ייצור ביודיזל משמן המופק ממשקעי קפה משומשים
ככל שהמאמצים העולמיים למציאת מקורות אנרגיה בני קיימא ומתחדשים מתעצמים, ייצור ביודיזל מחומרי פסולת זוכה לתשומת לב רבה. מבין חומרים אלה, משקעי קפה משומשים (SCG) מציעים הזדמנות מבטיחה. סוניקציה מגבירה הן את מיצוי השמנים מפסולת קפה והן את הטרנסאסטריפיקציה של שמנים אלה לביודיזל.
המרה בת קיימא של פסולת לביודיזל באמצעות סוניקציה
ייצור בר קיימא של ביודיזל משמנים משומשים, כגון שמנים ממשקעי קפה משומשים, מציע חלופה מבטיחה לדלקי מאובנים קונבנציונליים, תוך מתן מענה הן לביקוש לאנרגיה והן לניהול פסולת. סוניקציה היא שיטה מבוססת היטב ומוכחת מדעית לשיפור מיצוי שמן מצמחים וכן לשיפור תהליך ההמרה לביודיזל. סוניקציה מאפשרת תגובות טרנסאסטריפיקציה מהירות יותר באמצעות יצירת אזורים מקומיים בעלי אנרגיה גבוהה באמצעות קוויטציה אקוסטית, ובכך משפרת את המגע בין השמן לאלכוהול ומפחיתה את הצורך בטמפרטורות גבוהות ובזמני תגובה ממושכים.
הכור האולטרסוני UIP16000hdT מייצר ביודיזל בהיקף של כ־32MMGY.
שימוש בשמנים משומשים כגון משקעי קפה משומשים כחומר גלם תורם עוד לקיימות באמצעות הסטת פסולת אורגנית מאתרי הטמנה וצמצום ההסתמכות על שמנים צמחיים בתוליים. גישה זו מפחיתה את ההשפעות הסביבתיות ומשפרת את הכדאיות הכלכלית של ייצור ביודיזל. יתרה מכך, השילוב של סוניקציה וניצול שמנים משומשים עשוי להוביל לתפוקות גבוהות יותר ולייצור ביודיזל יעיל יותר, ולתמוך במעבר העולמי למקורות אנרגיה מתחדשים.
מיצוי אולטרסוני של שמן ממשקעי קפה משומשים
מיצוי שמן ממשקעי קפה משומשים הוא שלב מכריע בתהליך ייצור הביודיזל. משקעי קפה משומשים מכילים כ־10–20% שמן לפי משקל, בהתאם לסוג פולי הקפה ולשיטת המיצוי. כדי למצות שמן זה ביעילות, נהוג להשתמש ב־N-hexane כממס, אך ניתן להשתמש גם באתר נפט, באתנול נטול מים, באתנול המכיל מים או במתנול.
- ייבוש משקעי הקפה המשומשים: לפני מיצוי השמן, יש לייבש היטב את משקעי הקפה המשומשים כדי להפחית את תכולת הלחות, העלולה לפגוע ביעילות הממס.
- מיצוי אולטרסוני באמצעות ממס: משקעי הקפה המשומשים המיובשים מעורבבים עם N-hexane בכור, שבו השמן מתמוסס בממס. סוניקציה באמצעות סונוטרודה מגדילה במידה ניכרת את תפוקת השמנים הממוצים. קראו עוד על מיצוי אולטרסוני של שמנים.
- הפרדה: לאחר מכן מסננים את התערובת כדי להפריד את משקעי הקפה המשומשים מתמיסת ה־N-hexane והשמן.
- השבת הממס: לבסוף, הממס מסולק באידוי או בזיקוק, ושמן הקפה שמוצה נותר מוכן להמרה לביודיזל.
מיצוי שמן וטרנסאסטריפיקציה לביודיזל בסיוע אולטרסאונד
משקעי קפה משומשים (SCG) עשירים ברכיבים בעלי ערך, ובהם 15–20% שמן, שהרכבו דומה לזה של שמנים צמחיים. שמן המופק מ-SCG מכיל חומצות שומן שונות, כגון חומצה לינולאית, חומצה אולאית, חומצה לינולנית וחומצות שומן רוויות. ביודיזל מפסולת קפה יכול לעמוד בתקן ASTM לביודיזל. אתר נפט, הקסאן, אתנול נטול מים, אתנול המכיל מים או מתנול הם ממסים מתאימים.
בעוד שמיצוי מסורתי בממס יעיל, מיצוי בסיוע אולטרסאונד משפר במידה רבה את יעילות הפקת השמן ממשקעי קפה משומשים. סוניקציה משתמשת בגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדירות נמוכה כדי ליצור קוויטציה – אזורים מקומיים של לחץ וטמפרטורה גבוהים – המשפרים את דיפוזיית הממס אל תוך משקעי הקפה המשומשים, מפרקים את דופנות התאים ומאפשרים שחרור רב יותר של שמן.
יתרה מכך, גם טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד ממלאת תפקיד מרכזי בהמרת שמן הקפה המופק לביודיזל. תהליך הטרנסאסטריפיקציה המקובל, הכולל תגובה של שמנים או שומנים עם אלכוהול בנוכחות זרז, עלול להיות ממושך ויעיל פחות כשמדובר בייצור המוני. סוניקציה מאיצה תהליך זה באמצעות שיפור האינטראקציה בין השמן, האלכוהול והזרז, וכך מובילה לזמני תגובה קצרים יותר ולתפוקות ביודיזל גבוהות יותר.
למידע נוסף על ייצור ביודיזל באמצעות אולטרסאונד מחומרי גלם זולים כגון שמני בישול משומשים, שומני טיגון משומשים ושמנים שאינם ראויים למאכל!
כור אולטרסוני UIP1000hdT לשיפור ההמרה לביודיזל של שמנים המופקים ממשקעי קפה משומשים. סוניקציה מקדמת את מיצוי שמן הקפה ואת הטרנסאסטריפיקציה של שמנים אלה לביודיזל.
המחקר ההשוואתי של Lifka ו-Ondruschka (2004) מדגים את היעילות האנרגטית העדיפה של ערבוב אולטרסוני לעומת בחישה מכנית. משום כך, ערבוב באמצעות מכשירי סוניקציה הוא השיטה המועדפת לייצור ביודיזל.
היתרונות של מכשירי הסוניקציה בעלי הסונוטרודה של Hielscher למיצוי שמן ולייצור ביודיזל
- יעילות משופרת במיצוי שמן: מכשירי הסוניקציה של Hielscher משפרים משמעותית את תפוקת השמן במהלך המיצוי. באמצעות פירוק המבנה התאי של משקעי הקפה המשומשים, מכשירים אולטרסוניים אלה מאפשרים שחרור מלא יותר של השמן אל הממס, תוך מזעור שאריות השמן הנותרות בביומסה.
- טרנסאסטריפיקציה מואצת: הקוויטציה האולטרסונית שמייצרים מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאיצה את תגובת הטרנסאסטריפיקציה באמצעות הגברת הערבוב של המגיבים. הדבר מקצר את זמן התגובה ומגדיל את תפוקות הביודיזל, וכך הופך את התהליך לחסכוני יותר בזמן ובעל כדאיות כלכלית גבוהה יותר.
- איכות ביודיזל משופרת: הקוויטציה האחידה שיוצרות הסונוטרודות האולטרסוניות של Hielscher מבטיחה המרה עקבית ומלאה של טריגליצרידים לביודיזל. הדבר מוביל לביודיזל באיכות גבוהה יותר, עם פחות זיהומים ותכונות דלק טובות יותר, לרבות נקודת עננות נמוכה יותר ויציבות חמצונית גבוהה יותר.
- יעילות אנרגטית: בניגוד לשיטות מכניות מסורתיות הדורשות זמני עיבוד ממושכים ותשומות אנרגיה גבוהות יותר, הטכנולוגיה האולטרסונית של Hielscher פועלת ברמות אנרגיה נמוכות יותר ומספקת תוצאות עדיפות. הדבר הופך את ייצור הביודיזל בסיוע אולטרסאונד לבר־קיימא יותר ולידידותי יותר לסביבה.
- יכולת הגדלת קנה המידה: Hielscher מספקת ציוד אולטרסוני שניתן להתאימו לכושר ייצור בהיקפים שונים, ממערכות מעבדה קטנות ועד למפעלי ייצור ביודיזל בקנה מידה תעשייתי. גמישות זו מאפשרת ליצרנים לייעל את התהליכים שלהם ולהשיג פריון מרבי.
ייצור ביודיזל באמצעות גואנידינים שונים (3% mol) כזרז. (A) כור מנתי עם בחישה מכנית: (מתנול:שמן קנולה) 4:1, טמפרטורה 65ºC; (B) כור מנתי אולטרסוני: UP200St, (מתנול:שמן קנולה) 4:1, משרעת אולטרסאונד 60%, טמפרטורה 35ºC. ערבוב באמצעות אולטרסאונד עולה בהרבה על בחישה מכנית.
(מחקר וגרפים: Shinde ו-Kaliaguine, 2019)
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר
- אמינות ועמידות
- בקרת תהליך מדויקת הניתנת לכוונון
- עיבוד באצוות ובקו
- לכל נפח
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, אפשרות לתכנות, רישום נתונים, שליטה מרחוק)
- הפעלה קלה ובטוחה
- תחזוקה מועטה
- CIP (ניקוי במקום)
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות והפעלה קלה מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.
Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.
קבלו פרטים טכניים והצעת מחיר לכור ביו-דיזל של Hielscher!
ייצור ביו-דיזל משמן המופק משאריות קפה משומשות מהווה פתרון בר-קיימא וחדשני הן לניהול פסולת והן לייצור אנרגיה מתחדשת. השילוב של מיצוי שמן באמצעות N-hexane, עיבוד בסיוע אולטרסאונד ותהליך טרנסאסטריפיקציה דו-שלבי בקטליזה חומצית ובסיסית ממקסם את השבת השמן ומשפר את תפוקת הביו-דיזל.
מכשירי הסוניקציה מסוג גשוש של Hielscher ממלאים תפקיד מכריע במיטוב מיצוי השמן והטרנסאסטריפיקציה לייצור ביו-דיזל. הטכנולוגיה העדיפה שלהם מבטיחה יעילות גבוהה יותר, עיבוד מהיר יותר ואיכות משופרת, והופכת אותם לבחירה מצוינת עבור יצרני ביו-דיזל השואפים לקיימות ולכדאיות כלכלית בפעילותם.
בעידן שבו הביקוש לאנרגיה מתחדשת הולך וגובר, ניצול חומרי פסולת כגון שאריות קפה משומשות לא רק תורם לשמירה על הסביבה, אלא גם תומך בכלכלה המעגלית באמצעות המרת פסולת למשאבי אנרגיה בעלי ערך.
הטבלה שלהלן נותנת מושג לגבי כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 0.5 עד 1.5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | מקבץ של UIP16000 |
סוניקציה משמשת למיצוי שמנים משאריות קפה משומשות.
שאלות נפוצות
מהו שמן קפה?
שמן קפה הוא מיצוי עשיר בליפידים המופק מפולי קפה או משאריות קפה משומשות, ומכיל תערובת של טריגליצרידים, חומצות שומן חופשיות ותרכובות פעילות ביולוגית נוספות. הוא מורכב בעיקר מחומצות שומן בלתי רוויות כגון חומצה לינולאית וחומצה אולאית, לצד כמויות קטנות יותר של חומצות שומן רוויות כגון חומצה פלמיטית. שמן קפה מוערך בזכות הפוטנציאל שלו בייצור ביו-דיזל ובתעשיות הקוסמטיקה והמזון, בשל תכולת חומצות השומן הגבוהה שלו ותכונותיו נוגדות החמצון. תהליך המיצוי כולל בדרך כלל כבישה מכנית או מיצוי בממס, כאשר שאריות קפה משומשות הן מקור זמין בשפע ובר-קיימא. מיצוי אולטרסוני מניב תפוקות מצוינות של שמני קפה.
למה משמש שמן קפה?
שמן קפה משמש בתעשיות שונות, ובהן קוסמטיקה, תרופות וייצור ביו-דיזל. בקוסמטיקה הוא מוערך בזכות תכונותיו המעניקות לחות ונוגדות החמצון, שהופכות אותו למרכיב נפוץ במוצרי טיפוח לעור ולשיער. בתחום התרופות נחקרות תכונותיו נוגדות הדלקת והפעילות שלו נגד מיקרואורגניזמים. נוסף על כך, בשל תכולת הליפידים הגבוהה שלו, שמן קפה הוא חומר גלם מבטיח לייצור ביו-דיזל, המציע חלופה בת-קיימא לדלקים קונבנציונליים באמצעות ניצול חומרי פסולת כגון שאריות קפה משומשות.
האם שמן קפה הוא בר-קיימא?
כן, שמן קפה יכול להיחשב בר־קיימא, במיוחד כשהוא מופק ממשקעי קפה משומשים, שהם פסולת נפוצה בתעשיית הקפה. השימוש במשקעי קפה משומשים למיצוי שמן מקדם הפקת ערך מפסולת באמצעות הפיכת תוצר לוואי המצוי בשפע ואינו מנוצל דיו למשאב בעל ערך, תוך צמצום ההשפעה הסביבתית והתלות בשמנים צמחיים ממקור ראשוני. תהליך זה תורם לכלכלה מעגלית באמצעות מזעור הפסולת ואספקת חומר גלם חלופי לתעשיות כגון ייצור ביודיזל וקוסמטיקה. נוסף על כך, ניצול פסולת קפה טחון מסייע להפחית את טביעת הרגל הפחמנית הקשורה לשיטות מסורתיות לייצור שמן, ובכך מחזק עוד יותר את היבטי הקיימות שלו.
האם ניתן להגדיל את קנה המידה של מיצוי אולטרסוני של שמן קפה?
ניתן להגדיל את קנה המידה של מיצוי אולטרסוני של שמן קפה, במיוחד באמצעות כורים אולטרסוניים מתקדמים הפועלים בזרימה רציפה, כגון אלה שתוכננו בידי Hielscher Ultrasonics. כורים אלה מתוכננים לעיבוד רציף בקנה מידה תעשייתי, תוך התגברות על רבים מהאתגרים הכרוכים בהגדלת קנה המידה של סוניקציה. באמצעות מתן אפשרות לזרימה רציפה של חומרים דרך הכור, הם מבטיחים קוויטציה אחידה והעברת אנרגיה יעילה, המשפרות את תפוקת השמן ואת יעילות המיצוי. התכנון המבוסס על זרימה רציפה מאפשר שליטה טובה יותר בפרמטרים של העיבוד, כגון טמפרטורה ותשומת אנרגיה, ולכן הוא יעיל יותר מבחינה אנרגטית ומשתלם יותר מסוניקציה מסורתית במנות. בזכות חידושים טכנולוגיים אלה, ניתן להגדיל את קנה המידה של מיצוי אולטרסוני של שמן קפה לרמה תעשייתית, תוך שמירה על היתרונות של זמני עיבוד קצרים יותר, תפוקות גבוהות יותר וצריכת אנרגיה מופחתת, וכך להפוך אותו לאפשרות ישימה ובת־קיימא ליישומים בקנה מידה גדול.
כיצד סוניקציה משפרת את ייצור הביודיזל?
סוניקציה משפרת את ייצור הביודיזל באמצעות שיפור תהליך הטרנסאסטריפיקציה בעזרת גלים אולטרסוניים בתדירות גבוהה. גלים אלה יוצרים קוויטציה, היוצרת תנאים מקומיים של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, המפרקים את מולקולות השמן ביעילות רבה יותר ומשפרים את ערבוב המגיבים. כך גדל שטח המגע בין השמן לאלכוהול, והתוצאה היא קצבי תגובה מהירים יותר, זמני תגובה קצרים יותר ותפוקות ביודיזל גבוהות יותר. נוסף על כך, סוניקציה יכולה להפחית את הצורך בכמויות עודפות של זרזים ולהפחית את צריכת האנרגיה באמצעות מתן אפשרות לתגובות להתרחש בטמפרטורות נמוכות יותר. בסך הכול, היא משפרת את היעילות, מפחיתה עלויות ותומכת בייצור ביודיזל בר־קיימא יותר.
האם ניתן להגדיל את קנה המידה של ייצור ביודיזל אולטרסוני?
כן, ניתן להגדיל את קנה המידה של סוניקציה, אך הדבר דורש תנאים מוקדמים מסוימים. בעוד שסוניקציה יעילה מאוד לייצור ביודיזל במצב עבודה במנות ברמת המעבדה ובקנה מידה קטן, לצורך הגדלת קנה המידה לרמה תעשייתית מומלץ להשתמש בכורים אולטרסוניים המשולבים בקו הייצור. הכורים האולטרסוניים של Hielscher הפועלים בזרימה רציפה משיגים קוויטציה אחידה וערבוב ברחבי כורים גדולים עלול להיות קשה, דבר המוביל לתפוקות ביודיזל עקביות, לשיפור ביעילות התגובה ולקיצור זמן העיבוד. תכנון מתקדם של כורים אולטרסוניים ויעילות אנרגטית חיוניים להפיכת הסוניקציה לישימה ומשתלמת יותר בקנה מידה תעשייתי.
ספרות / מקורות
- Caballero Galván, Ashley; Restrepo, Daissy;Ortiz-Sánchez, Mariana; Cardona, Carlos Ariel (2018): Analysis of Extraction Kinetics of Bioactive Compounds from Spent Coffee Grounds (Coffea arábica). Waste and Biomass Valorization 9, 2018.
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrasonics Sonochemistry 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
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.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, החל מקנה מידה מעבדתי ועד לקנה מידה תעשייתי.