超音波で改善したエステル化・エステル交換によるバイオディーゼル製造

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。ただし、遊離脂肪酸含有量の高い低品質の廃植物油などを原料として使用する場合、酸触媒を用いたエステル化による化学的前処理工程が必要です。超音波処理とその音響化学的効果および音響機械的効果は、両方の反応に寄与し、バイオディーゼルへの変換効率を大幅に高めます。超音波によるバイオディーゼル製造は、従来のバイオディーゼル合成に比べて大幅に速く、バイオディーゼルの収率と品質が向上し、メタノールや触媒などの試薬を節約できます。

高出力超音波によるバイオディーゼルへの変換

バイオディーゼル用の脂肪酸エステルは、植物油や動物性脂肪（例えば獣脂）のエステル交換によって生成されます。エステル交換反応では、グリセロール成分がメタノールなどの別のアルコールに置き換わります。廃植物油（WVO）など、遊離脂肪酸含有量の高い原料には、石けんの生成を防ぐために酸によるエステル化の前処理が必要です。この酸触媒プロセスは、従来のバッチ法で実施すると非常に遅い反応です。この遅いエステル化プロセスを加速するための解決策が、高出力超音波の適用です。高出力超音波の音響化学的効果が酸触媒反応を促進・強化するため、超音波処理によって反応速度、変換率、バイオディーゼル収率が大幅に向上します。超音波キャビテーションは、音響化学的エネルギーに加え、高せん断混合という音響機械的な力をもたらします。これら両方の超音波作用（音響機械的作用と音響化学的作用）により、酸触媒エステル化は、必要な触媒量が少ない高速な反応になります。

超音波によるバイオディーゼルへの変換の仕組み

エステル交換（アルコリシスとも呼ばれることがあります）およびエステル化における異なる相の間での超音波処理は、混合の強化と熱・物質移動の増大に基づいています。超音波混合は、液体中の真空気泡の圧壊によって生じ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、そして非常に大きな圧力差と温度差を特徴とします。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、物質移動と熱移動を強化することで、バイオディーゼルへの変換反応を大幅に改善します。

超音波処理を用いてトリグリセリドをバイオディーゼル（FAME）にエステル交換すると、反応が加速し、効率が大幅に向上します。

バイオディーゼルへの変換に超音波を適用するとプロセス効率が向上することは、科学的にも産業的にも実証されています。このプロセス効率の向上は、エネルギー消費量と運転コストの削減、アルコール（すなわちメタノール）の使用量の削減、触媒量の低減、反応時間の大幅な短縮によるものです。外部からの加熱が不要なため、加熱用のエネルギーコストがなくなります。また、バイオディーゼルとグリセロールの相分離が容易になり、相分離に要する時間も短縮されます。バイオディーゼル製造に超音波を商業利用するうえで重要な要素は、あらゆる容量への容易なスケールアップ、信頼性の高い安全な運転、そして超音波装置の堅牢性と信頼性です（産業用規格に準拠し、全負荷で24/7/365の連続運転が可能）。

バイオディーゼルのインラインエステル化およびエステル交換用フローセルを備えた産業用超音波システム。

酸触媒および塩基触媒の反応工程を用いた、超音波支援による二段階のバイオディーゼルへの変換

FFA含有量の高い原料では、バイオディーゼル製造は、酸触媒または塩基触媒による反応として二段階のプロセスで行われます。超音波は、酸触媒エステル化と塩基触媒エステル交換の両方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には、エステル化プロセスが必要です。酸触媒には一般的に硫酸が使用されます。

• ろ過と精製によって不純物と水を除去し、原料を調製します。
• 触媒である硫酸をメタノールに溶解します。触媒 / メタノールの流れと原料を熱交換器およびスタティックミキサーに通し、粗予備混合物を得ます。
• 触媒と原料の予備混合物は、超音波反応チャンバーへ直接送られます。そこで極めて微細な混合と音響化学作用が働き、遊離脂肪酸がバイオディーゼルに変換されます。
• 最後に、生成物を脱水し、第二段階である超音波エステル交換へ送ります。水分を含む酸性メタノールは、回収、乾燥、中和後に再利用できます。
• FFA含有量が非常に高い原料では、エステル交換工程の前にFFAを適切な水準まで低減するため、再循環構成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
 

超音波によって改善されるFFAの酸触媒エステル化について、詳しくはこちらをご覧ください。
 
 

超音波を用いた塩基触媒エステル交換

FFAが少量しか残っていない原料は、エステル交換段階へ直接供給できます。塩基触媒として最も一般的に使用されるのは、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム（NaOH, KOH）です。

• 触媒である水酸化カリウムをメタノールに溶解し、触媒 / メタノールの流れと前処理済みの原料をスタティックミキサーに通して、粗予備混合物を得ます。
• 予備混合物を超音波反応チャンバーへ直接供給し、キャビテーションによる高せん断混合と音響化学的処理を行います。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）とグリセリンです。グリセリンは、静置分離または遠心分離によって分離できます。
• 超音波によって製造される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、迅速かつエネルギー効率とコスト効率に優れた方法で製造されます。

塩基触媒を用いたエステル交換反応：
油 / 脂肪 + アルコール → バイオディーゼル + グリセロール

メタノールの使用と回収

メタノールは、バイオディーゼル製造における主要成分です。超音波によるバイオディーゼルへの変換では、メタノールの使用量を大幅に削減できます。「どうせ回収するので、メタノールの使用量は気にしない」とお考えなら、メタノールの分離と再利用に必要な蒸発工程（例えば蒸留塔を使用する工程）で発生する、極めて高いエネルギーコストを考慮して、見直したほうがよいかもしれません。
メタノールは通常、バイオディーゼルとグリセリンが二層に分離した後に除去され、反応の逆行を防ぎます。その後、メタノールを精製してプロセスの開始段階へ戻し、再利用します。超音波によるエステル化とエステル交換でバイオディーゼルを製造すると、メタノール使用量を劇的に削減でき、その結果、メタノール回収に必要な極めて高いエネルギー支出を抑えられます。Hielscherの超音波反応器を使用すると、必要な過剰メタノール量を最大50%削減できます。Hielscherの超音波混合を使用する場合、ほとんどの原料では1:4–1:4.5のモル比（油 : メタノール）で十分です。

超音波によるバイオディーゼル変換効率の向上 – 科学的に実証済み

多数の研究グループが、バイオディーゼルの超音波エステル交換の機構と効果を調査してきました。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的活性と反応速度を高め、エステル生成量を大幅に増加させることを実証しました。超音波技術によって、エステル交換の反応時間は、機械撹拌による処理の2時間に対し、5分に短縮されました。メタノール対油のモル比を6:1とし、触媒として1%wtの水酸化ナトリウムを使用した超音波処理では、トリグリセリド（TG）からFAMEへの変換は95.6929%wtに達しました。（参照：Darwin et al. 2010）

バイオディーゼル処理用の中規模および大規模超音波装置

Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる容量でバイオディーゼルを効率的に製造するため、小規模から中規模、さらに大規模な産業用超音波プロセッサーを供給しています。あらゆる規模の超音波システムを提供するHielscherは、小規模な生産者にも大企業にも理想的なソリューションを提供できます。超音波によるバイオディーゼルへの変換は、バッチプロセスとしても連続インラインプロセスとしても運転できます。設置と運転は簡単かつ安全で、優れた品質のバイオディーゼルを安定して大量に生産できます。
以下に、さまざまな生産速度に対して推奨される反応器構成を示します。