超音波改良(トランス)エステル化によるバイオディーゼル

バイオディーゼルは、塩基触媒を用いたエステル交換によって合成されます。しかし、遊離脂肪酸含有量の高い低品位廃野菜などの原料を使用する場合は、酸触媒を用いたエステル化の化学的前処理工程が必要となる。超音波処理およびその音響化学的および音響機械的効果は、両方の反応タイプに貢献し、バイオディーゼル変換の効率を劇的に向上させる。超音波バイオディーゼル生産は、従来のバイオディーゼル合成よりも大幅に速く、より高いバイオディーゼル収率と品質をもたらし、メタノールや触媒などの試薬を節約します。

パワー超音波を用いたバイオディーゼル変換

バイオディーゼルの場合、脂肪酸エステルは、植物油と動物性脂肪(獣脂など)のエステル交換によって生成されます。エステル交換反応中に、グリセロール成分はメタノールなどの別のアルコールに置換されます。廃植物油(WVO)など、遊離脂肪酸を多く含む原料は、石鹸の形成を避けるために酸エステル化の前処理が必要です。この酸触媒プロセスは、従来のバッチ法として実施された場合、非常に遅い反応です。遅いエステル化プロセスを加速するための解決策は、パワー超音波の適用です。超音波処理は、高出力超音波の音響化学的効果が酸触媒作用を促進し強化するにつれて、反応速度、変換およびバイオディーゼル収率の有意な改善を達成する。超音波キャビテーションは、音響機械的な力、すなわち高剪断混合、ならびに音響化学的エネルギーを提供する。これらの両方のタイプの超音波衝撃(ソノメカニカルおよびソノケミカル)は、酸触媒によるエステル化を、より少ない触媒を必要とする高速反応に変える。

超音波バイオディーゼル変換はどのように機能しますか?

エステル交換(アルコール分解とも呼ばれる)およびエステル化における異なる相間の超音波処理は、混合の強化ならびに熱および物質移動の増加に基づいている。超音波混合は、液体中の真空気泡の爆縮の結果として発生する音響キャビテーションの原理に基づいています。音響キャビテーションは、高いせん断力と乱流、および非常に高い圧力と温度差によって特徴付けられます。これらの力は、エステル交換/エステル化の化学反応を促進し、質量および熱移動を激化させ、それによってバイオディーゼル変換の反応を大幅に改善する。

超音波処理を用いたトリグリセリドのバイオディーゼル(FAME)へのエステル交換は、反応の加速および著しく高い効率をもたらす。

バイオディーゼル変換中の超音波の適用は、プロセス効率を向上させることが科学的および工業的に証明されています。プロセス効率の向上は、エネルギー消費と運用コストの削減、アルコール(メタノール)の使用量の削減、触媒の減少、反応時間の大幅な短縮に起因する可能性があります。外部暖房の必要がないため、暖房のエネルギーコストが排除されます。さらに、バイオディーゼルとグリセロールとの間の相分離は、相分離時間が短く、より簡単です。バイオディーゼル生産における超音波の商業的使用のための重要な要素は、任意のボリュームへの簡単なスケールアップ、信頼性と安全な操作だけでなく、超音波装置(工業規格、全負荷の下で連続的に24/7/365を動作させることができる)の堅牢性と信頼性です。

インラインバイオディーゼルエステルフィケーションおよびエステル交換のためのフローセルを備えた超音波産業用システム。

酸触媒および塩基触媒反応ステップを適用する超音波支援2ステップバイオディーゼル変換

FFA含有量の高い原料の場合、バイオディーゼル生産は、2段階のプロセスで酸または塩基触媒反応として行われます。超音波は、酸触媒エステル化と塩基触媒エステル交換の2つのタイプの反応に寄与します。

超音波を用いた酸触媒エステル化

原料中の過剰な遊離脂肪酸を処理するためには、エステル化のプロセスが必要です。酸触媒としては、一般的に硫酸が使用されています。

• 汚染物質や水からろ過および精製することにより、原料を調製します。
• 触媒、すなわち硫酸をメタノールに溶解します。触媒/メタノールと原料を熱交換器とスタティックミキサーに通して供給し、粗のプレミックスを得る。
• 触媒と原料のプレミックスは、超音波反応チャンバーに直接入り、そこで超微細混合とソノケミストリーが効果を発揮し、遊離脂肪酸がバイオディーゼルに変換されます。
• 最後に、製品を脱水し、第2段階である超音波エステル交換に供給します。酸性湿式メタノールは、回収、乾燥、中和後、再利用の準備ができています。
• FFAを含む原料が非常に高い場合は、エステル交換ステップの前にFFAを妥当なレベルまで下げるために、再循環のセットアップが必要になる場合があります。

酸触媒を用いたエステル化反応:
FFA+アルコール→エステル+水

超音波を用いた塩基触媒によるエステル交換反応

現在、FFAは少量しか含まれていない原料は、エステル交換段階に直接供給することができます。最も一般的には、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム(NaOH、KOH)が塩基触媒として使用されます。

• 触媒、すなわち水酸化カリウムをメタノールに溶解し、触媒/メタノールおよび前処理された原料の流れをスタティックミキサーに通して、粗プレミックスを得る。
• プレミックスを超音波反応チャンバーに直接供給し、キャビテーション高せん断混合と音響化学処理を行います。この反応の生成物は、アルキルエステル(すなわち、バイオディーゼル)およびグリセリンである。グリセリンは、セトリングアウトまたは遠心分離によって分離することができます。
• 超音波で製造されたバイオディーゼルは、高品質で、メタノールと触媒を節約することにより、高速、エネルギー効率、コスト効率で製造されています。

塩基触媒を用いたエステル交換反応:
油脂+アルコール→バイオディーゼル+グリセリン

メタノール使用 & メタノール回収

メタノールは、バイオディーゼル生産における重要な成分です。超音波駆動のバイオディーゼル変換により、メタノールの使用を大幅に削減することができます。「メタノールの使用は気にしない、とにかく回収するから」と思っているなら、メタノールを分離してリサイクルするために必要な蒸発ステップ(蒸留塔の使用など)に適用される法外な高エネルギーコストを再考し、検討するかもしれません。
メタノールは通常、バイオディーゼルとグリセリンが2つの層に分離された後に除去され、反応の逆転を防ぎます。その後、メタノールは洗浄され、プロセスの開始点までリサイクルされます。超音波駆動のエステル化とエステル交換によってバイオディーゼルを生産すると、メタノールの使用量を劇的に減らすことができ、それによりメタノール回収のための法外な高エネルギー消費を削減することができます。ヒールシャー超音波反応器の使用は、必要量の過剰なメタノールを最大50%削減します。ヒールシャー超音波混合を使用する場合、1:4または1:4.5(油:メタノール)の間のモル比は、ほとんどの原料に十分です。

超音波増加バイオディーゼル変換効率 – 科学的に証明されています

多数の研究者グループがバイオディーゼルの超音波エステル交換のメカニズムと効果を調査しています。例えば、Sebayan Darwinの研究チームは、超音波キャビテーションが化学活性と反応速度を増加させ、その結果、エステル形成が大幅に増加したことを実証しました。超音波技術により、エステル交換反応時間が5分に短縮されました – 機械的な攪拌処理には2時間かかるのに対し、超音波下でのトリグリセリド(TG)のFAMEへの変換は、触媒として6:1および1%wtの水酸化ナトリウムおよび1%wtのメタノールと油モル比で95.6929%wtを得た。(cf. Darwin et al. 2010)

バイオディーゼル処理のための中型および大規模超音波装置

Hielscher Ultrasonics’ 小規模から中規模、および大規模な産業用超音波プロセッサを供給し、あらゆる量でバイオディーゼルを効率的に生産します。任意の規模で超音波システムを提供し、ヒールシャーは、小規模生産者と大企業の両方に理想的なソリューションを提供することができます。超音波バイオディーゼル変換は、バッチまたは連続インラインプロセスとして操作することができます。設置と操作は簡単で安全で、優れたバイオディーゼル品質の信頼性の高い高出力を提供します。
以下に、さまざまな生産速度で推奨されるリアクターのセットアップを示します。