Biodiesel melalui Esterifikasi yang Ditingkatkan Secara Ultrasonik (Trans-)

Biodiesel disintesis melalui transesterifikasi menggunakan katalis basa. Namun, jika bahan baku seperti limbah sayuran bermutu rendah dengan kandungan asam lemak bebas tinggi digunakan, diperlukan langkah pra-pengolahan kimia esterifikasi menggunakan asam-katalis. Ultrasonikasi dan efek sonokimia dan sonomekanisnya berkontribusi pada kedua jenis reaksi dan meningkatkan efisiensi konversi biodiesel secara dramatis. Produksi biodiesel ultrasonik secara signifikan lebih cepat daripada sintesis biodiesel konvensional, menghasilkan hasil dan kualitas biodiesel yang lebih tinggi dan menghemat reagen seperti metanol dan katalis.

Konversi Biodiesel menggunakan Power Ultrasound

Untuk biodiesel, ester asam lemak diproduksi dengan transesterifikasi minyak nabati serta lemak hewani (misalnya, lemak). Selama reaksi transesterifikasi, komponen gliserol digantikan oleh alkohol lain, seperti metanol. Bahan baku dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi, misalnya limbah minyak nabati (WVO), memerlukan pra-perlakuan esterifikasi asam untuk menghindari pembentukan sabun. Proses katalisis asam ini merupakan reaksi yang sangat lambat, bila dilakukan sebagai metode batch konvensional. Solusi untuk mempercepat proses esterifikasi lambat adalah penerapan ultrasonografi daya. Sonikasi mencapai peningkatan yang signifikan dalam kecepatan reaksi, konversi dan hasil biodiesel karena efek sonokimia dari ultrasound berdaya tinggi mempromosikan dan mengintensifkan katalisis asam. Kavitasi ultrasonik memberikan gaya sonomekanik, yaitu pencampuran geser tinggi, serta energi sonokimia. Kedua jenis dampak ultrasonik ini (sonomekanik dan sonokimia) mengubah esterifikasi yang dikatalisis asam menjadi reaksi cepat yang membutuhkan lebih sedikit katalis.

Bagaimana Cara Kerja Konversi Biodiesel Ultrasonik?

Ultrasonikasi antara fase yang berbeda dalam transesterifikasi (juga kadang-kadang disebut alkoholis) dan esterifikasi didasarkan pada peningkatan pencampuran serta pada peningkatan panas dan perpindahan massa. Pencampuran ultrasonik didasarkan pada prinsip kavitasi akustik, yang terjadi sebagai akibat dari ledakan gelembung vakum dalam cairan. Kavitasi akustik ditandai dengan gaya geser dan turbulensi tinggi, serta tekanan dan perbedaan suhu yang sangat tinggi. Kekuatan ini mempromosikan reaksi kimia transesterifikasi / esterifikasi dan mengintensifkan perpindahan massa dan panas, sehingga meningkatkan reaksi konversi biodiesel secara signifikan.

Transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel (FAME) menggunakan sonikasi menghasilkan reaksi yang dipercepat dan efisiensi yang jauh lebih tinggi.

Penerapan ultrasonik selama konversi biodiesel telah terbukti secara ilmiah dan industri dapat meningkatkan efisiensi proses. Peningkatan efisiensi proses dapat dikaitkan dengan berkurangnya konsumsi energi dan biaya operasional, dan berkurangnya penggunaan alkohol (yaitu, metanol), katalis yang lebih sedikit, dan waktu reaksi yang dipersingkat secara signifikan. Biaya energi untuk pemanasan dihilangkan karena tidak ada persyaratan untuk pemanasan eksternal. Selain itu, pemisahan fase antara biodiesel dan gliserol lebih sederhana dengan waktu pemisahan fase yang lebih pendek. Faktor penting untuk penggunaan komersial ultrasound dalam produksi biodiesel adalah peningkatan skala sederhana ke volume berapa pun, pengoperasian yang andal dan aman serta ketahanan dan keandalan peralatan ultrasonik (standar industri, mampu berjalan terus menerus 24/7/365 di bawah beban penuh).

Sistem industri ultrasonik dengan sel aliran untuk esterfikasi dan transesterifikasi biodiesel inline.

Konversi Biodiesel Dua Langkah yang Dibantu Ultrasonik Menerapkan Langkah Reaksi Terkatalisis Asam dan Basa

Untuk bahan baku dengan kandungan FFA tinggi, produksi biodiesel dilakukan sebagai reaksi asam atau basa yang dikatalisis dalam proses dua tahap. Ultrasonografi berkontribusi dua jenis reaksi, esterifikasi yang dikatalisis asam serta transesterifikasi yang dikatalisis basa:

Esterifikasi yang dikatalisis asam menggunakan Ultrasound

Untuk mengobati kelebihan asam lemak bebas dalam bahan baku, diperlukan proses esterifikasi. Asam sulfat biasa digunakan sebagai katalis asam.

• Siapkan bahan baku dengan menyaring dan memurnikan dari kontaminan dan air.
• Larutkan katalis, yaitu asam sulfat, dalam metanol. Aliran umpan katalis/metanol dan bahan baku melalui penukar panas dan mixer statis untuk mendapatkan pra-campuran mentah.
• Pra-campuran katalis dan bahan baku langsung masuk ke ruang reaksi ultrasonik, di mana pencampuran ultra-halus dan sonokimia berlaku dan asam lemak bebas diubah menjadi biodiesel.
• Terakhir, dewater produk dan masukkan ke tahap kedua – transesterifikasi ultrasonik. Metanol basah asam setelah pemulihan, pengeringan dan netralisasi siap untuk digunakan kembali.
• Untuk FFA yang mengandung bahan baku yang sangat tinggi, pengaturan resirkulasi mungkin diperlukan untuk menurunkan FFA ke tingkat yang wajar sebelum langkah transesterifikasi.

Reaksi Esterifikasi menggunakan Katalis Asam:
FFA + Alkohol → Ester + Air

Transesterifikasi Terkatalisis Dasar menggunakan Ultrasound

Bahan baku, yang sekarang hanya memiliki sejumlah kecil FFA, dapat langsung diumpankan ke tahap transesterifikasi. Paling umum natrium hidroksida atau kalium hidroksida (NaOH, KOH) digunakan sebagai katalis basa.

• Larutkan katalis, yaitu kalium hidroksida, dalam metanol dan memberi makan aliran katalis/metanol dan bahan baku yang telah diolah sebelumnya melalui mixer statis untuk mendapatkan pra-campuran mentah.
• Masukkan pra-campuran langsung ke ruang reaksi ultrasonik untuk pencampuran geser tinggi kavitasi dan perawatan sonokimia. Produk dari reaksi ini adalah ester alkil (yaitu, biodiesel) dan gliserin. Gliserin dapat dipisahkan dengan mengendap atau dengan sentrifugasi.
• Biodiesel yang diproduksi secara ultrasonik berkualitas tinggi dan diproduksi dengan cepat, hemat energi dan hemat biaya dengan menghemat metanol dan katalis.

Reaksi Transesterifikasi menggunakan Katalis Basa:
Minyak / Lemak + Alkohol → Biodiesel + Gliserol

Penggunaan Metanol & Pemulihan Metanol

Metanol adalah komponen kunci selama produksi biodiesel. Konversi biodiesel yang digerakkan secara ultrasonik memungkinkan penggunaan metanol berkurang secara signifikan. Jika Anda sekarang berpikir "Saya tidak peduli dengan penggunaan metanol saya, karena saya tetap memulihkannya", Anda dapat memikirkan kembali dan mempertimbangkan biaya energi tinggi selangit yang berlaku untuk langkah penguapan (misalnya menggunakan kolom distilasi), yang diperlukan untuk memisahkan dan mendaur ulang metanol.
Metanol biasanya dihilangkan setelah biodiesel dan gliserin dipisahkan menjadi dua lapisan, mencegah pembalikan reaksi. Metanol kemudian dibersihkan dan didaur ulang kembali ke awal proses. Memproduksi biodiesel melalui esterifikasi dan transesterifikasi yang digerakkan secara ultrasonik, Anda dapat mengurangi penggunaan metanol secara dramatis, sehingga mengurangi pengeluaran energi tinggi selangit untuk pemulihan metanol. Penggunaan reaktor ultrasonik Hielscher mengurangi jumlah kelebihan metanol yang dibutuhkan hingga 50%. Rasio molar antara 1:4 atau 1:4,5 (minyak: metanol) cukup untuk sebagian besar bahan baku, saat menggunakan pencampuran ultrasonik Hielscher.

Ultrasonik Meningkatkan Efisiensi Konversi Biodiesel – Terbukti secara ilmiah

Banyak kelompok peneliti telah menyelidiki mekanisme dan efek transesterifikasi ultrasonik biodiesel. Misalnya, tim peneliti Sebayan Darwin menunjukkan bahwa kavitasi ultrasonik meningkatkan aktivitas kimia dan laju reaksi yang menghasilkan pembentukan ester yang meningkat secara signifikan. Teknik ultrasonik mengurangi waktu reaksi transesterifikasi menjadi 5 menit – dibandingkan dengan 2 jam untuk pemrosesan pengadukan mekanis. Konversi trigliserida (TG) menjadi FAME di bawah ultrasonikasi diperoleh 95,6929% wt dengan rasio metanol ke minyak molar 6: 1 dan 1% wt natrium hidroksida sebagai katalis. (lih. Darwin et al. 2010)

Ultrasonicators Ukuran Menengah dan Besar untuk Pemrosesan Biodiesel

Hielscher Ultrasonics’ memasok prosesor ultrasonik industri skala kecil hingga menengah serta skala besar untuk produksi biodiesel yang efisien pada volume berapa pun. Menawarkan sistem ultrasonik pada skala apa pun, Hielscher dapat menawarkan solusi ideal untuk produsen kecil dan perusahaan besar. Konversi biodiesel ultrasonik dapat dioperasikan sebagai batch atau sebagai proses inline kontinu. Pemasangan dan pengoperasiannya sederhana, aman, dan memberikan output tinggi yang andal dengan kualitas biodiesel yang unggul.
Di bawah ini Anda akan menemukan pengaturan reaktor yang direkomendasikan untuk berbagai tingkat produksi.