Produzione di biodiesel con un’efficienza di processo ed economica superiore

La miscelazione a ultrasuoni è la tecnologia superiore per una produzione di biodiesel altamente efficiente ed economicamente vantaggiosa. La cavitazione ultrasonica migliora drasticamente il trasferimento di massa, riducendo così i costi di produzione e la durata del trattamento. Al contempo, è possibile utilizzare oli e grassi di scarsa qualità (ad es. oli esausti) e migliorare la qualità del biodiesel. Hielscher Ultrasonics fornisce reattori di miscelazione a ultrasuoni robusti e ad alte prestazioni per qualsiasi scala di produzione. Scoprite come la vostra produzione di biodiesel può beneficiare della sonicazione!

Vantaggi degli ultrasuoni nella produzione di biodiesel

Il biodiesel (estere metilico degli acidi grassi, abbreviato FAME) è il prodotto di una reazione di transesterificazione tra una materia prima lipidica (trigliceridi, ad es. olio vegetale, oli da cucina esausti, grassi animali, olio algale) e un alcol (metanolo, etanolo), mediante un catalizzatore (ad es. idrossido di potassio KOH).
Il problema: Nella conversione convenzionale in biodiesel mediante agitazione convenzionale, l’immiscibilità dei due reagenti della reazione di transesterificazione, olio e alcol, determina una bassa velocità di trasferimento di massa, rendendo inefficiente la produzione di biodiesel. Questa inefficienza è caratterizzata da lunghi tempi di reazione, rapporti molari metanolo-olio più elevati, un elevato fabbisogno di catalizzatore, temperature di processo elevate ed elevate velocità di agitazione. Questi fattori incidono significativamente sui costi, rendendo la produzione convenzionale di biodiesel un processo costoso.
La soluzione: La miscelazione a ultrasuoni emulsiona i reagenti in modo altamente efficiente, rapido e a basso costo, consentendo di migliorare il rapporto olio-metanolo, ridurre il fabbisogno di catalizzatore e abbassare il tempo e la temperatura di reazione. In questo modo si risparmiano risorse (ossia sostanze chimiche ed energia) e tempo, si riducono i costi di trattamento e si migliorano significativamente la qualità del biodiesel e la redditività della produzione. Questi risultati rendono la miscelazione a ultrasuoni la tecnologia preferita per una produzione efficace di biodiesel.
La ricerca e i produttori industriali di biodiesel confermano che la miscelazione a ultrasuoni è un metodo altamente vantaggioso dal punto di vista economico per produrre biodiesel, anche utilizzando oli e grassi di scarsa qualità come materie prime. L’intensificazione del processo mediante ultrasuoni migliora considerevolmente il tasso di conversione, riducendo l’impiego di metanolo e catalizzatore in eccesso e consentendo di produrre biodiesel conforme agli standard qualitativi delle specifiche ASTM D6751 ed EN 14212. (cfr. Abdullah et al., 2015)

La transesterificazione dei trigliceridi in biodiesel (FAME) mediante sonicazione accelera la reazione e aumenta significativamente l’efficienza.

Numerosi vantaggi della miscelazione a ultrasuoni nella produzione di biodiesel

I reattori di miscelazione a ultrasuoni possono essere facilmente integrati in qualsiasi nuova installazione o aggiunti agli impianti di biodiesel esistenti. L’integrazione di un miscelatore a ultrasuoni Hielscher trasforma qualsiasi impianto di biodiesel in un impianto di produzione ad alte prestazioni. La semplicità di installazione, la robustezza e la facilità d’uso (non è richiesta una formazione specifica per il funzionamento) consentono di trasformare qualsiasi struttura in un impianto di biodiesel altamente efficiente. Di seguito presentiamo risultati scientificamente comprovati relativi ai vantaggi documentati da terze parti indipendenti. I dati dimostrano la superiorità della miscelazione a ultrasuoni del biodiesel rispetto a qualsiasi tecnica di agitazione convenzionale.

Il diagramma di flusso mostra le fasi di produzione del biodiesel, inclusa la miscelazione a ultrasuoni per migliorare l’efficienza del processo.

Confronto di efficienza e costi: ultrasuoni e agitazione meccanica

Gholami et al. (2021) presentano nel loro studio comparativo i vantaggi della transesterificazione a ultrasuoni rispetto all’agitazione meccanica (ossia miscelatore a pale, girante, miscelatore ad alto taglio).

Bassi costi di investimento:
Il processore e reattore a ultrasuoni UIP16000 può produrre 192–384 t di biodiesel/d con un ingombro di soli 1,2m x 0,6m. Per l’agitazione meccanica (MS), invece, è necessario un reattore molto più grande a causa dei lunghi tempi di reazione del processo di agitazione meccanica, con un conseguente aumento significativo del costo del reattore. (cfr. Gholami et al., 2020)
Bassi costi di trattamento:
I costi di trattamento per la produzione di biodiesel a ultrasuoni sono inferiori del 7,7% rispetto a quelli del processo di agitazione, principalmente grazie al minore investimento totale richiesto per il processo di sonicazione. Il costo delle sostanze chimiche (catalizzatore, metanolo/alcol) è la terza voce di costo più importante in entrambi i processi, sonicazione e agitazione meccanica. Tuttavia, nella conversione in biodiesel a ultrasuoni, i costi delle sostanze chimiche sono significativamente inferiori rispetto all’agitazione meccanica. Le sostanze chimiche rappresentano circa il 5% del costo finale del biodiesel. Grazie al minore consumo di metanolo, idrossido di sodio e acido fosforico, il costo delle sostanze chimiche nel processo di produzione di biodiesel a ultrasuoni è inferiore del 2,2% rispetto al processo di agitazione meccanica.

Costi energetici ridotti:
L’energia consumata dal reattore di miscelazione a ultrasuoni è circa tre volte inferiore a quella consumata dall’agitatore meccanico. Questa considerevole riduzione del consumo energetico deriva dall’intensa micromiscelazione e dal tempo di reazione ridotto, dovuti alla formazione e al collasso di innumerevoli cavità che caratterizzano il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica (Gholami et al., 2018). Inoltre, rispetto all’agitatore convenzionale, il consumo energetico delle fasi di recupero del metanolo e purificazione del biodiesel durante il processo di miscelazione a ultrasuoni si riduce rispettivamente del 26,5% e dell’1,3%. Questa diminuzione è dovuta alle minori quantità di metanolo che entrano nelle due colonne di distillazione nel processo di transesterificazione a ultrasuoni.

Costi di smaltimento dei rifiuti fortemente ridotti:
La tecnologia di cavitazione ultrasonica riduce notevolmente anche i costi di smaltimento dei rifiuti. Nel processo di sonicazione, questi costi sono circa un quinto di quelli del processo di agitazione, grazie alla significativa diminuzione della produzione di rifiuti dovuta alla maggiore conversione nel reattore e alle minori quantità di alcol consumate.
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Maggiore compatibilità ambientale:
Grazie all’elevatissima efficienza complessiva, al consumo ridotto di sostanze chimiche, al minore fabbisogno energetico e alla riduzione dei rifiuti, la produzione di biodiesel a ultrasuoni è significativamente più rispettosa dell’ambiente rispetto ai processi convenzionali di produzione del biodiesel.

Conclusione – Gli ultrasuoni migliorano l’efficienza della produzione di biodiesel

La valutazione scientifica mostra i chiari vantaggi della miscelazione a ultrasuoni rispetto all’agitazione meccanica convenzionale nella produzione di biodiesel. I vantaggi del trattamento del biodiesel a ultrasuoni riguardano l’investimento totale di capitale, il costo totale del prodotto, il valore attuale netto e il tasso interno di rendimento. L’investimento totale nel processo di cavitazione ultrasonica è risultato inferiore di circa il 20,8% rispetto all’altro processo. L’utilizzo di reattori a ultrasuoni ha ridotto i costi del prodotto del 5,2% – utilizzando olio di canola vergine. Poiché la sonicazione consente di trattare anche oli esausti (ad es. oli da cucina usati), i costi di produzione possono essere ulteriormente ridotti in misura significativa. Gholami et al. (2021) concludono che, grazie a un valore attuale netto positivo, il processo di cavitazione ultrasonica è la scelta migliore come tecnologia di miscelazione per la produzione di biodiesel.
Dal punto di vista tecnico, gli effetti più importanti della cavitazione ultrasonica comprendono la notevole efficienza del processo e la riduzione del tempo di reazione. La formazione e il collasso di numerose bolle di vuoto – noti come cavitazione acustica / ultrasonica – riducono il tempo di reazione da diverse ore nel reattore a serbatoio agitato a pochi secondi nel reattore di cavitazione ultrasonica. Questo breve tempo di permanenza consente la produzione di biodiesel in un reattore a flusso continuo con ingombro ridotto. Il reattore di cavitazione ultrasonica ha inoltre effetti benefici sul fabbisogno di energia e materiali, riducendo il consumo energetico a quasi un terzo di quello di un reattore a serbatoio agitato e il consumo di metanolo e catalizzatore del 25%.
Dal punto di vista economico, l’investimento totale nel processo di cavitazione ultrasonica è inferiore a quello del processo di agitazione meccanica, principalmente grazie a una riduzione di quasi il 50% del costo del reattore e dell’11,6% del costo della colonna di distillazione del metanolo, rispettivamente. Il processo di cavitazione ultrasonica riduce inoltre il costo di produzione del biodiesel grazie a una riduzione del 4% del consumo di olio di canola, a un minore investimento totale, a un consumo di sostanze chimiche inferiore del 2,2% e a un fabbisogno di servizi ausiliari inferiore del 23,8%. A differenza del processo con agitazione meccanica, il trattamento a ultrasuoni è un investimento accettabile grazie al valore attuale netto positivo, al tempo di recupero dell’investimento più breve e al tasso interno di rendimento più elevato. Oltre ai vantaggi tecnico-economici associati al processo di cavitazione ultrasonica, questo è più rispettoso dell’ambiente rispetto al processo di agitazione meccanica. La cavitazione ultrasonica determina una riduzione dell’80% dei flussi di rifiuti grazie alla maggiore conversione nel reattore e al minore consumo di alcol in questo processo. (cfr. Gholami et al., 2021)

Trasformate materie prime di scarsa qualità in biodiesel purissimo!

La sonicazione consente di trattare più efficacemente materie prime di scarsa qualità, come oli vegetali esausti, grassi di frittura usati, sego o oli di pesce, perché la cavitazione ultrasonica favorisce un contatto molto migliore tra le fasi immiscibili di olio e alcol, migliorando notevolmente la miscelazione e il trasferimento di calore e di massa. Accelera inoltre la cinetica di reazione, consentendo di convertire più rapidamente e completamente anche materie prime difficili da trattare e variabili.
La cavitazione acustica intensifica l’ambiente di reazione e può favorire la formazione di radicali altamente reattivi, sostenendo ulteriormente una transesterificazione rapida e aiutando a superare i consueti svantaggi di trattamento delle materie prime di bassa qualità.
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Utilizzate il catalizzatore che preferite

Il processo di transesterificazione a ultrasuoni per la produzione di biodiesel si è dimostrato efficiente sia con catalizzatori alcalini sia con catalizzatori basici. Ad esempio, Shinde e Kaliaguine (2019) hanno confrontato l’efficienza della miscelazione a ultrasuoni e della miscelazione meccanica a pale utilizzando diversi catalizzatori, ossia idrossido di sodio (NaOH), idrossido di potassio (KOH), (CH₃ONa), idrossido di tetrametilammonio e quattro guanidine (propil-2,3-dicicloesilguanidina (PCHG), 1,3-dicicloesil-2-n-octilguanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametilguanidina (TMG), 1,3-difenilguanidina (DPG)). La miscelazione a ultrasuoni (a 35º) si è dimostrata superiore per la produzione di biodiesel, superando la miscelazione meccanica (a 65º) grazie a rese e tassi di conversione più elevati. L’efficienza del trasferimento di massa nel campo ultrasonico ha aumentato la velocità della reazione di transesterificazione rispetto all’agitazione meccanica. La sonicazione ha superato l’agitazione meccanica per tutti i catalizzatori testati. Condurre la reazione di transesterificazione mediante cavitazione ultrasonica è un’alternativa efficiente dal punto di vista energetico e praticabile su scala industriale per la produzione di biodiesel. Oltre ai catalizzatori ampiamente utilizzati KOH e NaOH, entrambi i catalizzatori guanidinici, propil-2,3-dicicloesilguanidina (PCHG) e 1,3-dicicloesil-2-n-octilguanidina (DCOG), si sono dimostrati alternative interessanti per la conversione in biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) hanno studiato la sintesi di biodiesel da olio di palma assistita da ultrasuoni, utilizzando diversi catalizzatori a base di ossidi di metalli alcalini, come CaO, BaO e SrO. L’attività del catalizzatore nella sintesi di biodiesel assistita da ultrasuoni è stata confrontata con il tradizionale processo di agitazione magnetica ed è stato riscontrato che il processo a ultrasuoni raggiungeva una resa del 95,2% utilizzando BaO entro un tempo di reazione di 60 min, mentre il processo di agitazione convenzionale richiedeva 3–4 h. Per la transesterificazione assistita da ultrasuoni in condizioni ottimali, erano necessari 60 min per ottenere una resa del 95%, rispetto alle 2–4 h richieste con l’agitazione convenzionale. Inoltre, le rese ottenute con gli ultrasuoni in 60 min aumentavano dal 5,5% al 77,3% utilizzando CaO come catalizzatore, dal 48,2% al 95,2% utilizzando SrO come catalizzatore e dal 67,3% a 95,2 utilizzando BaO come catalizzatore.

Produzione di biodiesel utilizzando diverse guanidine (3% mol) come catalizzatore. (A) Reattore discontinuo con agitazione meccanica: (metanolo:olio di canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reattore discontinuo a ultrasuoni: sonicatore UP200St, (metanolo:olio di canola) 4:1, ampiezza US 60%, temperatura 35ºC. La miscelazione mediante ultrasuoni supera di gran lunga l’agitazione meccanica.
(Studio e grafici: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per un trattamento superiore del biodiesel

Hielscher Ultrasonics offre processori e reattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per migliorare la produzione di biodiesel, ottenendo rese più elevate, una migliore qualità, tempi di trattamento ridotti e costi di produzione inferiori.

Reattori per biodiesel su piccola e media scala

Per la produzione di biodiesel su piccola e media scala fino a 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher offre i modelli UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) e UIP2000hdT (2000 watts) di miscelatori a ultrasuoni ad alto taglio. Questi quattro reattori a ultrasuoni sono molto compatti e facili da integrare o aggiungere agli impianti esistenti. Sono costruiti per un funzionamento intensivo in ambienti difficili. Di seguito troverete le configurazioni di reattori consigliate per diverse capacità produttive.

Reattori industriali per biodiesel con capacità produttiva molto elevata

Per gli impianti industriali di produzione del biodiesel, Hielscher offre gli omogeneizzatori a ultrasuoni UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) ! Questi processori a ultrasuoni sono progettati per il trattamento continuo a portate elevate. UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 possono essere integrati in container standard per il trasporto marittimo. In alternativa, tutti e quattro i modelli di processori sono disponibili in armadi di acciaio inossidabile. L’installazione verticale richiede uno spazio minimo. Di seguito troverete le configurazioni consigliate per le tipiche capacità produttive industriali.