שיפור אסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות בקטליזה חומצית באמצעות סוניקציה

בייצור ביודיזל ובעיבוד אולאוכימי, רמות גבוהות של חומצות שומן חופשיות (FFAs) נותרות אתגר מתמשך. אסטריפיקציה קונבנציונלית בקטליזה חומצית היא דרך מבוססת היטב להמרת חומצות שומן חופשיות לאסטרים אלקיליים בעלי ערך של חומצות שומן, אך התגובה מוגבלת לעיתים קרובות בשל מעבר מסה איטי, זמני תגובה ארוכים ותנאי תהליך תובעניים. סוניקציה היא טכנולוגיה מעשית להעצמת תהליכים, שיכולה לשפר במידה ניכרת את שלב התגובה החשוב הזה.

אסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות בקטליזה חומצית כוללת בדרך כלל תגובה של חומצות שומן חופשיות עם אלכוהול קצר שרשרת, כגון מתנול, בנוכחות זרז חומצי, לעיתים קרובות חומצה גופרתית. המטרה היא להפחית את ערך החומצה של שמנים ושומנים זולים לפני המרה נוספת בהמשך התהליך. הדבר רלוונטי במיוחד בעת עיבוד חומרי גלם כגון שמן בישול משומש, שומן חום, שומנים מן החי, משקעי סבון, תזקיקים או זרמי ליפידים אחרים שעברו פירוק ומכילים רמות גבוהות של חומצות שומן חופשיות. עם זאת, במערכות קונבנציונליות, העובדה ששמן ואלכוהול אינם מתערבבים זה בזה מאטה את יצירת המגע בין המגיבים, והדבר מגביל ישירות את ביצועי התגובה.

משמנים משומשים בעלי תכולה גבוהה של חומצות שומן חופשיות לדלק ביולוגי
תמונה: Varma et al., 2024

שיפור ביצועי האסטריפיקציה באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה נותנת מענה לצוואר בקבוק זה באמצעות החדרת גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה לתווך התגובה. גלים אלה יוצרים קוויטציה, כלומר היווצרות וקריסה מהירות של בועות מיקרוסקופיות בנוזל. התוצאה היא ערבוב מקומי עז, פיזור משופר של הפאזה האלכוהולית בפאזת השמן ושטח פנים גדול בהרבה בממשק בין הפאזות לצורך התגובה. מבחינה מעשית, אולטרסאונד מסייע לזרז החומצי, לאלכוהול ולחומצות השומן החופשיות לבוא במגע ביעילות רבה יותר, וכך מאיץ את האסטריפיקציה ומשפר את ביצועי התהליך בכללותו.
מנקודת מבט של הנדסת תהליכים, היתרון העיקרי של סוניקציה הוא שהיא מעצימה תגובה המוגבלת על ידי דיפוזיה בלי לשנות את הכימיה הבסיסית שלה. במקום להסתמך רק על חום וערבול מכני, אנרגיה אולטרסונית משפרת את המגע בין הפאזות ישירות בתוך הנוזל. הדבר מתבטא בזמני תגובה קצרים יותר, בהפחתה מהירה יותר של חומצות השומן החופשיות וביעילות אסטריפיקציה גבוהה יותר בתנאי הפעלה מתונים יותר. עבור יצרנים המעבדים חומרי גלם קשים לעיבוד, זהו יתרון חשוב.

היתרונות העיקריים של סוניקציה באסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות

כמה יתרונות הופכים את הסוניקציה לאטרקטיבית במיוחד לאסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות בקטליזה חומצית:

• קינטיקת תגובה מהירה יותר הודות למעבר מסה משופר בין פאזות שאינן מתערבבות זו בזו
• מגע יעיל יותר בין חומצות השומן החופשיות, האלכוהול והזרז החומצי
• אפשרות להפחתת טמפרטורת התגובה וזמן השהייה הנדרשים
• צורך מופחת בשימוש בעודף אלכוהול בתצורות תהליך מסוימות
• טיפול מקדים משופר בחומרי גלם בעלי תכולה גבוהה של חומצות שומן חופשיות לפני טרנסאסטריפיקציה
• התאמה טובה יותר לחומרי גלם באיכות נמוכה, באיכות משתנה או המכילים מזהמים
• פוטנציאל רב להעצמת תהליכים במערכות תעשייתיות רציפות

מדוע חשובה הגמישות בבחירת חומרי הגלם

שיפורים אלה המושגים באמצעות אולטרסאונד חשובים משום שהגמישות בבחירת חומרי הגלם הפכה לאחד המנופים הכלכליים החשובים ביותר בייצור ביודיזל וכימיקלים ממקורות מתחדשים. יצרנים מעוניינים יותר ויותר לעבור משמני מאכל מזוככים לחלופות זולות ובנות קיימא יותר. האתגר הוא שחומרי גלם חלופיים אלה מכילים לעיתים קרובות כמות גדולה מדי של חומצות שומן חופשיות לביצוע טרנסאסטריפיקציה ישירה בקטליזה בסיסית. ללא טיפול מקדים, היווצרות סבון, אובדן זרז ובעיות הפרדה עלולים לפגוע בתהליך כולו. אסטריפיקציה המשופרת באמצעות סוניקציה מציעה דרך להפוך חומרי גלם זולים יותר לשימושיים ולרווחיים יותר.

הרלוונטיות התעשייתית ליצרני ביודיזל ואולאוכימיקלים

הרלוונטיות התעשייתית של פיתוח זה בולטת במיוחד במפעלים בקנה מידה גדול, שבהם נדרש איזון בין תפוקה, איכות המוצר, עלויות התפעול ושונות בחומרי הגלם. שלב אסטריפיקציה מהיר ויעיל יותר מפחית צווארי בקבוק בשלבים שלפני ההמרה לביודיזל ומשפר את פריון קו הייצור. הוא גם מאפשר תכנון כורים קומפקטיים יותר, הגדלה קלה יותר של קנה המידה של תהליכי עיבוד מועצמים וניצול טוב יותר של הציוד והתשתיות הקיימים. בשווקים תחרותיים, אפילו לשיפורים מתונים בזמן השהייה, ביעילות ההמרה או בצריכת הכימיקלים עשויה להיות השפעה כספית משמעותית.

עבור מפעילי מפעלים, הצעת הערך אינה רק טכנית אלא גם מסחרית:

• חומרי גלם באיכות נמוכה יותר יכולים להפוך לכדאיים מבחינה כלכלית
• ניתן להגדיל את קיבולת הטיפול המקדים ללא הגדלה יחסית של השטח הנדרש
• קיצור זמן העיבוד יכול לאפשר תפוקה גבוהה יותר
• הפחתה טובה יותר של תכולת חומצות השומן החופשיות יכולה לייצב את הטרנסאסטריפיקציה בהמשך התהליך
• שיפור היעילות יכול לתרום להפחתת עלויות התפעול לכל טון מעובד

כור אולטרסוני UIP1000hdT לאסטריפיקציה משופרת של חומצות שומן חופשיות.

יתרונות האסטריפיקציה האולטרסונית מבחינת קיימות

היבט חשוב נוסף הוא קיימות. באמצעות מתן אפשרות להמרת שמנים משומשים ושומנים שיוריים בעלי תכולה גבוהה של חומצות שומן חופשיות, סוניקציה יכולה לסייע בהרחבת מגוון חומרי הגלם שניתן להשתמש בהם מעבר לשמנים באיכות מזון. הדבר משתלב היטב במגמה הרחבה בתעשייה לעבר חומרי גלם מכלכלה מעגלית, הפקת ערך מפסולת וייצור דלקים בעלי טביעת רגל פחמנית נמוכה יותר. במובן זה, סוניקציה אינה רק שיפור מעבדתי. זוהי טכנולוגיית תהליך בעלת רלוונטיות ברורה להפחתת פליטות פחמן בתעשייה ולשימוש יעיל במשאבים.

דרך מעשית להעצמת תהליכים

אף שהיישום עדיין מחייב התחשבות בתכנון הציוד, בצפיפות ההספק האולטרסוני, בזמן השהייה, בגאומטריית הכור ובאסטרטגיה להגדלת קנה המידה, ההזדמנות הבסיסית ברורה. סוניקציה משפרת את אחת מנקודות התורפה המרכזיות של אסטריפיקציה קונבנציונלית בקטליזה חומצית: אינטראקציה בלתי מספקת בין הפאזות. באמצעות האצת התגובה ושיפור יעילותה, אולטרסאונד מסייע לממש את הערך של חומרי גלם ליפידיים מאתגרים, שאחרת עיבודם היה יקר או קשה.
עבור חברות בתחומי הביודיזל, האולאוכימיקלים, חומרי הסיכה ממקור ביולוגי והדלקים המתחדשים, זהו פיתוח שכדאי לעקוב אחריו מקרוב. ככל ששולי הרווח נותרים מצומצמים ואיכות חומרי הגלם נעשית משתנה יותר, טכנולוגיות המשפרות את ביצועי התגובה בלי לסבך את הכימיה נעשות אטרקטיביות יותר ויותר. אסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות בקטליזה חומצית, המשופרת באמצעות סוניקציה, בולטת כדרך מעשית להשגת יעילות גבוהה יותר, גמישות רבה יותר בבחירת חומרי הגלם וכושר תחרות תעשייתי משופר.

מכשירי הסוניקציה של Hielscher תומכים באסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות הניתנת להגדלת קנה מידה ונוחה לשילוב במתקנים קיימים

הסוניקטורים של Hielscher מציעים יתרונות ברורים לאסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות (FFAs) בכל מקום שבו יש חשיבות להגברת תהליכים אמינה ולהתאמה מעשית לתעשייה. הבקרה המדויקת שלהם על המשרעת, האנרגיה המושקעת, תנאי הטמפרטורה ופרמטרי העיבוד מאפשרת למפעילים למטב את ביצועי האסטריפיקציה ברמת חזרתיות גבוהה, החיונית להפחתה עקבית של חומצות שומן חופשיות בחומרי גלם באיכויות משתנות.
בה בעת, המערכות של Hielscher מתוכננות לעבודה תעשייתית בתנאים קשים, ולכן מתאימות היטב להפעלה רציפה בסביבות ייצור תובעניות. יתרון משמעותי נוסף הוא האפשרות להגדיל את קנה המידה שלהן באופן ליניארי: ניתן להעביר פרמטרי תהליך שפותחו בקנה מידה מעבדתי, שולחני או פיילוט לייצור תעשייתי עם תוצאות צפויות, וכך לאפשר יישום החל מאצוות קטנות ועד כמעט כל היקף תפוקה.
בנוסף, ניתן לשלב את הכורים האולטרסוניים של Hielscher תוך הפרעה מועטה יחסית לפעילות, ולכן הם אפשרות אטרקטיבית הן לקווי תהליך חדשים והן לשדרוג מתקנים קיימים לייצור ביודיזל, מוצרים אולאוכימיים או דלקים מתחדשים, המעוניינים לשפר את יעילות האסטריפיקציה מבלי לתכנן מחדש את המתקן כולו. הסוניקטורים של Hielscher בנויים להפעלה מאומצת 24/7 עם דרישות תחזוקה נמוכות, ולכן הם בחירה מצוינת לשיפור אסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות בקטליזה חומצית בסביבות ייצור תעשייתיות.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של הסוניקטורים של Hielscher:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי האולטרסאונד של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• Naeem, Marwa; Al-Sakkari, Eslam; Boffito, D; Rene, Eldon; Gadalla, Mamdouh; Ashour, Fatma (2023): Single-stage waste oil conversion into biodiesel via sonication over bio-based bifunctional catalyst: Optimization, preliminary techno-economic and environmental analysis. Fuel, 2023.
• Cristiane B. Hobuss, Dalila Venzke, Bruna S. Pacheco, Alexander O. Souza, Marco A.Z. Santos, Sidnei Moura, Frank H. Quina, Karina G. Fiametti, J. Vladimir Oliveira, Claudio M.P. Pereira (2012): Ultrasound-assisted synthesis of aliphatic acid esters at room temperature. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 3, 2012. 387-389.
• Susana Nieto, Rocio Villa, Antonio Donaire, Pedro Lozano (2021): Ultrasound-assisted enzymatic synthesis of xylitol fatty acid esters in solvent-free conditions. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 75, 2021.