ביודיזל באמצעות אסטריפיקציה משופרת באולטרסאונד (טרנס)
ביודיזל מסונתז באמצעות טרנסאסטריפיקציה באמצעות זרז בסיס. עם זאת, אם נעשה שימוש בחומר גלם כגון ירקות פסולת ברמה נמוכה עם תכולת חומצות שומן חופשיות גבוהה, נדרש שלב כימי לפני הטיפול באסטריפיקציה באמצעות קטליסט חומצה. אולטרה-סוניקציה והשפעותיה הסונוכימיות והסונומכניות תורמות לשני סוגי התגובה ומגבירות את יעילות המרת הביו-דיזל באופן דרמטי. ייצור ביו-דיזל על-קולי מהיר משמעותית מייצור הביו-דיזל הקונבנציונלי, מביא לתפוקה ואיכות גבוהות יותר של ביו-דיזל וחוסך ריאגנטים כגון מתנול וזרז.
המרת ביודיזל באמצעות אולטרסאונד כוח
עבור ביודיזל, אסטרים של חומצות שומן מיוצרים על ידי טרנסאסטריפיקציה של שמנים צמחיים, כמו גם של שומנים מן החי (למשל, tallow). במהלך תגובת הטרנסאסטריפיקציה, מרכיב הגליצרול מוחלף באלכוהול אחר, כגון מתנול. חומרי הזנה עם תכולה גבוהה של חומצות שומן חופשיות, למשל פסולת שמנים צמחיים (WVO), דורשים טיפול מקדים באסטריפיקציה של חומצה על מנת למנוע היווצרות סבון. תהליך זה של קטליזה חומצית הוא תגובה איטית מאוד, כאשר הוא מבוצע כשיטת אצווה קונבנציונלית. הפתרון להאצת תהליך האסטריפיקציה האיטית הוא יישום אולטרסאונד כוח. סוניקציה משיגה שיפור משמעותי במהירות התגובה, בהמרה ובתפוקת הביו-דיזל כאשר ההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד בהספק גבוה מקדמות ומעצימות את הקטליזה החומצית. קוויטציה קולית מספקת כוחות סונומכניים, כלומר ערבוב גזירה גבוהה, כמו גם אנרגיה סונוכימית. שני סוגים אלה של השפעה קולית (סונומכנית וסונוכימית) הופכים את האסטריפיקציה המזורזת על ידי חומצה לתגובה מהירה הדורשת פחות זרז.

ערבוב קולי משפר את יחס ההמרה של ביודיזל, מגדיל את התשואה וחוסך עודף מתנול וזרז. התמונה מציגה את ההתקנה של 3x UIP1000hdT (כל הספק אולטרסאונד של 1kW) לעיבוד מוטבע.
כיצד פועלת המרת ביודיזל אולטראסונית?
אולטרה-סוניקציה בין שלבים שונים בטרנסאסטריפיקציה (המכונה לעתים גם אלכוהוליזה) ואסטריפיקציה מבוססת על שיפור הערבוב, כמו גם על חום מוגבר והעברת מסה. ערבוב קולי מבוסס על העיקרון של cavitation אקוסטי, אשר מתרחשת כתוצאה של בועות ואקום מתפוצץ בנוזל. קוויטציה אקוסטית מאופיינת בכוחות גזירה גבוהים ומערבולות, כמו גם הפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים מאוד. כוחות אלה מקדמים את התגובה הכימית של טרנסאסטריפיקציה / אסטריפיקציה ומעצימים את העברת המסה והחום, ובכך משפרים את התגובה של המרת ביודיזל באופן משמעותי.

טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים לביודיזל (FAME) באמצעות סוניקציה גורמת לתגובה מואצת וליעילות גבוהה משמעותית.
היישום של אולטרסאונד במהלך המרת ביודיזל הוכח מדעית ותעשייתית כדי לשפר את יעילות התהליך. את השיפור ביעילות התהליך ניתן לייחס להפחתת צריכת האנרגיה ועלויות התפעול, ולהפחתת השימוש באלכוהול (כלומר מתנול), פחות זרז וקיצור משמעותי של זמן התגובה. עלות האנרגיה לחימום מתבטלת מכיוון שאין דרישה לחימום חיצוני. בנוסף, הפרדת פאזה בין ביודיזל לגליצרול פשוטה יותר עם זמן הפרדת פאזות קצר יותר. גורם חשוב לשימוש מסחרי של אולטרסאונד בייצור ביודיזל הוא קנה מידה פשוט לכל נפח, פעולה אמינה ובטוחה, כמו גם את החוסן והאמינות של ציוד קולי (תקן תעשייתי, מסוגל לרוץ ברציפות 24/7/365 תחת עומס מלא).

ניתן להפעיל אסטריפיקציה קולית וטרנסאסטריפיקציה כאצווה או כתהליך מוטבע רציף. התרשים מציג את התהליך המוטבע העל-קולי עבור טרנסאסטרפיקציה של ביו-דיזל (FAME).

ניתן להפעיל אסטריפיקציה קולית וטרנסאסטריפיקציה כאצווה או כתהליך מוטבע רציף. תרשים זה מציג את תהליך האצווה העל-קולי להמרת ביו-דיזל.
המרה דו-שלבית של ביו-דיזל בסיוע אולטרה-סאונד תוך יישום שלבי תגובה מזורזים על ידי חומצה ובסיס
עבור חומרי הזנה עם תכולת FFA גבוהה, ייצור הביודיזל מתבצע כתגובה חומצית או זרז בסיס בתהליך דו-שלבי. אולטרסאונד תורם שני סוגים של תגובות, האסטריפיקציה המזורזת על ידי חומצה וכן הטרנסאסטריפיקציה המזורזת על ידי הבסיס:
אסטריפיקציה מזורזת חומצה באמצעות אולטרסאונד
כדי לטפל עודף של חומצות שומן חופשיות בחומרי הזנה, יש צורך בתהליך האסטריפיקציה. חומצה גופרתית משמשת בדרך כלל כזרז חומצה.
- הכינו חומרי הזנה על ידי סינון וזיקוק ממזהמים ומים.
- להמיס את הזרז, כלומר חומצה גופרתית, מתנול. יש להזין את זרם הזרז / מתנול ואת חומרי ההזנה באמצעות מחליף חום ומערבל סטטי לקבלת ערבוב מקדים גולמי.
- הערבוב מראש של זרז וחומרי הזנה נכנס ישירות לתא התגובה העל-קולי, שם הערבוב האולטרה-דק והסונוכימיה נכנסים לתוקף וחומצות השומן החופשיות מומרים לביודיזל.
- לבסוף, הורידו את המים מהמוצר והאכילו אותו לשלב השני – הטרנסאסטריפיקציה העל-קולית. המתנול הרטוב החומצי הוא לאחר התאוששות, ייבוש ונטרול מוכן לשימוש חוזר.
- עבור חומרי הזנה המכילים FFA גבוה מאוד, ייתכן שנדרשת הגדרת מחזור מחדש כדי להוריד את ה- FFA לרמה סבירה לפני שלב הטרנסאסטריפיקציה.
תגובת אסטריפיקציה באמצעות זרז חומצה:
FFA + אלכוהול → אסתר + מים
Transesterification בסיס מזורז באמצעות אולטרסאונד
חומרי ההזנה, שכעת מכילים רק כמויות קטנות של FFAs, יכולים להיות מוזנים ישירות לשלב הטרנסאסטריפיקציה. לרוב נתרן הידרוקסידי או אשלגן הידרוקסידי (NaOH, KOH) משמש כזרז בסיס.
- ממיסים את הזרז, כלומר אשלגן הידרוקסיד, במתנול ומזינים את זרמי הזרז / מתנול וחומרי הזנה מטופלים מראש באמצעות מיקסר סטטי לקבלת תערובת מוקדמת גולמית.
- הזן את התערובת מראש ישירות לתוך תא התגובה העל-קולי עבור ערבוב גזירה גבוהה cavitational ואת הטיפול הסונוכימי. תוצרי תגובה זו הם אסטרי אלקיל (כלומר ביודיזל) וגליצרין. ניתן להפריד את הגליצרין על ידי שיקוע או על ידי צנטריפוגה.
- הביודיזל המיוצר באולטרסאונד הוא באיכות גבוהה ומיוצר במהירות, חסכוני באנרגיה וחסכוני על ידי חיסכון מתנול וזרז.
תגובת טרנסאסטריפיקציה באמצעות זרז בסיס:
שמן / שומן + אלכוהול → ביודיזל + גליצרול
שימוש במתנול & שחזור מתנול
מתנול הוא מרכיב מרכזי במהלך ייצור ביודיזל. המרת ביו-דיזל באמצעות אולטרה-סאונד מאפשרת שימוש מופחת משמעותית במתנול. אם אתה חושב עכשיו "לא אכפת לי מהשימוש שלי במתנול, מכיוון שאני מחזיר אותו בכל מקרה", אתה יכול לחשוב מחדש ולשקול את עלות האנרגיה הגבוהה המופקעת החלים על שלב האידוי (למשל באמצעות עמוד זיקוק), הדרוש כדי להפריד ולמחזר את המתנול.
מתנול מוסר בדרך כלל לאחר שהביודיזל והגליצרין הופרדו לשתי שכבות, מה שמונע היפוך תגובה. לאחר מכן מנקים את המתנול וממחזרים אותו בחזרה לתחילת התהליך. ייצור ביודיזל באמצעות אסטריפיקציה וטרנסאסטריפיקציה מונעות אולטרסאונד, אתה יכול להפחית את השימוש במתנול שלך באופן דרמטי, ובכך להפחית את ההוצאה האנרגטית הגבוהה המופקעת להתאוששות מתנול. השימוש בכורים קוליים Hielscher מפחית את כמות עודף מתנול הנדרש על ידי עד 50%. יחס מולארי בין 1:4 או 1:4.5 (שמן : מתנול) מספיק עבור רוב חומרי הזנה, בעת שימוש ערבוב קולי Hielscher.

אסטריפיקציה קולית היא שלב טרום טיפול, אשר הפחית חומרי הזנה ברמה נמוכה גבוהה FFAs לתוך אסטרים. בשלב השני של טרנסאסטריפיקציה קולית, הטריגליצרידים מומרים לביודיזל (FAME).
יעילות המרת ביודיזל מוגברת באולטרסאונד – מוכח מדעית
קבוצות חוקרים רבות חקרו את המנגנון וההשפעות של טרנסאסטריפיקציה קולית של ביודיזל. לדוגמה, צוות המחקר של Sebayan Darwin הראה כי קוויטציה קולית הגבירה את הפעילות הכימית ואת קצב התגובה וכתוצאה מכך היווצרות אסטר מוגברת באופן משמעותי. הטכניקה קולית הפחיתה את זמן התגובה transesterification ל 5 דקות – לעומת שעתיים לעיבוד ערבוב מכני. המרה של טריגליצרידים (TG) ל-FAME תחת אולטרסוניקציה השיגה 95.6929%wt עם יחס מתנול לשמן מולארי של 6:1 ונתרן הידרוקסידי 1%wt כזרז. (ראה: Darwin et al. 2010)
אולטרסאונד בגודל בינוני וגדול לעיבוד ביודיזל
Hielscher Ultrasonics’ מספקת מעבדים אולטראסוניים תעשייתיים קטנים עד בינוניים בקנה מידה גדול לייצור יעיל של ביודיזל בכל נפח. מציע מערכת קולית בכל קנה מידה, Hielscher יכול להציע את הפתרון האידיאלי עבור שני יצרנים קטנים וחברות גדולות. המרת ביודיזל קולית יכולה להיות מופעלת כאצווה או כתהליך מוטבע רציף. ההתקנה והתפעול פשוטים, בטוחים ומעניקים תפוקות גבוהות ואמינות באיכות ביודיזל מעולה.
להלן תמצאו תצורות כורים מומלצות למגוון קצבי ייצור.
טון/שעה
|
גל/שעה
|
|
---|---|---|
1x UIP500hdT |
00.25 עד 0.5
|
80 עד 160
|
1x UIP1000hdT |
00.5 עד 1.0
|
160 אל 320
|
1x UIP1500hdT |
00.75 עד 1.5
|
240 אל 480
|
פי 2 UIP1000hdT |
1.0 עד 2.0
|
320 אל 640
|
פי 2 UIP1500hdT |
1.5 עד 3.0
|
480 עד 960
|
פי 4 UIP1500hdT |
3.0 עד 6.0
|
960 עד 1920
|
פי 6 UIP1500hdT |
4.5 עד 9.0
|
1440 עד 2880
|
צרו קשר! / שאל אותנו!
ספרות / מקורות
- 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. Ultrason Sonochem. 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.
עובדות שכדאי לדעת
ייצור ביודיזל
ביודיזל מיוצר כאשר טריגיצרידים מומרים למתיל אסטר שומני חופשי (FAME) באמצעות תגובה כימית הידועה בשם טרנסאסטריפיקציה. במהלך התגובה של טרנסאסטריפיקציה, טריגילקרידים בשמנים צמחיים או שומנים מן החי מגיבים בנוכחות זרז (למשל, אשלגן הידרוקסידי או נתרן הידרוקסידי) עם אלכוהול ראשוני (למשל, מתנול). בתגובה זו, אסטרים אלקיל נוצרים מן ההזנה של שמן צמחי או שומן מן החי. טריגליצרידים הם גליצרידים, שבהם הגליצרול הוא esterfied עם חומצות שרשרת ארוכה, המכונה חומצות שומן. חומצות שומן אלה נמצאות בשפע בשמן צמחי ושומנים מן החי. מכיוון שניתן לייצר ביודיזל מחומרי הזנה שונים כגון שמנים צמחיים כתית, שמנים צמחיים פסולת, שמני טיגון משומשים, שומנים מן החי כגון שומן ושומן, כמות חומצות השומן החופשיות (FFAs) יכולה להשתנות במידה רבה. אחוז חומצות השומן החופשיות של הטריגליצרידים הוא גורם מכריע המשפיע באופן דרסטי על תהליך ייצור הביודיזל ועל איכות הביודיזל המתקבלת. כמות גבוהה של חומצות שומן חופשיות עלולה להפריע לתהליך ההמרה ולדרדר את איכות הביודיזל הסופית. הבעיה העיקרית היא שחומצות שומן חופשיות (FFAs) מגיבות עם זרזים אלקליים וכתוצאה מכך נוצרת סבון. היווצרות סבון גורמת לאחר מכן לבעיות בהפרדת גליצרול. לכן, חומרי הזנה המכילים כמויות גבוהות של FFAs דורשים בעיקר טיפול מקדים (מה שנקרא תגובת אסטריפיקציה), שבמהלכו FFAs הופכים לאסטרים. Ultrasonication מקדם את שתי התגובות, transesterification ו esterification.
תגובה כימית של אסטריפיקציה
אסטריפיקציה היא תהליך של שילוב חומצה אורגנית (RCOOH) עם אלכוהול (ROH) ליצירת אסטר (RCOOR) ומים.
שימוש במתנול באסטריפיקציה חומצית
כאשר משתמשים באסטריפיקציה חומצית כדי להפחית FFAs בחומרי הזנה, דרישות האנרגיה המיידיות נמוכות יחסית. עם זאת, מים נוצרים במהלך תגובת האסטריפיקציה – יצירת מתנול רטוב וחומצי, אותו יש לנטרל, לייבש ולהתאושש. תהליך התאוששות מתנול זה הוא יקר.
אם חומרי הזנה מתחילים כוללים 20 עד 40 אחוזים או אפילו אחוזים גבוהים יותר של FFAs, ייתכן שיהיה צורך בצעדים מרובים על מנת להוריד אותם לרמות מקובלות. כלומר, נוצר מתנול חומצי ורטוב עוד יותר. לאחר נטרול המתנול החומצי, הייבוש דורש זיקוק רב שלבי עם שיעורי ריפלוקס משמעותיים, וכתוצאה מכך צריכת אנרגיה גבוהה מאוד.
אילו שמנים משמשים לייצור ביודיזל?
שמנים המשמשים לייצור ביודיזל כוללים שמנים צמחיים, כגון סויה, לפתית (קנולה), חמניות, שמן דקלים ושמן מקפה טחון משומש, כמו גם שומנים מן החי כמו טלו ושומן. שמני פסולת, כולל שמן בישול משומש ושמנים המופקים מקפה טחון משומש, משמשים גם הם בדרך כלל. שמנים אלה, המורכבים בעיקר מטריגליצרידים, עוברים טרנסאסטריפיקציה עם אלכוהול כדי לייצר אסטרי מתיל של חומצות שומן (FAME), התרכובות הכימיות היוצרות ביודיזל. סוניקציה משפרת את המרת הביו-דיזל של שמני פסולת על ידי שיפור תהליך הטרנסאסטריפיקציה באמצעות יישום גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. בשמני פסולת, אשר לעתים קרובות יש זיהומים ותכולת חומצות שומן חופשיות גבוהה יותר, סוניקציה מסייעת לפרק זיהומים אלה ומשפרת את ערבוב המגיבים. התוצאה היא קצבי תגובה מהירים יותר, זמני תגובה קצרים יותר ותפוקות ביו-דיזל גבוהות יותר, אפילו עם חומרי הזנה באיכות נמוכה יותר. סוניקציה מאפשרת גם שימוש מופחת בזרז וצריכת אנרגיה נמוכה יותר, מה שהופך את ההמרה של שמני פסולת לביודיזל ליעילה וחסכונית יותר.
קרא עוד כיצד סוניקציה מגבירה את מיצוי השמנים מטחנת קפה משומש ואת הטרנסאסטריפיקציה של שמנים אלה לביודיזל!

Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.