Proizvodnja biodizela uz vrhunsku procesnu i troškovnu učinkovitost

Ultrazvučno miješanje vrhunska je tehnologija za vrlo učinkovitu i troškovno isplativu proizvodnju biodizela. Ultrazvučna kavitacija drastično poboljšava prijenos tvari, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i trajanje obrade. Istodobno se mogu upotrebljavati ulja i masti loše kvalitete (npr. otpadna ulja), a kvaliteta biodizela se poboljšava. Hielscher Ultrasonics isporučuje robusne ultrazvučne reaktore za miješanje visokih performansi za sve razmjere proizvodnje. Pročitajte više o tome kako će sonikacija koristiti vašoj proizvodnji biodizela!

Prednosti primjene ultrazvuka u proizvodnji biodizela

Biodizel (metilni ester masnih kiselina, skraćeno FAME) proizvod je reakcije transesterifikacije lipidne sirovine (triglicerida, npr. biljnog ulja, iskorištenih ulja za kuhanje, životinjskih masti, ulja algi) i alkohola (metanola, etanola) uz uporabu katalizatora (npr. kalijeva hidroksida KOH).
Problem: Pri konvencionalnoj konverziji u biodizel uz konvencionalno miješanje, međusobna nemješljivost obaju reaktanata u reakciji transesterifikacije ulja i alkohola dovodi do male brzine prijenosa tvari, što rezultira neučinkovitom proizvodnjom biodizela. Tu neučinkovitost obilježavaju duga vremena reakcije, veći molarni omjeri metanola i ulja, velike potrebe za katalizatorom, visoke procesne temperature i velike brzine miješanja. Ti čimbenici znatno povećavaju troškove, zbog čega je konvencionalna proizvodnja biodizela skup proces.
Rješenje: Ultrazvučno miješanje emulgira reaktante na vrlo učinkovit, brz i jeftin način, tako da se omjer ulja i metanola može poboljšati, potrebe za katalizatorom smanjuju, a vrijeme reakcije skraćuje i temperatura reakcije snižava. Time se štede resursi (tj. kemikalije i energija) te vrijeme, smanjuju se troškovi obrade, a kvaliteta biodizela i isplativost proizvodnje znatno se poboljšavaju. Zbog tih je činjenica ultrazvučno miješanje preferirana tehnologija za učinkovitu proizvodnju biodizela.
Istraživanja i industrijski proizvođači biodizela potvrđuju da je ultrazvučno miješanje vrlo troškovno isplativ način proizvodnje biodizela, čak i kada se kao sirovina upotrebljavaju ulja i masti loše kvalitete. Intenzifikacija procesa ultrazvukom znatno poboljšava stupanj konverzije i smanjuje uporabu viška metanola i katalizatora, što omogućuje proizvodnju biodizela koji zadovoljava zahtjeve kvalitete specifikacija ASTM D6751 i EN 14212. (usp. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) primjenom sonikacije rezultira ubrzanom reakcijom i znatno većom učinkovitošću.

Brojne prednosti ultrazvučnog miješanja u proizvodnji biodizela

Ultrazvučni reaktori za miješanje mogu se lako integrirati u svaku novu instalaciju, kao i naknadno ugraditi u postojeća postrojenja za proizvodnju biodizela. Integracija ultrazvučne miješalice Hielscher pretvara svaki pogon za biodizel u proizvodno postrojenje visokih performansi. Jednostavna ugradnja, robusnost i jednostavnost uporabe (nije potrebna posebna obuka za rukovanje) omogućuju nadogradnju svakog pogona u vrlo učinkovito postrojenje za proizvodnju biodizela. U nastavku predstavljamo znanstveno dokazane rezultate o prednostima koje su dokumentirale neovisne treće strane. Brojke dokazuju nadmoć ultrazvučnog miješanja u proizvodnji biodizela nad svakom konvencionalnom tehnikom miješanja.

Dijagram toka prikazuje korake proizvodnje biodizela, uključujući ultrazvučno miješanje za poboljšanu procesnu učinkovitost.

Usporedba učinkovitosti i troškova: ultrazvuk i mehaničko miješanje

Gholami et al. (2021) u svojoj usporednoj studiji predstavljaju prednosti ultrazvučne transesterifikacije u odnosu na mehaničko miješanje (tj. miješanje lopatičnom miješalicom, impelerom i miješalicom s visokim smicanjem).

Niski investicijski troškovi:
Ultrazvučni procesor i reaktor UIP16000 može proizvesti 192–384 t biodizela/d uz tlocrtne dimenzije od samo 1,2m x 0,6m. Za usporedbu, za mehaničko miješanje (MS) potreban je mnogo veći reaktor zbog dugog vremena reakcije u postupku mehaničkog miješanja, što uzrokuje znatno povećanje troškova reaktora. (usp. Gholami et al., 2020)
Niski troškovi obrade:
Troškovi obrade pri ultrazvučnoj proizvodnji biodizela niži su za 7,7% od troškova postupka miješanja, uglavnom zbog nižeg ukupnog ulaganja u postupak sonikacije. Troškovi kemikalija (katalizator, metanol/alkohol) treća su najveća troškovna stavka u oba postupka, sonikaciji i mehaničkom miješanju. Međutim, troškovi kemikalija za ultrazvučnu pretvorbu u biodizel znatno su niži nego za mehaničko miješanje. Udio troškova kemikalija čini približno 5% konačnog troška biodizela. Zbog manje potrošnje metanola, natrijeva hidroksida i fosforne kiseline, troškovi kemikalija u ultrazvučnom postupku proizvodnje biodizela niži su za 2,2% nego u postupku mehaničkog miješanja.

Smanjeni troškovi energije:
Potrošnja energije ultrazvučnog reaktora za miješanje približno je tri puta manja od potrošnje mehaničke miješalice. To znatno smanjenje potrošnje energije rezultat je intenzivnog mikromiješanja i skraćenog vremena reakcije, koji proizlaze iz nastanka i kolapsa bezbrojnih šupljina, što obilježava pojavu akustične / ultrazvučne kavitacije (Gholami et al., 2018). Osim toga, u usporedbi s konvencionalnom miješalicom, potrošnja energije u fazi povrata metanola tijekom postupka ultrazvučnog miješanja smanjena je za 26,5%, a u fazi pročišćavanja biodizela za 1,3%. To smanjenje posljedica je manjih količina metanola koje ulaze u te dvije destilacijske kolone u postupku ultrazvučne transesterifikacije.

Znatno smanjeni troškovi zbrinjavanja otpada:
Tehnologija ultrazvučne kavitacije također znatno smanjuje troškove zbrinjavanja otpada. Ti troškovi u postupku sonikacije iznose otprilike petinu troškova u postupku miješanja, što proizlazi iz znatnog smanjenja nastanka otpada zahvaljujući većem stupnju pretvorbe u reaktoru i manjim količinama utrošenog alkohola.
Pročitajte više o ultrazvučnoj pretvorbi ulja iz iskorištenog taloga kave u biodizel!

Veća prihvatljivost za okoliš:
Zbog vrlo visoke ukupne učinkovitosti, smanjene potrošnje kemikalija, manjih potreba za energijom i smanjene količine otpada, ultrazvučna proizvodnja biodizela znatno je prihvatljivija za okoliš od konvencionalnih postupaka proizvodnje biodizela.

Zaključak – Ultrazvuk poboljšava učinkovitost proizvodnje biodizela

Znanstvena procjena pokazuje jasne prednosti ultrazvučnog miješanja u odnosu na konvencionalno mehaničko miješanje u proizvodnji biodizela. Prednosti ultrazvučne obrade biodizela obuhvaćaju ukupna kapitalna ulaganja, ukupne troškove proizvoda, neto sadašnju vrijednost i internu stopu povrata. Utvrđeno je da su ukupna ulaganja u proces ultrazvučne kavitacije približno 20,8% niža nego u drugi uspoređeni proces. Upotrebom ultrazvučnih reaktora troškovi proizvoda smanjeni su za 5,2% – uz upotrebu djevičanskog ulja uljane repice. Budući da sonikacija omogućuje obradu i iskorištenih ulja (npr. rabljenih jestivih ulja), troškovi proizvodnje mogu se dodatno znatno smanjiti. Gholami et al. (2021) zaključuju da je zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti proces ultrazvučne kavitacije bolji izbor tehnologije miješanja za proizvodnju biodizela.
S tehničkog gledišta, najvažniji učinci ultrazvučne kavitacije obuhvaćaju znatnu učinkovitost procesa i skraćenje vremena reakcije. Nastajanje i kolaps brojnih vakuumskih mjehurića – poznati kao akustična / ultrazvučna kavitacija – skraćuju vrijeme reakcije s nekoliko sati u spremničkom reaktoru s miješanjem na nekoliko sekundi u reaktoru s ultrazvučnom kavitacijom. To kratko vrijeme zadržavanja omogućuje proizvodnju biodizela u protočnom reaktoru koji zauzima malu površinu. Reaktor s ultrazvučnom kavitacijom također povoljno utječe na potrebe za energijom i materijalima, smanjujući potrošnju energije na gotovo jednu trećinu potrošnje spremničkog reaktora s miješanjem, a potrošnju metanola i katalizatora za 25%.
S ekonomskog gledišta, ukupna ulaganja u proces ultrazvučne kavitacije niža su nego u proces mehaničkog miješanja, uglavnom zbog smanjenja troškova reaktora za gotovo 50% i troškova kolone za destilaciju metanola za 11,6%. Proces ultrazvučne kavitacije također smanjuje troškove proizvodnje biodizela zahvaljujući smanjenju potrošnje ulja uljane repice za 4%, nižim ukupnim ulaganjima, 2,2% manjoj potrošnji kemikalija i 23,8% manjim potrebama za energentima i pomoćnim medijima. Za razliku od procesa s mehaničkim miješanjem, ultrazvučna obrada prihvatljivo je ulaganje zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti, kraćeg vremena povrata ulaganja i više interne stope povrata. Osim tehničko-ekonomskih prednosti povezanih s procesom ultrazvučne kavitacije, taj je proces prihvatljiviji za okoliš od procesa mehaničkog miješanja. Ultrazvučna kavitacija rezultira smanjenjem otpadnih tokova za 80% zbog veće konverzije u reaktoru i smanjene potrošnje alkohola u tom procesu. (usp. Gholami et al., 2021)

Pretvorite nekvalitetnu sirovinu u besprijekoran biodizel!

Sonikacija omogućuje učinkovitiju obradu nekvalitetnih sirovina kao što su otpadna biljna ulja, rabljene masti za prženje, loj ili riblja ulja jer ultrazvučna kavitacija prisilno ostvaruje mnogo bolji kontakt između uljne i alkoholne faze koje se međusobno ne miješaju, znatno poboljšavajući miješanje te prijenos topline i mase. Također ubrzava kinetiku reakcije pa se čak i zahtjevne sirovine promjenjivog sastava mogu pretvoriti brže i potpunije.
Akustična kavitacija intenzivira reakcijsko okruženje i može potaknuti nastajanje vrlo reaktivnih radikala, što dodatno podupire brzu transesterifikaciju i pomaže prevladati uobičajene nedostatke pri obradi sirovina niske kvalitete.
Pročitajte kako sonikacija pretvara otpadna ulja i masti u biodizel!

Upotrijebite katalizator po svojem izboru

Proces ultrazvučne transesterifikacije za proizvodnju biodizela pokazao se učinkovitim uz upotrebu alkalnih ili baznih katalizatora. Primjerice, Shinde i Kaliaguine (2019) usporedili su učinkovitost ultrazvučnog miješanja i mehaničkog miješanja lopaticama uz upotrebu različitih katalizatora, odnosno natrijeva hidroksida (NaOH), kalijeva hidroksida (KOH), (CH₃ONa), tetrametilamonijeva hidroksida i četiriju gvanidina (propil-2,3-dicikloheksil gvanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 2 n-oktil gvanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil gvanidin (TMG), 1,3-difenil gvanidin (DPG)). Ultrazvučno miješanje (pri 35º) pokazalo se nadmoćnim u proizvodnji biodizela, nadmašujući mehaničko miješanje (pri 65º) većim prinosima i stupnjem konverzije. Učinkovitost prijenosa tvari u ultrazvučnom polju povećala je brzinu reakcije transesterifikacije u usporedbi s mehaničkim miješanjem. Sonikacija je nadmašila mehaničko miješanje za sve ispitane katalizatore. Provođenje reakcije transesterifikacije uz ultrazvučnu kavitaciju energetski je učinkovita i industrijski izvediva alternativa za proizvodnju biodizela. Osim široko primjenjivanih katalizatora KOH i NaOH, oba gvanidinska katalizatora, propil-2,3 dicikloheksilgvanidin (PCHG) i 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilgvanidin (DCOG), pokazala su se zanimljivim alternativama za konverziju u biodizel.
Mootabadi i sur. (2010) istražili su ultrazvučno potpomognutu sintezu biodizela iz palmina ulja primjenom različitih katalizatora na bazi oksida alkalijskih metala, kao što su CaO, BaO i SrO. Aktivnost katalizatora u ultrazvučno potpomognutoj sintezi biodizela uspoređena je s tradicionalnim postupkom magnetskog miješanja te je utvrđeno da je ultrazvučni postupak uz primjenu BaO postigao prinos od 95,2% uz vrijeme reakcije od 60 min, za što je pri konvencionalnom miješanju inače potrebno 3–4 h. Za ultrazvučno potpomognutu transesterifikaciju u optimalnim uvjetima bilo je potrebno 60 min za postizanje prinosa od 95%, u usporedbi s 2–4 h pri konvencionalnom miješanju. Također, prinosi postignuti ultrazvukom u 60 min povećali su se s 5,5% na 77,3% uz CaO kao katalizator, s 48,2% na 95,2% uz SrO kao katalizator te sa 67,3% na 95,2 uz BaO kao katalizator.

Proizvodnja biodizela primjenom različitih gvanidina (3% mol) kao katalizatora. (A) Šaržni reaktor s mehaničkim miješanjem: (metanol:ulje uljane repice) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvučni šaržni reaktor: ultrazvučni uređaj UP200St, (metanol:ulje uljane repice) 4:1, 60% ultrazvučne amplitude, temperatura 35ºC. Miješanje potaknuto ultrazvukom daleko nadmašuje mehaničko miješanje.
(Istraživanje i grafikoni: Shinde i Kaliaguine, 2019)

Ultrazvučni reaktori visokih performansi za vrhunsku obradu biodizela

Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore i reaktore visokih performansi za poboljšanu proizvodnju biodizela koja omogućuje veće prinose, bolju kvalitetu, kraće vrijeme obrade i niže troškove proizvodnje.

Reaktori za proizvodnju biodizela u malom i srednjem opsegu

Za proizvodnju biodizela u malom i srednjem opsegu do 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher vam nudi modele ultrazvučnih miješalica s visokim smicanjem UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1000 vata), UIP1500hdT (1500 vata) i UIP2000hdT (2000 vata) . Ova četiri ultrazvučna reaktora vrlo su kompaktna i lako se integriraju ili naknadno ugrađuju. Konstruirani su za zahtjevan rad u teškim uvjetima. U nastavku ćete pronaći preporučene konfiguracije reaktora za različite proizvodne kapacitete.

Industrijski reaktori za biodizel s vrlo velikim kapacitetom obrade

Za industrijske pogone za proizvodnju biodizela Hielscher nudi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) ultrazvučne homogenizatore! Ovi ultrazvučni procesori osmišljeni su za kontinuiranu obradu pri visokim protocima. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogu se ugraditi u standardne kontejnere za pomorski prijevoz. Alternativno, sva četiri modela procesora dostupna su u kućištima od nehrđajućeg čelika. Uspravna ugradnja zahtijeva minimalan prostor. U nastavku ćete pronaći preporučene konfiguracije za tipične industrijske proizvodne kapacitete.