canola) 4:1, température 65ºC ; (B) Réacteur discontinu à ultrasons : ultrasonateur UP200St(méthanol:huile de canola) 4:1, 60% d'amplitude des ultrasons, température 35ºC. Le mélange par ultrasons est de loin plus performant que l'agitation mécanique.
(Étude et graphiques : Shinde et Kaliaguine, 2019)

Réacteurs ultrasoniques à haute performance pour un traitement supérieur du biodiesel

Hielscher Ultrasonics propose des processeurs et des réacteurs à ultrasons de haute performance pour améliorer la production de biodiesel, ce qui se traduit par des rendements plus élevés, une meilleure qualité, des temps de traitement réduits et des coûts de production moindres.

Réacteurs de biodiesel à petite et moyenne échelle

Pour les petites et moyennes productions de biodiesel jusqu'à 9 tonnes/heure (2900 gal/h), Hielscher vous propose la solution suivante UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts)et UIP2000hdT (2000 watts) modèles de mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement. Ces quatre réacteurs à ultrasons sont très compacts, faciles à intégrer ou à rééquiper. Ils sont conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles. Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de taux de production.

Réacteurs industriels à très grand débit pour le biodiesel

Pour le traitement industriel des usines de production de biodiesel, Hielscher propose les produits suivants UIP4000hdT (4kW)UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) et UIP16000hdT (16kW) homogénéisateurs à ultrasons ! Ces processeurs à ultrasons sont conçus pour le traitement en continu de débits élevés. Les modèles UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP10000 peuvent être intégrés dans des conteneurs de fret maritime standard. Les quatre modèles de processeurs sont également disponibles dans des armoires en acier inoxydable. Une installation verticale nécessite un minimum d'espace. Vous trouverez ci-dessous les configurations recommandées pour des taux de traitement industriels typiques.