La miscelazione a ultrasuoni è la tecnologia superiore per una produzione di biodiesel altamente efficiente e conveniente. La cavitazione ultrasonica migliora drasticamente il trasferimento di massa, riducendo così i costi di produzione e la durata della lavorazione. Allo stesso tempo, è possibile utilizzare oli e grassi di scarsa qualità (ad es. oli usati) e migliorare la qualità del biodiesel. Hielscher Ultrasonics fornisce reattori di miscelazione a ultrasuoni robusti e ad alte prestazioni per qualsiasi scala di produzione. Leggete come la vostra produzione di biodiesel beneficerà della sonicazione!

Vantaggi della produzione di biodiesel utilizzando gli ultrasuoni

Il biodiesel (estere metilico di acidi grassi, abrev. FAME) è il prodotto di una reazione di transesterificazione della materia prima lipidica (trigliceridi, ad esempio, olio vegetale, oli da cucina esausti, grassi animali, olio algale) e dell'alcol (metanolo, etanolo) utilizzando un catalizzatore (ad esempio, idrossido di potassio KOH).
Il problema: Nella conversione convenzionale del biodiesel utilizzando l'agitazione convenzionale, la natura immiscibile di entrambi i reagenti della reazione di transesterificazione del petrolio e dell'alcool porta ad una scarsa velocità di trasferimento di massa con conseguente produzione inefficiente di biodiesel. Questa inefficienza è caratterizzata da lunghi tempi di reazione, rapporti molari metanolo-olio più alti, requisiti elevati del catalizzatore, alte temperature di processo e alte velocità di agitazione. Questi fattori sono fattori di costo significativi che rendono 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, in modo che il rapporto olio-metanolo possa essere migliorato, i requisiti del catalizzatore siano ridotti, il tempo di reazione e la temperatura di reazione siano abbassati. In questo modo, si risparmiano risorse (cioè, prodotti chimici ed energia) e tempo, si riducono i costi di lavorazione, mentre la qualità del biodiesel e la redditività della produzione vengono notevolmente migliorate. Questi fatti trasformano la miscelazione a ultrasuoni nella tecnologia preferita per un'efficace produzione di biodiesel.
La ricerca e i produttori industriali di biodiesel confermano che la miscelazione a ultrasuoni è un modo molto conveniente per produrre biodiesel, anche quando si usano oli e grassi di scarsa qualità come materia prima. L'intensificazione del processo ad ultrasuoni migliora notevolmente il tasso di conversione riducendo l'uso di metanolo e catalizzatore in eccesso, permettendo di produrre biodiesel che soddisfa lo standard di qualità delle specifiche ASTM D6751 e EN 14212. (cfr. Abdullah et al., 2015)

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

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 montati a posteriori in 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. L'installazione semplice, la robustezza e la facilità d'uso (non è necessaria una formazione specifica per il funzionamento) consentono di trasformare qualsiasi impianto in un impianto di biodiesel altamente efficiente. Di seguito, vi presentiamo i risultati scientificamente provati dei vantaggi documentati da terzi indipendenti. I numeri dimostrano la superiorità della miscelazione ultrasonica del biodiesel rispetto a qualsiasi tecnica di agitazione convenzionale.

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

Confronto di efficienza e costi: Ultrasuoni contro agitazione meccanica

Gholami et al. (2021) presentano nel loro studio comparativo i vantaggi della transesterificazione ad ultrasuoni rispetto all'agitazione meccanica (cioè, miscelatore a pale, girante, miscelatore ad alto taglio).
Costi di investimento: Il processore a ultrasuoni e il reattore UIP16000 possono produrre 192-384 t di biodiesel/g con un ingombro di soli 1,2m x 0,6m. In confronto, per l'agitazione meccanica (MS) è necessario un reattore molto più grande a causa del lungo tempo di reazione nel processo di agitazione meccanica, che fa aumentare significativamente il costo del reattore. (cfr. Gholami et al., 2020)
Costi di elaborazione: I costi di lavorazione per la produzione di biodiesel ad ultrasuoni sono inferiori del 7,7% rispetto a quelli del processo di agitazione, principalmente a causa del minore investimento totale per il processo di sonicazione. Il costo dei prodotti chimici (catalizzatore, metanolo/alcool) è il terzo più grande fattore di costo in entrambi i processi, sonicazione e agitazione meccanica. Tuttavia, per la conversione ultrasonica del biodiesel i costi per i prodotti chimici sono significativamente inferiori a quelli dell'agitazione meccanica. La frazione di costo per i prodotti chimici rappresenta circa il 5% del costo finale del biodiesel. A causa del minor consumo di metanolo, idrossido di sodio e acido fosforico, il costo dei prodotti chimici nel processo di biodiesel ad ultrasuoni è del 2,2% inferiore a quello del processo di agitazione meccanica.
Costi energetici: L'energia consumata dal reattore di miscelazione a ultrasuoni è circa tre volte inferiore a quella dell'agitatore meccanico. Questa notevole riduzione del consumo energetico è un prodotto dell'intensa micro-miscelazione e del ridotto tempo di reazione, derivante dalla produzione e dal collasso di innumerevoli cavità, che caratterizzano il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica (Gholami et al., 2018). Inoltre, rispetto all'agitatore convenzionale, il consumo di energia per le fasi di recupero del metanolo e di purificazione del biodiesel durante il processo di miscelazione ultrasonica è ridotto rispettivamente del 26,5% e del 1,3%. Questo calo è dovuto alle minori quantità di metanolo che entrano in queste due colonne di distillazione nel processo di transesterificazione ultrasonica.
Costi di smaltimento dei rifiuti: La tecnologia della cavitazione a ultrasuoni riduce anche notevolmente il costo dello smaltimento dei rifiuti. Questo costo nel processo di sonicazione è all'incirca un quinto di quello del processo di agitazione, derivante dalla significativa diminuzione della produzione di rifiuti dovuta alla maggiore conversione del reattore e alla minore quantità di alcol consumato.
Rispetto per l'ambiente: Grazie all'efficienza complessiva molto alta, al consumo ridotto di prodotti chimici, al minore fabbisogno di energia e alla riduzione dei rifiuti, la produzione di biodiesel a ultrasuoni è molto 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 per la produzione di biodiesel. I vantaggi del processo di biodiesel ad ultrasuoni includono l'investimento totale di capitale, il costo totale del prodotto, il valore attuale netto e il tasso interno di rendimento. L'importo dell'investimento totale nel processo di cavitazione a ultrasuoni è risultato inferiore a quello degli altri di circa il 20,8%. L'uso di reattori a ultrasuoni ha ridotto i costi del prodotto del 5,2%. – utilizzando olio di canola vergine. Poiché la sonicazione permette di trattare anche oli esausti (per esempio, oli da cucina usati), i costi di produzione possono essere ridotti ulteriormente in modo significativo. Gholami et al. (2021) giungono alla conclusione che a causa di un valore attuale netto positivo, il processo di cavitazione ultrasonica è la scelta migliore della 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 a vuoto – noto come cavitazione acustica / ultrasonica – riducono il tempo di reazione da diverse ore nel reattore a vasca agitata a pochi secondi nel reattore a cavitazione ultrasonica. Questo breve tempo di residenza permette la produzione di biodiesel in un reattore flow-through con un ingombro ridotto. Il reattore a cavitazione ultrasonica mostra anche effetti benefici sui requisiti energetici e materiali, riducendo il consumo di energia a quasi un terzo di quello consumato da un reattore a vasca agitata e il consumo di metanolo e catalizzatore del 25%.
Dal punto di vista economico, l'investimento totale del processo di cavitazione ultrasonica è inferiore a quello del processo di agitazione meccanica, principalmente a causa della riduzione di quasi il 50% e dell'11,6% del costo del reattore e del costo della colonna di distillazione del metanolo, rispettivamente. Il processo di cavitazione a ultrasuoni riduce anche il costo di produzione del biodiesel grazie a una riduzione del 4% del consumo di olio di canola, un investimento totale inferiore, un consumo di prodotti chimici inferiore del 2,2% e un fabbisogno di servizi inferiore del 23,8%. A differenza del processo ad agitazione meccanica, il processo ad ultrasuoni è un investimento accettabile grazie al suo valore attuale netto positivo, al tempo di recupero più breve e ad un tasso di rendimento interno più elevato. Oltre ai vantaggi tecno-economici associati al processo di cavitazione ultrasonica, è più ecologico del processo di agitazione meccanica. La cavitazione ultrasonica porta a una riduzione dell'80% dei flussi di rifiuti grazie alla maggiore conversione nel reattore e al ridotto consumo di alcol in questo processo. (cfr. Gholami et al., 2021)

Usa il catalizzatore di tua scelta

Il processo di transesterificazione a ultrasuoni del biodiesel si è dimostrato efficiente usando sia catalizzatori alcalini che basici. Per esempio, Shinde e Kaliaguine (2019) hanno confrontato l'efficienza della miscelazione ultrasonica e della lama tecnica usando vari catalizzatori, cioè idrossido di sodio (NaOH), idrossido di potassio (KOH), (CH₃ONa), idrossido di ammonio tetrametilico e quattro guanidine (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)). La miscelazione a ultrasuoni (a 35º) si è dimostrata superiore per la produzione di biodiesel, superando la miscelazione meccanica (a 65º) con rendimenti e tasso di conversione più alti. L'efficienza del trasferimento di massa nel campo degli ultrasuoni ha migliorato il tasso di reazione di transesterificazione rispetto all'agitazione meccanica. La sonicazione ha superato l'agitazione meccanica per tutti i catalizzatori testati. L'esecuzione della reazione di transesterificazione con la cavitazione ultrasonica è un'alternativa efficiente dal punto di vista energetico e industrialmente valida per la produzione di biodiesel. Oltre ai catalizzatori ampiamente utilizzati KOH e NaOH, entrambi i catalizzatori di guanidina, propil-2,3 dicloesilguanidina (PCHG) e 1,3-dicicloesil 2 n-ottilguanidina (DCOG), sono stati mostrati come interessanti altrnativi per la conversione del biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) hanno studiato la sintesi di biodiesel assistita da ultrasuoni dall'olio di palma utilizzando diversi catalizzatori di ossidi metallici alcalini come CaO, BaO e SrO. L'attività del catalizzatore nella sintesi di biodiesel assistita dagli ultrasuoni è stata confrontata con il tradizionale processo di agitazione magnetica, ed è stato riscontrato che il processo ultrasonico ha mostrato il 95,2% di resa usando BaO entro 60 minuti di reazione, che altrimenti richiede 3-4 ore nel processo di agitazione convenzionale. Per la transesterificazione assistita da ultrasuoni in condizioni ottimali, sono stati necessari 60 minuti per ottenere un rendimento del 95% rispetto a 2-4 h con l'agitazione convenzionale. Inoltre, i rendimenti ottenuti con gli ultrasuoni in 60 min sono aumentati dal 5,5% al 77,3% usando CaO come catalizzatore, dal 48,2% al 95,2% usando SrO come catalizzatore, e dal 67,3% al 95,2 usando BaO come catalizzatore.

Produzione di biodiesel usando varie guanidine (3% mol) come catalizzatore. (A) Reattore batch ad agitazione meccanica: (metanolo:olio di canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reattore batch ad ultrasuoni: ultrasuoni UP200St, (metanolo:olio di canola) 4:1, ampiezza US 60%, temperatura 35ºC. La miscelazione guidata dagli ultrasuoni supera di gran lunga l'agitazione meccanica.
(Studio e grafici: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per una lavorazione superiore del biodiesel

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

Reattori biodiesel di piccole e medie dimensioni

Per una produzione di biodiesel di piccole e medie dimensioni fino a 9 t/h (2900 gal/h), Hielscher vi offre i seguenti vantaggi UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt)e UIP2000hdT (2000 watt) modelli di miscelatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio. Questi quattro reattori a ultrasuoni sono molto compatti, facili da integrare o da installare successivamente. Sono costruiti per un funzionamento pesante in ambienti difficili. Di seguito troverete le configurazioni del reattore consigliate per una gamma di tassi di produzione.

Reattori industriali di biodiesel di grande portata

Per la lavorazione industriale di impianti di produzione di biodiesel Hielscher offre il UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) omogeneizzatori a ultrasuoni! Questi processori a ultrasuoni sono progettati per la lavorazione continua di flussi elevati. I modelli UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 possono essere integrati in container marittimi standard. In alternativa, tutti e quattro i modelli di processori sono disponibili in armadi di acciaio inossidabile. Un'installazione verticale richiede uno spazio minimo. Qui sotto trovate le configurazioni consigliate per i tassi di lavorazione industriali tipici.