Produzione di biodiesel con un'efficienza di processo e di costo superiore

La miscelazione a ultrasuoni è la tecnologia superiore per una produzione di biodiesel altamente efficiente ed economica. La cavitazione a ultrasuoni migliora drasticamente il trasferimento di massa, riducendo così i costi di produzione e la durata del processo. Allo stesso tempo, è possibile utilizzare oli e grassi di scarsa qualità (ad esempio, oli di scarto) e migliorare la qualità del biodiesel. Hielscher Ultrasonics fornisce reattori di miscelazione a ultrasuoni robusti e ad alte prestazioni per qualsiasi scala di produzione. Per saperne di più su come la vostra produzione di biodiesel trarrà vantaggio dalla sonicazione!

Vantaggi della produzione di biodiesel con gli ultrasuoni

Il biodiesel (estere metilico degli acidi grassi, abrev. FAME) è il prodotto di una reazione di transesterificazione di materie prime lipidiche (trigliceridi, ad es. olio vegetale, oli da cucina esausti, grassi animali, olio algale) e alcol (metanolo, etanolo) utilizzando un catalizzatore (ad es. idrossido di potassio KOH).
Il problema: Nella conversione convenzionale del biodiesel mediante agitazione convenzionale, la natura immiscibile di entrambi i reagenti della reazione di transesterificazione dell'olio e dell'alcol porta a una scarsa velocità di trasferimento di massa, con conseguente inefficienza nella produzione di biodiesel. Questa inefficienza è caratterizzata da lunghi tempi di reazione, rapporti molari metanolo-olio più elevati, alti requisiti di catalizzatori, 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 da migliorare il rapporto olio-metanolo, ridurre i requisiti dei catalizzatori, i tempi e le temperature di reazione. In questo modo si risparmiano risorse (cioè sostanze chimiche ed energia) e tempo, si riducono i costi di lavorazione e si migliorano significativamente la qualità del biodiesel e la redditività della produzione. Questi fatti fanno della 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 economico per produrre biodiesel, anche quando si utilizzano oli e grassi di scarsa qualità come materia prima. L'intensificazione del processo a ultrasuoni migliora notevolmente il tasso di conversione riducendo l'uso di metanolo e catalizzatore in eccesso, consentendo di produrre biodiesel conforme agli standard qualitativi delle specifiche ASTM D6751 e 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 e in impianti di biodiesel già 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 impianto in un impianto di biodiesel altamente efficiente. Di seguito, vi presentiamo i risultati scientificamente provati dei vantaggi documentati da terze parti indipendenti. I numeri dimostrano la superiorità della miscelazione del biodiesel a ultrasuoni 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.

Efficienza e costi a confronto: Ultrasuoni vs agitazione meccanica

Gholami et al. (2021) presentano nel loro studio comparativo i vantaggi della transesterificazione a ultrasuoni rispetto all'agitazione meccanica (cioè, miscelatore a pale, girante, miscelatore ad alto taglio).
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. 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 notevolmente il costo del reattore. (cfr. Gholami et al., 2020)
Costi di elaborazione: I costi di lavorazione per la produzione di biodiesel con ultrasuoni sono inferiori del 7,7% rispetto a quelli del processo di agitazione, soprattutto a causa del minore investimento totale per il processo di sonicazione. Il costo dei prodotti chimici (catalizzatore, metanolo/alcool) è il terzo fattore di costo in entrambi i processi, sonicazione e agitazione meccanica. Tuttavia, per la conversione del biodiesel a ultrasuoni i costi dei prodotti chimici sono significativamente più bassi rispetto a quelli dell'agitazione meccanica. La frazione di costo per i prodotti chimici rappresenta circa il 5% del costo finale del biodiesel. Grazie al minor consumo di metanolo, idrossido di sodio e acido fosforico, il costo dei prodotti chimici nel processo di biodiesel a ultrasuoni è inferiore del 2,2% rispetto al 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 il prodotto dell'intensa micro-miscelazione e del tempo di reazione ridotto, risultante 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 energetico per le fasi di recupero del metanolo e di purificazione del biodiesel durante il processo di miscelazione a ultrasuoni si riduce rispettivamente del 26,5% e dell'1,3%. Questa riduzione è dovuta alle minori quantità di metanolo che entrano in queste due colonne di distillazione nel processo di transesterificazione a ultrasuoni.
Costi di smaltimento dei rifiuti: La tecnologia della cavitazione a ultrasuoni riduce notevolmente anche il costo dello smaltimento dei rifiuti. Il costo del processo di sonicazione è circa un quinto di quello del processo di agitazione, grazie alla significativa riduzione della produzione di rifiuti dovuta alla maggiore conversione del reattore e alla minore quantità di alcol consumato.
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Rispetto dell'ambiente: Grazie all'elevatissima efficienza complessiva, al ridotto consumo di sostanze chimiche, ai minori requisiti energetici e alla riduzione degli scarti, la produzione di biodiesel a ultrasuoni è decisamente più rispettosa dell'ambiente rispetto ai processi di produzione di biodiesel convenzionali.

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 della lavorazione del biodiesel con gli ultrasuoni includono l'investimento totale di capitale, il costo totale del prodotto, il valore attuale netto e il tasso di rendimento interno. 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 consente di lavorare anche oli esausti (ad esempio, oli da cucina usati), i costi di produzione possono essere ulteriormente ridotti. Gholami et al. (2021) giungono alla conclusione che, grazie a un valore attuale netto positivo, il processo di cavitazione a ultrasuoni è la scelta migliore della tecnologia di miscelazione per la produzione di biodiesel.
Dal punto di vista tecnico, gli effetti più importanti della cavitazione a ultrasuoni riguardano la notevole efficienza del processo e la riduzione dei tempi di reazione. La formazione e il collasso di numerose bolle di vuoto – nota come cavitazione acustica / ultrasonica – ridurre il tempo di reazione da diverse ore nel reattore a vasca agitata a pochi secondi nel reattore a cavitazione ultrasonica. Questo breve tempo di permanenza consente la produzione di biodiesel in un reattore a flusso continuo con un ingombro ridotto. Il reattore a cavitazione ultrasonica mostra anche effetti benefici sui requisiti energetici e di materiale, riducendo il consumo di energia a quasi un terzo di quello di 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, soprattutto grazie alla riduzione di quasi il 50% e dell'11,6% del costo del reattore e della colonna di distillazione del metanolo, rispettivamente. Il processo di cavitazione a ultrasuoni riduce anche i costi di produzione del biodiesel grazie a una riduzione del 4% del consumo di olio di colza, a un investimento totale inferiore, a una riduzione del 2,2% del consumo di sostanze chimiche e a una riduzione del 23,8% del fabbisogno di energia. A differenza del processo di agitazione meccanica, il processo a ultrasuoni è un investimento accettabile grazie al suo valore attuale netto positivo, al tempo di recupero più breve e a un tasso di rendimento interno più elevato. Oltre ai vantaggi tecno-economici associati al processo di cavitazione a ultrasuoni, esso è più rispettoso dell'ambiente rispetto al processo di agitazione meccanica. La cavitazione a ultrasuoni comporta 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)

Utilizzate il catalizzatore di vostra scelta

Il processo di transesterificazione ad ultrasuoni del biodiesel si è dimostrato efficiente utilizzando sia catalizzatori alcalini che basici. Ad esempio, Shinde e Kaliaguine (2019) hanno confrontato l'efficienza della miscelazione a ultrasuoni e a lama tecnica utilizzando diversi catalizzatori, ovvero idrossido di sodio (NaOH), idrossido di potassio (KOH), (CH₃ONa), idrossido di ammonio tetrametilico e quattro guanidine (propil-2,3-dicicloesil guanidina (PCHG), 1,3-dicicloesil 2 n-ottil guanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidina (TMG), 1,3-difenil guanidina (DPG)). La miscelazione a ultrasuoni (a 35º) si è dimostrata superiore per la produzione di biodiesel, superando la miscelazione meccanica (a 65º) con rese e tassi di conversione più elevati. L'efficienza del trasferimento di massa nel campo degli ultrasuoni ha aumentato la velocità della 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 a ultrasuoni 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 a base di guanidina, la propil-2,3 dicicloesilguanidina (PCHG) e la 1,3-dicicloesil 2 n-ottilguanidina (DCOG), sono stati indicati come alternative interessanti per la conversione del 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 del biodiesel assistita dagli ultrasuoni è stata confrontata con il tradizionale processo di agitazione magnetica ed è emerso che il processo ad ultrasuoni ha mostrato un rendimento del 95,2% utilizzando BaO in un tempo di reazione di 60 minuti, 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 una resa del 95% rispetto alle 2-4 ore del processo di agitazione tradizionale. Inoltre, le rese ottenute con gli ultrasuoni in 60 minuti sono aumentate dal 5,5% al 77,3% utilizzando CaO come catalizzatore, dal 48,2% al 95,2% utilizzando SrO come catalizzatore e dal 67,3% al 95,2 utilizzando BaO come catalizzatore.

Produzione di biodiesel utilizzando varie guanidine (3% mol) come catalizzatore. (A) Reattore batch ad agitazione meccanica: (metanolo:olio di canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reattore batch a ultrasuoni: ultrasuonatore 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, ottenendo rese più elevate, una migliore qualità, tempi di lavorazione ridotti e costi di produzione inferiori.

Reattori di biodiesel su piccola e media scala

Per la produzione di biodiesel di piccole e medie dimensioni, fino a 9 tonnellate/ora (2900 gal/ora), Hielscher vi offre il UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt), e UIP2000hdT (2000 watt) modelli di miscelatori a ultrasuoni ad alto taglio. Questi quattro reattori a ultrasuoni sono molto compatti, facili da integrare o da montare in un secondo momento. Sono costruiti per un funzionamento intensivo in ambienti difficili. Di seguito sono riportate le configurazioni dei reattori consigliate per una serie di tassi di produzione.

Reattori industriali per biodiesel di grandissima portata

Per gli impianti di produzione di biodiesel per la lavorazione industriale Hielscher offre la UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) omogeneizzatori a ultrasuoni! Questi processori a ultrasuoni sono progettati per il trattamento continuo di portate elevate. I modelli UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 possono essere integrati in container marittimi standard. In alternativa, tutti e quattro i modelli di processore sono disponibili in armadi di acciaio inossidabile. Un'installazione verticale richiede uno spazio minimo. Di seguito sono riportate le configurazioni consigliate per le tipiche velocità di elaborazione industriale.