Production de biodiesel avec une efficacité de procédé et une rentabilité supérieures

Le mélange par ultrasons est la technologie supérieure pour une production de biodiesel hautement efficace et rentable. La cavitation ultrasonore améliore considérablement le transfert de masse, réduisant ainsi les coûts de production et la durée de traitement. Parallèlement, des huiles et graisses de mauvaise qualité (par ex. des huiles usagées) peuvent être utilisées et la qualité du biodiesel est améliorée. Hielscher Ultrasonics fournit des réacteurs de mélange à ultrasons robustes et hautement performants pour toutes les échelles de production. Découvrez comment votre production de biodiesel bénéficiera de la sonication !

Avantages des ultrasons pour la production de biodiesel

Le biodiesel (ester méthylique d’acide gras, abrév. FAME) est le produit d’une réaction de transestérification d’une matière première lipidique (triglycérides, par ex. huile végétale, huiles de cuisson usagées, graisses animales, huile d’algues) et d’un alcool (méthanol, éthanol) à l’aide d’un catalyseur (par ex. hydroxyde de potassium KOH).
Le problème : Dans la conversion conventionnelle en biodiesel par agitation conventionnelle, la nature non miscible des deux réactifs de la réaction de transestérification, l’huile et l’alcool, entraîne un faible taux de transfert de masse, ce qui rend la production de biodiesel inefficace. Cette inefficacité se caractérise par de longs temps de réaction, des rapports molaires méthanol-huile plus élevés, des besoins élevés en catalyseur, des températures de procédé élevées et des vitesses d’agitation élevées. Ces facteurs sont des postes de coûts importants qui font de la fabrication conventionnelle de biodiesel un procédé coûteux.
La solution : Le mélange par ultrasons émulsifie les réactifs de manière hautement efficace, rapide et peu coûteuse, de sorte que le rapport huile-méthanol peut être amélioré, les besoins en catalyseur sont réduits, et le temps ainsi que la température de réaction sont abaissés. Ainsi, des ressources (c.-à-d. produits chimiques et énergie) ainsi que du temps sont économisés et les coûts de traitement sont réduits, tandis que la qualité du biodiesel et la rentabilité de la production sont nettement améliorées. Ces faits font du mélange par ultrasons la technologie privilégiée pour une 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 graisses de mauvaise qualité sont utilisées comme matière première. L’intensification du procédé par ultrasons améliore considérablement le taux de conversion en réduisant l’utilisation d’un excès de méthanol et de catalyseur, ce qui permet de produire un biodiesel conforme 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 entraîne une réaction accélérée et une efficacité nettement supérieure.

Nombreux avantages du mélange par ultrasons dans la production de biodiesel

Les réacteurs de mélange à ultrasons peuvent être facilement intégrés dans toute nouvelle installation ainsi qu’installés ultérieurement dans des usines de biodiesel existantes. L’intégration d’un mélangeur à ultrasons Hielscher transforme toute installation de biodiesel en une usine de production hautement performante. Une installation simple, la robustesse et la facilité d’utilisation (aucune formation spécifique requise pour le fonctionnement) permettent de transformer toute installation en une usine de biodiesel hautement efficace. Ci-dessous, nous vous présentons des résultats scientifiquement prouvés d’avantages documentés par des tiers indépendants. Les chiffres prouvent la supériorité du mélange par ultrasons pour le biodiesel sur toute technique d’agitation conventionnelle.

Le schéma de procédé montre les étapes de production du biodiesel, y compris le mélange par ultrasons pour une meilleure efficacité du procédé.

Comparaison de l’efficacité et des coûts : ultrasons vs 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.-à-d. mélangeur à pales, turbine, mélangeur à fort cisaillement).

Faibles coûts d’investissement :
Le processeur et réacteur à ultrasons UIP16000 peut produire 192–384 t de biodiesel/j avec un encombrement de seulement 1,2m x 0,6m. En comparaison, l’agitation mécanique (MS) nécessite un réacteur beaucoup plus grand en raison du long temps de réaction du procédé d’agitation mécanique, ce qui augmente considérablement le coût du réacteur. (cf. Gholami et al., 2020)
Faibles coûts de traitement :
Les coûts de traitement de la production de biodiesel par ultrasons sont inférieurs de 7,7% à ceux du procédé par agitation, principalement en raison de l’investissement total plus faible du procédé de sonication. Le coût des produits chimiques (catalyseur, méthanol/alcool) est le troisième poste de coûts dans les deux procédés, sonication et agitation mécanique. Cependant, pour la conversion en biodiesel par ultrasons, les coûts des produits chimiques sont nettement inférieurs à ceux de l’agitation mécanique. La part des produits chimiques représente env. 5% du coût final du biodiesel. Grâce à la consommation moindre de méthanol, d’hydroxyde de sodium et d’acide phosphorique, le coût des produits chimiques dans le procédé de biodiesel par ultrasons est inférieur de 2,2% à celui du procédé par agitation mécanique.

Coûts énergétiques réduits :
L’énergie consommée par le réacteur de mélange à ultrasons est environ trois fois inférieure à celle consommée par l’agitateur mécanique. Cette réduction considérable de la consommation d’énergie résulte du micro-mélange intense et du temps de réaction réduit, issus de la formation et de l’implosion d’innombrables cavités, qui caractérisent le phénomène de cavitation acoustique / ultrasonore (Gholami et al., 2018). En outre, par rapport à l’agitateur conventionnel, la consommation d’énergie des étapes de récupération du méthanol et de purification du biodiesel lors du procédé de mélange par ultrasons est réduite de 26,5% et 1,3% respectivement. Cette baisse est due aux quantités moindres de méthanol entrant dans ces deux colonnes de distillation dans le procédé de transestérification par ultrasons.

Coûts d’élimination des déchets fortement réduits :
La technologie de cavitation ultrasonore réduit également de manière remarquable le coût d’élimination des déchets. Ce coût dans le procédé de sonication représente environ un cinquième de celui du procédé par agitation, en raison de la diminution significative de la production de déchets due à une conversion plus élevée dans le réacteur et à des quantités moindres d’alcool consommé.
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Meilleur respect de l’environnement :
Grâce à une efficacité globale très élevée, à la consommation réduite de produits chimiques, à des besoins énergétiques moindres et à 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 par ultrasons par rapport à l’agitation mécanique conventionnelle pour la production de biodiesel. Les avantages du traitement du biodiesel par ultrasons portent sur l’investissement en capital total, le coût total du produit, la valeur actuelle nette et le taux de rendement interne. Le montant de l’investissement total du procédé de cavitation ultrasonore s’est avéré inférieur d’environ 20,8% à celui de l’autre procédé. L’utilisation de réacteurs à ultrasons a réduit les coûts du produit de 5,2% – avec de l’huile de colza vierge. Comme la sonication permet également de traiter des huiles usagées (par ex. huiles de cuisson usagées), les coûts de production peuvent être réduits encore bien davantage. Gholami et al. (2021) concluent qu’en raison d’une valeur actuelle nette positive, le procédé de cavitation ultrasonore 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 ultrasonore englobent l’efficacité significative du procédé et la réduction du temps de réaction. La formation et l’implosion de nombreuses bulles de vide – connues sous le nom de cavitation acoustique / ultrasonore – réduisent le temps de réaction de plusieurs heures dans le réacteur à cuve agitée à quelques secondes dans le réacteur à cavitation ultrasonore. Ce court temps de séjour permet de produire du biodiesel dans un réacteur à circulation de faible encombrement. Le réacteur à cavitation ultrasonore montre également des effets bénéfiques sur les besoins en énergie et en matières, 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 de 25%.
D’un point de vue économique, l’investissement total du procédé de cavitation ultrasonore est inférieur à celui du procédé par agitation mécanique, principalement en raison d’une 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 ultrasonore réduit également le coût de production du biodiesel grâce à une réduction de 4% de la consommation d’huile de colza, à un investissement total plus faible, à une consommation de produits chimiques inférieure de 2,2% et à des besoins en utilités inférieurs de 23,8%. Contrairement au procédé par agitation mécanique, le traitement par ultrasons est un investissement acceptable en raison de sa valeur actuelle nette positive, d’un délai de retour sur investissement plus court et d’un taux de rendement interne plus élevé. Outre les avantages technico-économiques associés au procédé de cavitation ultrasonore, celui-ci est plus respectueux de l’environnement que le procédé par agitation mécanique. La cavitation ultrasonore entraîne une réduction de 80% des flux de déchets en raison de la conversion plus élevée dans le réacteur et de la consommation réduite d’alcool dans ce procédé. (cf. Gholami et al., 2021)

Transformez des matières premières de faible qualité en biodiesel impeccable !

La sonication permet de traiter plus efficacement des matières premières médiocres telles que les huiles végétales usagées, les graisses de friture usagées, le suif ou les huiles de poisson, car la cavitation ultrasonore impose un bien meilleur contact entre les phases non miscibles d’huile et d’alcool, améliorant fortement le mélange ainsi que le transfert de chaleur et de masse. Elle accélère également la cinétique de réaction, de sorte que même des matières premières difficiles et variables peuvent être converties plus rapidement et plus complètement.
La cavitation acoustique intensifie le milieu réactionnel et peut favoriser la formation de radicaux hautement réactifs, ce qui soutient davantage une transestérification rapide et aide à surmonter les inconvénients habituels du traitement des matières premières de faible qualité.
Découvrez comment la sonication transforme les huiles et graisses usagées en biodiesel !

Utilisez le catalyseur de votre choix

Le procédé de transestérification du biodiesel par ultrasons s’est avéré efficace avec des catalyseurs aussi bien alcalins que basiques. Par exemple, Shinde et Kaliaguine (2019) ont comparé l’efficacité du mélange par ultrasons et du mélange mécanique à pales en utilisant divers catalyseurs, à savoir l’hydroxyde de sodium (NaOH), l’hydroxyde de potassium (KOH), (CH₃ONa), l’hydroxyde de tétraméthylammonium 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 par ultrasons (à 35º) s’est révélé supérieur pour la production de biodiesel, surpassant le mélange mécanique (à 65º) par des rendements et un taux de conversion plus élevés. L’efficacité du transfert de masse dans le champ ultrasonore a augmenté la vitesse de la réaction de transestérification par rapport à l’agitation mécanique. La sonication a surpassé l’agitation mécanique pour tous les catalyseurs testés. Réaliser la réaction de transestérification par cavitation ultrasonore constitue une alternative économe en énergie et industriellement viable pour la production de biodiesel. Outre les catalyseurs largement utilisés KOH et NaOH, les deux catalyseurs guanidiniques, la propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) et la 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), se sont tous deux révélés être des alternatives intéressantes pour la conversion en biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) ont étudié la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons à partir d’huile de palme en utilisant divers catalyseurs à base d’oxydes de métaux alcalins tels que CaO, BaO et SrO. L’activité du catalyseur dans la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons a été comparée au procédé traditionnel d’agitation magnétique, et il a été constaté que le procédé par ultrasons atteignait un rendement de 95,2% avec BaO en 60 min de temps de réaction, alors que cela prend autrement 3–4 h dans le procédé d’agitation conventionnel. Pour la transestérification assistée par ultrasons dans des conditions optimales, 60 min ont été nécessaires pour atteindre un rendement de 95%, contre 2–4 h avec l’agitation conventionnelle. De plus, les rendements obtenus avec les ultrasons en 60 min sont passés de 5,5% à 77,3% avec CaO comme catalyseur, de 48,2% à 95,2% avec SrO comme catalyseur, et de 67,3% à 95,2 avec BaO comme catalyseur.

Production de biodiesel utilisant diverses guanidines (3% mol) comme catalyseur. (A) Réacteur discontinu à agitation mécanique : (méthanol:huile de colza) 4:1, température 65ºC ; (B) Réacteur discontinu à ultrasons : ultrasonicateur UP200St, (méthanol:huile de colza) 4:1, amplitude US de 60%, température 35ºC. Le mélange par ultrasons surpasse de loin l’agitation mécanique.
(Étude et graphiques : Shinde et Kaliaguine, 2019)

Réacteurs à ultrasons hautement performants pour un traitement supérieur du biodiesel

Hielscher Ultrasonics propose des processeurs et réacteurs à ultrasons hautement performants pour une production de biodiesel améliorée, avec des rendements plus élevés, une meilleure qualité, un temps de traitement réduit et des coûts de production plus faibles.

Réacteurs de biodiesel pour petite et moyenne échelle

Pour une production de biodiesel de petite et moyenne taille jusqu’à 9 t/h (2900 gal/h), Hielscher vous propose les modèles UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts)et UIP2000hdT (2000 watts) de mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement. Ces quatre réacteurs à ultrasons sont très compacts et faciles à intégrer ou à installer ultérieurement. Ils sont conçus pour un fonctionnement intensif dans des environnements difficiles. Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de cadences de production.

Réacteurs industriels de biodiesel à très haut débit

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