Biodízel előállítása ultrahanggal javított (át)észterezéssel

A biodízelt átészterezéssel, bázikus katalizátor alkalmazásával állítják elő. Ha azonban magas szabadzsírsav-tartalmú alapanyagot, például gyenge minőségű hulladék növényi olajat használnak, savas katalizátorral végzett észterezési kémiai előkezelési lépésre van szükség. Az ultrahangos kezelés, valamint annak szonokémiai és szonomechanikai hatásai mindkét reakciótípust elősegítik, és nagymértékben növelik a biodízellé történő átalakítás hatékonyságát. Az ultrahangos biodízel-előállítás lényegesen gyorsabb a hagyományos biodízel-szintézisnél, nagyobb biodízelhozamot és jobb minőséget eredményez, továbbá reagenseket, például metanolt és katalizátort takarít meg.

Biodízellé történő átalakítás nagy teljesítményű ultrahanggal

A biodízelhez szükséges zsírsavésztereket növényi olajok és állati zsírok (például faggyú) átészterezésével állítják elő. Az átészterezési reakció során a glicerinkomponenst egy másik alkohol, például metanol helyettesíti. A magas szabadzsírsav-tartalmú alapanyagok, például a hulladék növényi olajok (WVO), a szappanképződés elkerülése érdekében savas észterezéssel végzett előkezelést igényelnek. Ez a savkatalízises folyamat nagyon lassú reakció, ha hagyományos szakaszos módszerrel végzik. A lassú észterezési folyamat felgyorsításának megoldása a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása. Az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a reakciósebességet, a konverziót és a biodízelhozamot, mivel a nagy teljesítményű ultrahang szonokémiai hatásai elősegítik és intenzívebbé teszik a savkatalízist. Az ultrahangos kavitáció szonomechanikai erőket, azaz nagy nyíróhatású keverést, valamint szonokémiai energiát biztosít. Az ultrahang e kétféle hatása (szonomechanikai és szonokémiai) a savkatalizált észterezést kevesebb katalizátort igénylő, gyors reakcióvá alakítja.

Hogyan működik az ultrahangos biodízel-konverzió?

Az átészterezés (amelyet néha alkoholízisnek is neveznek) és az észterezés során a különböző fázisok közötti ultrahangos kezelés a keverés javításán, valamint a hő- és anyagátadás fokozásán alapul. Az ultrahangos keverés az akusztikus kavitáció elvén alapul, amely a folyadékban lévő vákuumbuborékok összeroppanása következtében lép fel. Az akusztikus kavitációt nagy nyíróerők és turbulencia, valamint nagyon nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségek jellemzik. Ezek az erők elősegítik az átészterezés / észterezés kémiai reakcióját, és fokozzák az anyag- és hőátadást, ezáltal jelentősen javítják a biodízellé történő átalakítás reakcióját.

A trigliceridek ultrahangos kezeléssel végzett átészterezése biodízellé (FAME) gyorsabb reakciót és lényegesen nagyobb hatékonyságot eredményez.

Tudományos és ipari vizsgálatok igazolták, hogy az ultrahang alkalmazása a biodízellé történő átalakítás során javítja a folyamat hatékonyságát. A folyamat hatékonyságának javulása a csökkent energiafogyasztásnak és üzemeltetési költségeknek, a kisebb alkoholfelhasználásnak (azaz metanolfelhasználásnak), a kevesebb katalizátornak és a jelentősen lerövidült reakcióidőnek tulajdonítható. A fűtés energiaköltségei megszűnnek, mivel nincs szükség külső fűtésre. Emellett a biodízel és a glicerin közötti fázisszétválasztás egyszerűbb, és rövidebb időt igényel. Az ultrahang biodízel-előállításban történő kereskedelmi alkalmazásának fontos tényezője a tetszőleges térfogatra való egyszerű méretnövelés, a megbízható és biztonságos működés, valamint az ultrahangos berendezések robusztussága és megbízhatósága (ipari szabvány, teljes terhelés mellett folyamatos, 24/7/365 üzemre képes).

Ultrahangos ipari rendszer átfolyó cellával a biodízel folyamatba épített észterezéséhez és átészterezéséhez.

Ultrahanggal segített, kétlépéses biodízel-konverzió sav- és báziskatalizált reakciólépések alkalmazásával

Magas FFA-tartalmú alapanyagok esetén a biodízel-előállítást kétlépcsős folyamatban, sav- vagy báziskatalizált reakcióként végzik. Az ultrahang mindkét reakciótípust elősegíti: a savkatalizált észterezést és a báziskatalizált átészterezést is:

Savkatalizált észterezés ultrahanggal

Az alapanyagban lévő szabadzsírsav-felesleg kezeléséhez észterezésre van szükség. Savas katalizátorként általában kénsavat használnak.

• Készítse elő az alapanyagot szűréssel, valamint a szennyeződések és a víz eltávolításával.
• Oldja fel a katalizátort, azaz a kénsavat metanolban. Vezesse át a katalizátor/metanol áramát és az alapanyagot egy hőcserélőn és egy statikus keverőn, hogy durva előkeveréket kapjon.
• A katalizátor és az alapanyag előkeveréke közvetlenül az ultrahangos reakciókamrába kerül, ahol az ultrafinom keverés és a szonokémia kifejti hatását, és a szabad zsírsavak biodízellé alakulnak.
• Végül víztelenítse a terméket, és vezesse a második lépcsőbe – az ultrahangos átészterezéshez. A savas, víztartalmú metanol visszanyerés, szárítás és semlegesítés után készen áll az újrafelhasználásra.
• Nagyon magas FFA-tartalmú alapanyagok esetén recirkulációs elrendezésre lehet szükség ahhoz, hogy az átészterezési lépés előtt az FFA-tartalmat megfelelő szintre csökkentsék.

 
Észterezési reakció savas katalizátorral:
FFA + Alkohol → Észter + Víz
 

Olvasson többet a szabad zsírsavak ultrahanggal javított, savkatalizált észterezéséről!
 
 

Báziskatalizált átészterezés ultrahanggal

Az alapanyag, amely most már csak kis mennyiségű szabad zsírsavat tartalmaz, közvetlenül az átészterezési lépcsőbe vezethető. Bázikus katalizátorként leggyakrabban nátrium-hidroxidot vagy kálium-hidroxidot (NaOH, KOH) használnak.

• Oldja fel a katalizátort, azaz a kálium-hidroxidot metanolban, és vezesse át a katalizátor/metanol és az előkezelt alapanyag áramait egy statikus keverőn, hogy durva előkeveréket kapjon.
• Vezesse az előkeveréket közvetlenül az ultrahangos reakciókamrába a kavitációs, nagy nyíróhatású keveréshez és a szonokémiai kezeléshez. E reakció termékei alkilészterek (azaz biodízel) és glicerin. A glicerin ülepítéssel vagy centrifugálással választható el.
• Az ultrahanggal előállított biodízel kiváló minőségű, és a metanol- és katalizátormegtakarítás révén gyorsan, energiahatékonyan és költséghatékonyan készül.

Átészterezési reakció bázikus katalizátorral:
Olaj / Zsír + Alkohol → Biodízel + Glicerin

Metanolfelhasználás és metanol-visszanyerés

A metanol a biodízel-előállítás egyik kulcsfontosságú összetevője. Az ultrahanggal végzett biodízel-konverzió jelentősen csökkentett metanolfelhasználást tesz lehetővé. Ha most azt gondolja, hogy „Nem érdekel a metanolfelhasználásom, mert úgyis visszanyerem”, érdemes lehet ezt újragondolnia, és figyelembe vennie a metanol elválasztásához és újrafelhasználásához szükséges bepárlási lépés (például desztillációs oszlop alkalmazása) rendkívül magas energiaköltségeit.
A metanolt általában azután távolítják el, hogy a biodízel és a glicerin két rétegre vált szét, megakadályozva a reakció visszafordulását. A metanolt ezután megtisztítják, és visszavezetik a folyamat elejére. Ha a biodízelt ultrahanggal végzett észterezéssel és átészterezéssel állítja elő, nagymértékben csökkentheti a metanolfelhasználását, ezáltal mérsékelve a metanol visszanyerésének rendkívül magas energiaigényét. A Hielscher ultrahangos reaktorainak használata akár 50%-kal csökkenti a szükséges metanolfelesleg mennyiségét. A Hielscher ultrahangos keverésének alkalmazásakor a legtöbb alapanyag esetén elegendő az 1:4 és 1:4,5 közötti mólarány (olaj : metanol).

A biodízel-konverzió ultrahanggal növelt hatékonysága – tudományosan igazolva

Számos kutatócsoport vizsgálta a biodízel ultrahangos átészterezésének mechanizmusát és hatásait. Sebayan Darwin kutatócsoportja például kimutatta, hogy az ultrahangos kavitáció növelte a kémiai aktivitást és a reakciósebességet, ami jelentősen fokozott észterképződést eredményezett. Az ultrahangos technika az átészterezési reakció idejét 5 percre csökkentette – a mechanikus keveréssel végzett kezelés 2 órájához képest. Ultrahangos kezelés mellett a triglicerid (TG) FAME-mé történő átalakítása 95,6929%wt értéket ért el, 6:1 metanol–olaj mólarány és katalizátorként alkalmazott 1%wt nátrium-hidroxid mellett. (vö. Darwin et al. 2010)

Közepes méretű és nagyüzemi ultrahangos berendezések biodízel-feldolgozáshoz

A Hielscher Ultrasonics kis és közepes méretű, valamint nagyüzemi ipari ultrahangos processzorokat kínál a biodízel hatékony, tetszőleges mennyiségben történő előállításához. A Hielscher minden méretben kínál ultrahangos rendszereket, így ideális megoldást nyújthat mind a kistermelőknek, mind a nagyvállalatoknak. Az ultrahangos biodízel-konverzió szakaszos vagy folyamatos, a folyamatba épített eljárásként működtethető. A telepítés és az üzemeltetés egyszerű és biztonságos, és megbízhatóan nagy termelési teljesítményt biztosít kiemelkedő biodízelminőség mellett.
Az alábbiakban különböző termelési teljesítményekhez ajánlott reaktorelrendezéseket talál.