Pencampuran ultrasonik adalah teknologi unggul untuk produksi biodiesel yang sangat efisien dan hemat biaya. Kavitasi ultrasonik meningkatkan transfer massa secara drastis, sehingga mengurangi biaya produksi dan durasi pemrosesan. Pada saat yang sama, minyak dan lemak berkualitas buruk (misalnya, minyak limbah) dapat digunakan dan kualitas biodiesel ditingkatkan. Hielscher Ultrasonics memasok reaktor pencampuran ultrasonik berkinerja tinggi dan kuat untuk skala produksi apa pun. Baca lebih lanjut bagaimana produksi biodiesel Anda akan mendapat manfaat dari sonikasi!

Manfaat Produksi Biodiesel Menggunakan Ultrasound

Biodiesel (ester metil asam lemak, abrev. FAME) adalah produk dari reaksi transesterifikasi bahan baku lipid (trigliserida, misalnya, minyak sayur, minyak goreng bekas, lemak hewani, minyak alga) dan alkohol (metanol, etanol) menggunakan katalis (misalnya, kalium hidroksida KOH).
Masalah: Dalam konversi biodiesel konvensional menggunakan pengadukan konvensional, sifat yang tidak dapat diterima dari kedua reaktan dari reaksi transesterifikasi minyak dan alkohol menyebabkan laju transfer massa yang buruk sehingga menghasilkan produksi biodiesel yang tidak efisien. Inefisiensi ini ditandai dengan waktu reaksi yang lama, rasio molar metanol-minyak yang lebih tinggi, persyaratan katalis tinggi, suhu proses tinggi dan tingkat pengadukan yang tinggi. Faktor-faktor ini adalah pendorong biaya yang signifikan yang membuat pembuatan biodiesel konvensional menjadi proses yang mahal.
Solusinya: Pencampuran ultrasonik mengemulsi reaktan dengan cara yang sangat efisien, cepat dan murah sehingga rasio minyak-metanol dapat ditingkatkan, persyaratan katalis berkurang, waktu reaksi dan suhu reaksi diturunkan. Dengan demikian, sumber daya (yaitu, bahan kimia dan energi) serta waktu dihemat, biaya pemrosesan berkurang, sementara kualitas biodiesel dan profitabilitas produksi meningkat secara signifikan. Fakta-fakta ini mengubah pencampuran ultrasonik dalam teknologi yang disukai untuk pembuatan biodiesel yang berkhasiat.
Penelitian dan produsen biodiesel industri mengkonfirmasi bahwa pencampuran ultrasonik adalah cara yang sangat hemat biaya untuk menghasilkan biodiesel, bahkan ketika minyak dan lemak berkualitas buruk digunakan sebagai bahan baku. Intensifikasi proses ultrasonik secara signifikan meningkatkan tingkat konversi mengurangi penggunaan metanol dan katalis berlebih, memungkinkan untuk menghasilkan biodiesel memenuhi standar kualitas spesifikasi ASTM D6751 dan EN 14212. (lih. Abdullah et al., 2015)

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

Banyak Keuntungan Pencampuran Ultrasonik dalam Produksi Biodiesel

Reaktor pencampuran ultrasonik dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam instalasi baru serta dipasang retro ke pabrik biodiesel yang ada. Integrasi mixer ultrasonik Hielscher mengubah fasilitas biodiesel menjadi pabrik produksi berkinerja tinggi. Instalasi sederhana, kekokohan dan keramahan pengguna (tidak ada pelatihan khusus untuk operasi yang diperlukan) memungkinkan peningkatan fasilitas apa pun ke pabrik biodiesel yang sangat efisien. Di bawah ini, kami memberi Anda hasil keuntungan yang terbukti secara ilmiah yang didokumentasikan oleh pihak ketiga yang independen. Angka-angka membuktikan keunggulan pencampuran biodiesel ultrasonik atas teknik pengadukan konvensional.

Diagram alir menunjukkan langkah-langkah produksi biodiesel termasuk pencampuran ultrasonik untuk meningkatkan efisiensi proses.

Efisiensi dan Perbandingan Biaya: Ultrasonics vs Mechanical Stirring

Gholami et al. (2021) hadir dalam studi komparatif mereka keunggulan transesterifikasi ultrasonik dibandingkan pengadukan mekanis (yaitu, mixer pisau, impeller, mixer geser tinggi).
Biaya investasi: Prosesor ultrasonik dan reaktor UIP16000 dapat menghasilkan 192-384 t biodiesel / d dengan jejak hanya 1,2m x 0,6m. Sebagai perbandingan, untuk pengadukan mekanis (MS) reaktor yang jauh lebih besar diperlukan karena waktu reaksi yang lama dalam proses strirrng mekanis, yang menyebabkan biaya reaktor meningkat secara signifikan. (lih. Gholami et al., 2020)
Biaya pemrosesan: Biaya pemrosesan untuk produksi biodiesel ultrasonik adalah 7,7% lebih rendah daripada untuk proses pengadukan, terutama karena total investasi yang lebih rendah untuk proses sonikasi. Biaya bahan kimia (katalis, metanol / alkohol) adalah pendorong biaya terbesar ketiga dalam kedua proses, sonikasi dan pengadukan mekanis. Namun, untuk konversi biodiesel ultrasonik biaya untuk bahan kimia secara signifikan lebih rendah daripada untuk pengadukan mekanis. Fraksi biaya untuk bahan kimia menyumbang sekitar 5% dari biaya biodiesel akhir. Karena konsumsi metanol, natrium hidroksida, dan asam fosfat yang lebih rendah, biaya bahan kimia dalam proses biodiesel ultrasonik adalah 2,2% lebih rendah daripada proses pengadukan mekanis.
Biaya energi: Energi yang dikonsumsi oleh reaktor pencampuran ultrasonik kira-kira tiga kali lebih rendah dari itu oleh pengaduk mekanis. Pengurangan konsumsi energi yang cukup besar ini adalah produk dari pencampuran mikro yang intens dan waktu reaksi yang berkurang, yang dihasilkan dari produksi dan runtuhnya rongga yang tak terhitung jumlahnya, yang menjadi ciri fenomena kavitasi akustik / ultrasonik (Gholami et al., 2018). Selain itu, dibandingkan dengan pengaduk konvensional, konsumsi energi untuk pemulihan metanol dan tahap pemurnian biodiesel selama proses pencampuran ultrasonik berkurang masing-masing sebesar 26,5% dan 1,3%. Penurunan ini disebabkan oleh jumlah metanol yang lebih rendah memasuki dua kolom distilasi ini dalam proses transesterifikasi ultrasonik.
Biaya pembuangan limbah: Teknologi kavitasi ultrasonik juga sangat mengurangi biaya pembuangan limbah. Biaya dalam proses sonikasi ini kira-kira seperlima dari itu dalam proses pengadukan, yang dihasilkan dari penurunan signifikan dalam produksi limbah karena konversi reaktor yang lebih tinggi dan jumlah alkohol yang dikonsumsi lebih rendah.
Ramah lingkungan: Karena efisiensi keseluruhan yang sangat tinggi, berkurangnya konsumsi kimia, kebutuhan energi yang lebih rendah dan pengurangan limbah, produksi biodiesel ultrasonik secara signifikan lebih ramah lingkungan daripada proses pembuatan biodiesel konvensional.

Kesimpulan – Ultrasonics Meningkatkan Efisiensi Produksi Biodiesel

Penilaian ilmiah menunjukkan keuntungan yang jelas dari pencampuran ultrasonik atas pengadukan mekanis konvensional untuk produksi biodiesel. Keuntungan dari pemrosesan biodiesel ultrasonik termasuk total investasi modal, total biaya produk, nilai sekarang bersih dan tingkat pengembalian internal. Jumlah total investasi dalam proses kavitasi ultrasonik ditemukan lebih rendah daripada yang lain sekitar 20,8%. Menggunakan reaktor ultrasonik mengurangi biaya produk sebesar 5,2% – menggunakan minyak kanola perawan. Karena sonikasi memungkinkan untuk memproses juga minyak bekas (misalnya, minyak goreng bekas), biaya produksi dapat dikurangi secara signifikan lebih jauh. Gholami et al. (2021) sampai pada kesimpulan bahwa karena nilai sekarang bersih yang positif, proses kavitasi ultrasonik adalah pilihan teknologi pencampuran yang lebih baik untuk produksi biodiesel.
Dari sudut pandang teknis, efek yang paling penting dari kavitasi ultrasonik rentang efisiensi proses yang signifikan dan pengurangan waktu reaksi. Pembentukan dan runtuhnya banyak gelembung vakum – dikenal sebagai kavitasi akustik / ultrasonik – kurangi waktu reaksi dari beberapa jam di reaktor tangki diaduk menjadi beberapa detik di reaktor kavitasi ultrasonik. Waktu tinggal yang singkat ini memungkinkan produksi biodiesel dalam reaktor flow-through dengan jejak kecil. Reaktor kavitasi ultrasonik juga menunjukkan efek menguntungkan pada kebutuhan energi dan material, mengurangi konsumsi energi hingga hampir sepertiga dari yang dikonsumsi oleh reaktor tangki diaduk dan konsumsi metanol dan katalis sebesar 25%.
Dari perspektif ekonomi, total investasi proses kavitasi ultrasonik lebih rendah daripada proses pengadukan mekanis, terutama karena pengurangan hampir 50% dan 11,6% dalam biaya reaktor dan biaya kolom distilasi metanol, masing-masing. Proses kavitasi ultrasonik juga mengurangi biaya produksi biodiesel karena pengurangan 4% dalam konsumsi minyak canola, investasi total yang lebih rendah, konsumsi bahan kimia 2,2% lebih rendah, dan persyaratan utilitas 23,8% lebih rendah. Berbeda dengan proses yang diaduk secara mekanis, pemrosesan ultrasonik adalah investasi yang dapat diterima karena nilai sekarang bersih positif, waktu pengembalian yang lebih pendek, dan tingkat pengembalian internal yang lebih tinggi. Selain manfaat techno-ekonomi yang terkait dengan proses kavitasi ultrasonik, itu lebih ramah lingkungan daripada proses pengadukan mekanis. Kavitasi ultrasonik menghasilkan pengurangan 80% dalam aliran limbah karena konversi yang lebih tinggi dalam reaktor dan mengurangi konsumsi alkohol dalam proses ini. (lih. Gholami et al., 2021)

Gunakan Katalis Pilihan Anda

Proses transesterifikasi ultrasonik biodiesel telah terbukti efisien menggunakan katalis alkali atau dasar. Forinstance, Shinde dan Kaliaguine (2019) membandingkan efisiensi pencampuran pisau ultrasonik dan mechnical menggunakan berbagai katalis, yaitu natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH), (CH₃ONa), tetramethyl amonium hidroksida dan empat guanidines (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Pencampuran ultrasonik (pada 35º) seperti yang ditunjukkan unggul untuk produksi biodiesel yang unggul pencampuran mekanis (pada 65º) dengan hasil yang lebih tinggi dan tingkat konversi. Efisiensi perpindahan massa di bidang ultrasound meningkatkan laju reaksi transesterifikasi dibandingkan dengan pengadukan mekanis. Sonikasi mengungguli pengadukan mekanis untuk semua katalis yang diuji. Menjalankan reaksi transesterifikasi dengan kavitasi ultrasonik adalah alternatif yang hemat energi dan layak secara industri untuk produksi biodiesel. Selain katalis koh dan NaOH yang banyak digunakan, baik katalis guanidine, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) dan 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), keduanya telah ditampilkan sebagai altrnatives yang menarik untuk konversi biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) menyelidiki sintesis biodiesel ultrasonic-assisted dari minyak sawit menggunakan katalis oksida logam alkali yang beragam seperti CaO, BaO dan SrO. Aktivitas katalis dalam sintesis biodiesel yang dibantu ultrasonik dibandingkan dengan proses pengadukan magnetik tradisional, dan ditemukan bahwa proses ultrasonik menunjukkan 95,2% hasil menggunakan BaO dalam waktu reaksi 60 menit, yang jika tidak mengambil 3-4 jam dalam proses pengadukan konvensional. Untuk transesterifikasi ultrasonically dibantu pada kondisi optimal, 60 menit diperlukan untuk mencapai hasil 95% dibandingkan dengan 2-4 jam dengan pengadukan konvensional. Juga, hasil yang dicapai dengan ultrasound dalam 60 menit meningkat dari 5,5% menjadi 77,3% menggunakan CaO sebagai katalis, 48,2% menjadi 95,2% menggunakan SrO sebagai katalis, dan 67,3% menjadi 95,2 menggunakan BaO sebagai katalis.

Produksi biodiesel menggunakan berbagai guanidine (3% mol) sebagai katalis. (A) Batchreactor pengadukan mekanis: (metanol: minyak kanola) 4: 1, suhu 65ºC; (B) Reaktor batch ultrasound: ultrasonicator UP200St, (metanol: minyak canola) 4: 1, amplitudo AS 60%, suhu 35ºC. Pencampuran yang digerakkan oleh ultrasound mengungguli pengadukan mekanis sejauh ini.
(Studi dan grafik: Shinde dan Kaliaguine, 2019)

Reaktor Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Pemrosesan Biodiesel Unggul

Hielscher Ultrasonics menawarkan prosesor ultrasonik berkinerja tinggi dan reaktor untuk meningkatkan produksi biodiesel menghasilkan hasil yang lebih tinggi, peningkatan kualitas, mengurangi waktu pemrosesan dan biaya produksi yang lebih rendah.

Reaktor Biodiesel Skala Kecil dan Menengah

Untuk ukuran kecil dan menengah produksi biodiesel hingga 9 ton/HR (2900 gal/jam), Hielscher menawarkan Anda UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt), dan UIP2000hdT (2000 watt) model mixer geser tinggi ultrasonik. Keempat reaktor ultrasonik ini sangat kompak, mudah diintegrasikan atau retro-fit. Mereka dibangun untuk operasi tugas berat di lingkungan yang keras. Di bawah ini Anda akan menemukan pengaturan reaktor yang direkomendasikan untuk berbagai tingkat produksi.

Reaktor Biodiesel Industri Throughput Yang Sangat Besar

Untuk industri pengolahan biodiesel rencana produksi Hielscher menawarkan UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) dan UIP16000hdT (16kW) homogenizers ultrasonik! Prosesor ultrasonik ini dirancang untuk pemrosesan terus menerus dari laju aliran tinggi. UIP4000hdT, UIP6000hdT dan UIP10000 dapat diintegrasikan ke dalam kontainer angkutan laut standar. Atau, keempat model prosesor tersedia dalam lemari stainless steel. Instalasi tegak membutuhkan ruang minimal. Di bawah ini Anda menemukan pengaturan yang direkomendasikan untuk tingkat pemrosesan industri yang khas.