Biodiesel attraverso l'esterificazione (trans-)migliorata con gli ultrasuoni

Il biodiesel viene sintetizzato tramite transesterificazione utilizzando un catalizzatore a base. Tuttavia, se si utilizzano materie prime come i rifiuti vegetali di bassa qualità con un alto contenuto di acidi grassi liberi, è necessaria una fase di pre-trattamento chimico di esterificazione utilizzando un acido-catalizzatore. L'ultrasuonizzazione e i suoi effetti sonochimici e sonomeccanici contribuiscono a entrambi i tipi di reazione e aumentano notevolmente l'efficienza della conversione del biodiesel. La produzione di biodiesel con gli ultrasuoni è significativamente più veloce della sintesi convenzionale del biodiesel, si traduce in una maggiore resa e qualità del biodiesel e risparmia reagenti come il metanolo e il catalizzatore.

Conversione del biodiesel utilizzando gli ultrasuoni di potenza

Per il biodiesel, gli esteri di acidi grassi sono prodotti dalla transesterificazione di oli vegetali e di grassi animali (per esempio il sego). Durante la reazione di transesterificazione, il componente glicerolo viene sostituito da un altro alcol, come il metanolo. Le materie prime con un alto contenuto di acidi grassi liberi, per esempio gli oli vegetali usati (WVO), richiedono un pre-trattamento di esterificazione acida per evitare la formazione di sapone. Questo processo di catalisi acida è una reazione molto lenta, quando viene eseguito come metodo batch convenzionale. La soluzione per accelerare il lento processo di esterificazione è l'applicazione di ultrasuoni di potenza. La sonicazione raggiunge un miglioramento significativo nella velocità di reazione, nella conversione e nella resa del biodiesel, poiché gli effetti sonochimici degli ultrasuoni ad alta potenza promuovono e intensificano la catalisi acida. La cavitazione ultrasonica fornisce forze sonomeccaniche, cioè la miscelazione ad alto taglio, così come l'energia sonochimica. Questi due tipi di impatto ultrasonico (sonomeccanico e sonochimico) trasformano l'esterificazione catalizzata dall'acido in una reazione veloce che richiede meno catalizzatore.

La transesterificazione dei trigliceridi in biodiesel (FAME) usando la sonicazione risulta in una reazione accelerata e in un'efficienza significativamente maggiore.

Come funziona la conversione a ultrasuoni del biodiesel?

La miscelazione a ultrasuoni tra le diverse fasi della transesterificazione (chiamata anche alcolizzazione) e dell'esterificazione si basa sul miglioramento della miscelazione e su un maggiore trasferimento di calore e di massa. La miscelazione a ultrasuoni si basa sul principio della cavitazione acustica, che si verifica come risultato dell'implosione di bolle a vuoto nel liquido. La cavitazione acustica è caratterizzata da forze di taglio e turbolenze elevate, nonché da differenziali di pressione e temperatura molto alti. Queste forze promuovono la reazione chimica di transesterificazione / esterificazione e intensificano il trasferimento di massa e calore, migliorando così la reazione di conversione del biodiesel in modo significativo.
L'applicazione degli ultrasuoni durante la conversione del biodiesel ha dimostrato scientificamente e industrialmente di migliorare l'efficienza del processo. Il miglioramento dell'efficienza del processo può essere attribuito alla riduzione del consumo di energia e dei costi operativi, e all'uso ridotto di alcool (cioè, metanolo), meno catalizzatore e un tempo di reazione significativamente ridotto. I costi energetici per il riscaldamento sono eliminati poiché non c'è bisogno di un riscaldamento esterno. Inoltre, la separazione di fase tra biodiesel e glicerolo è più semplice con un tempo di separazione di fase più breve. Un fattore importante per l'uso commerciale degli ultrasuoni nella produzione di biodiesel è il semplice scale-up a qualsiasi volume, il funzionamento affidabile e sicuro, nonché la robustezza e l'affidabilità dell'attrezzatura a ultrasuoni (standard industriale, in grado di funzionare continuamente 24/7/365 a pieno carico).

Sistema industriale a ultrasuoni con cella di flusso per l'esterificazione e la transesterificazione in linea del biodiesel.

Conversione di biodiesel a due fasi assistita da ultrasuoni che applica fasi di reazione catalizzate da acido e base

Per le materie prime con un alto contenuto di FFA, la produzione di biodiesel viene effettuata come reazione acida o base-catalizzata in un processo a due fasi. Gli ultrasuoni contribuiscono a entrambi i tipi di reazioni, l'esterificazione catalizzata dall'acido e la transesterificazione catalizzata dalla base:

Esterificazione catalizzata dall'acido usando gli ultrasuoni

Per trattare un eccesso di acidi grassi liberi nella materia prima, è necessario il processo di esterificazione. L'acido solforico è comunemente usato come catalizzatore acido.

• Preparare la materia prima filtrando e raffinando dai contaminanti e dall'acqua.
• Sciogliere il catalizzatore, cioè l'acido solforico, in metanolo. Alimentare il flusso di catalizzatore/metanolo e la materia prima attraverso uno scambiatore di calore e un miscelatore statico per ottenere una premiscela grezza.
• La premiscela di catalizzatore e materia prima va direttamente nella camera di reazione a ultrasuoni, dove la miscelazione ultra-fine e la sonochimica hanno effetto e gli acidi grassi liberi vengono convertiti in biodiesel.
• Infine, disidrata il prodotto e lo alimenta nella seconda fase - la transesterificazione a ultrasuoni. Il metanolo umido acido è dopo il recupero, l'essiccazione e la neutralizzazione pronto per il riutilizzo.
• Per materie prime contenenti FFA molto elevati, potrebbe essere necessario un setup di ricircolo per abbassare gli FFA a un livello ragionevole prima della fase di transesterificazione.

Reazione di esterificazione con un catalizzatore acido:
FFA + Alcool → Ester + Acqua

Transesterificazione catalizzata da basi utilizzando gli ultrasuoni

La materia prima, che ora ha solo piccole quantità di FFA, può essere alimentata direttamente alla fase di transesterificazione. Più comunemente l'idrossido di sodio o di potassio (NaOH, KOH) è usato come catalizzatore di base.

• Sciogliere il catalizzatore, cioè l'idrossido di potassio, in metanolo e alimentare i flussi di catalizzatore/metanolo e materia prima pretrattata attraverso un mixer statico per ottenere una premiscela grezza.
• Alimentare il pre-mix direttamente nella camera di reazione a ultrasuoni per la miscelazione cavitazionale ad alto taglio e il trattamento sonochemical. I prodotti di questa reazione sono esteri alchilici (cioè il biodiesel) e glicerina. La glicerina può essere separata per decantazione o per centrifugazione.
• Il biodiesel prodotto con gli ultrasuoni è di alta qualità e prodotto in modo veloce, efficiente dal punto di vista energetico ed economico, risparmiando metanolo e catalizzatore.

Reazione di transesterificazione con un catalizzatore di base:
Olio / Grasso + Alcool → Biodiesel + Glicerolo

Uso del metanolo & Recupero del metanolo

Il metanolo è un componente chiave durante la produzione di biodiesel. La conversione del biodiesel guidata dagli ultrasuoni permette un uso significativamente ridotto del metanolo. Se ora state pensando "non mi interessa l'uso del metanolo, dato che lo recupero comunque", potreste ripensarci e considerare l'esorbitante costo energetico elevato che si applica per la fase di evaporazione (ad esempio utilizzando una colonna di distillazione), che è necessaria per separare e riciclare il metanolo.
Il metanolo viene solitamente rimosso dopo che il biodiesel e la glicerina sono stati separati in due strati, impedendo l'inversione della reazione. Il metanolo viene poi pulito e riciclato all'inizio del processo. Producendo biodiesel tramite l'esterificazione e la transesterificazione guidata dagli ultrasuoni, si è in grado di ridurre drasticamente l'uso di metanolo, riducendo così l'esorbitante spesa energetica elevata per il recupero del metanolo. L'uso dei reattori a ultrasuoni Hielscher riduce la quantità necessaria di metanolo in eccesso fino al 50%. Un rapporto molare tra 1:4 o 1:4,5 (olio : metanolo) è sufficiente per la maggior parte delle materie prime, quando si utilizza la miscelazione a ultrasuoni Hielscher.

Gli ultrasuoni hanno aumentato l'efficienza di conversione del biodiesel – Scientificamente provato

Numerosi gruppi di ricercatori hanno studiato il meccanismo e gli effetti della transesterificazione ultrasonica del biodiesel. Per esempio, il gruppo di ricerca di Sebayan Darwin ha dimostrato che la cavitazione ultrasonica ha aumentato l'attività chimica e il tasso di reazione con un conseguente aumento significativo della formazione di esteri. La tecnica a ultrasuoni ha ridotto il tempo di reazione di transesterificazione a 5 minuti – rispetto alle 2 ore per la lavorazione con agitazione meccanica. La conversione del trigliceride (TG) in FAME sotto ultrasuoni ha ottenuto il 95,6929%wt con un rapporto molare metanolo-olio di 6:1 e 1%wt di idrossido di sodio come catalizzatore. (cfr. Darwin et al. 2010)

Ultrasuoni di medie e grandi dimensioni per il trattamento del biodiesel

Ultrasuoni Hielscher’ fornisce processori a ultrasuoni industriali di piccole e medie dimensioni e di grandi dimensioni per la produzione efficiente di biodiesel a qualsiasi volume. Offrendo sistemi a ultrasuoni su qualsiasi scala, la Hielscher può offrire la soluzione ideale sia per i piccoli produttori che per le grandi aziende. La conversione di biodiesel a ultrasuoni può essere utilizzata come processo in batch o come processo continuo in linea. L'installazione e il funzionamento sono semplici, sicuri e danno produzioni affidabili di biodiesel di qualità superiore.
Di seguito troverete le configurazioni del reattore raccomandate per una gamma di tassi di produzione.