超音波改善(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、基触媒を用いたエステル交換を介して合成される。しかし、遊離脂肪酸含有量の高い低品位の廃野菜などの原料が使用される場合には、酸触媒剤を用いたエステル化の化学的前処理工程が必要となる。超音波処理とそのソノケミカルおよびソノメカ効果は、両方の反応タイプに寄与し、劇的にバイオディーゼル変換の効率を高めます。超音波バイオディーゼルの生産は、従来のバイオディーゼル合成よりも大幅に高速であり、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保存します。

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のエステル交換と動物性脂肪(例えば、タロー)によって生成されます。エステル交換反応の間、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き換えられる。遊離脂肪酸の含有量が高い原料、例えば廃植物油(WVO)は、石鹸形成を避けるために酸エステル化の前処理を必要とする。この酸触媒処理は、非常に遅い反応であり、従来のバッチ法として行う場合である。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ある。超音波処理は、高出力超音波の超音波の超音波効果が促進し、酸触媒を強化するように反応速度、変換およびバイオディーゼル収量の大幅な改善を達成する。超音波キャビテーションは、ソノメカニカルな力、すなわち高剪断混合、ならびにソノケミカルエネルギーを提供します。これらの超音波衝撃(ソノメカニカルおよびソノケミカル)の両方のタイプは、酸触媒エステル化を、より少ない触媒を必要とする速い反応に変えます。

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3x UIP1000hdT ultrasonicators for highly efficient biodiesel transesterification

超音波混合は、バイオディーゼル変換速度を向上させ、収量を増加させ、過剰なメタノールと触媒を節約します。写真は3xのインストールを示しています UIP1000hdT インライン処理のための(各1kW超音波パワー)。

Ultrasonic transesterification improves biodiesel conversion.

加速反応と大幅に高い効率で超音波処理を使用してバイオディーゼル(FAME)にトリグリセリドのエステル交換。

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(アルコール性とも呼ばれることもある)とエステル化の異なる相間の超音波処理は、混合の増強に基づくだけでなく、熱および物質移動の増加に基づいています。超音波混合は、液体中の真空気泡を爆発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、高剪断力と乱流、ならびに非常に高い圧力および温度差の特徴である。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、質量および熱伝達を激化させ、バイオディーゼル変換の反応を大幅に改善する。
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ために科学的かつ工業的に証明されています。プロセス効率の改善は、エネルギー消費と運転コストの削減、およびアルコール(すなわちメタノール)の使用の減少、触媒の減少、および反応時間の大幅短縮に起因する可能性がある。外部加熱の要件がないため、加熱のためのエネルギーコストが不要です。さらに、バイオディーゼルとグリセロールの相分離は、より短い相分離時間で簡単です。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因は、任意のボリューム、信頼性と安全な操作だけでなく、超音波機器の堅牢性と信頼性(工業規格、フルロードで24/7/365を連続的に実行することができる)への簡単なスケールアップです。

Hielscher ultrasonic reactor for biodiesel transesterification with superior process efficiency

インラインバイオディーゼルエステル化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システム。

Process chart showing the biodiesel process in continuous flow mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

超音波エステル化およびエステル交換は、バッチまたは連続インラインプロセスとして実行することができます。チャートは、バイオディーゼル(FAME)のエステル交換のための超音波インラインプロセスを示しています。


Process chart showing the biodiesel process in batch mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

超音波エステル化およびエステル交換は、バッチまたは連続インラインプロセスとして実行することができます。 このチャートは、バイオディーゼル変換のための超音波バッチプロセスを示しています。

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酸および塩基触媒反応ステップを適用する超音波支援二段階バイオディーゼル変換

高いFFA含有量の原料については、バイオディーゼルの生産は、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。超音波反応の2つのタイプ、酸触媒エステル化だけでなく、塩触媒エステル化に貢献します。

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。硫酸は、一般的に酸触媒として使用されます。

  • 汚染物質や水からろ過し、精製して原料を準備します。
  • 触媒、すなわち硫酸をメタノールに溶解する。熱交換器と静的ミキサーを介して触媒/メタノールおよび原料の供給流は粗い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有効になり、遊離脂肪酸はバイオディーゼルに変換されます。
  • 最後に、製品を脱水し、それを2つの第二段階を供給する - 超音波エステル交換。酸性湿式メタノールは、回収後、乾燥、中和化の準備が整っています。
  • 原料を含む非常に高いFFAの場合、再循環の設定は、エステル交換ステップの前にFFAを合理的なレベルに下げる必要があります。

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

超音波を用いたベース触媒エステル交換

現在は少量のFFAしか持たなかった原料は、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る。

  • 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/メタノールの流れを供給し、静的ミキサーを介して前処理された原料を供給し、粗いプレミックスを得る。
  • キャビテーション高せん断混合と超音波処理のために超音波反応チャンバーに直接プリミックスを供給します。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、沈降または遠心分離によって分離することができます。
  • 超音波製造されたバイオディーゼルは、高品質であり、メタノールと触媒を節約することにより、迅速な、エネルギー効率とコスト効率が高く製造されています。

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の重要な成分です。超音波駆動バイオディーゼル変換は、メタノールの大幅な削減使用を可能にします。「メタノールの使用は気にしないで、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(蒸留カラムを使用する)に適用される法外な高エネルギーコストを考え直すかもしれません。
メタノールは、通常、バイオディーゼルとグリセリンが2層に分離された後に除去され、反応逆転を防止する。メタノールは、洗浄し、プロセスの最初に戻ってリサイクルされます。超音波駆動エステル化およびエステル交換によってバイオディーゼルを製造し、メタノールの使用を劇的に減らすことができるので、メタノール回収のための法外な高エネルギー支出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、最大50%の過剰なメタノールの必要量を減少させます。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。

Process chart showing the biodiesel processing steps. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

超音波エステル化は、エステルにFFAの高い低グレードの原料を減少させる前処理ステップです。超音波エステル交換の第2段階では、トリグリセリドは、バイオディーゼル(FAME)に変換されます。

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超音波増加バイオディーゼル変換効率 – 科学的に証明された

多くの研究者グループは、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きました。例えば、セバヤン・ダーウィンの研究チームは、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、エステル形成を有意に増加させたことを実証した。超音波技術は、5分にエステル交換反応時間を短縮しました – 機械的撹拌処理のための2時間と比較して。超音波処理下でのFAMEへのトリグリセリド(TG)の変換は、触媒として6:1および1%wt水酸化ナトリウムのメタノールと油モル比で95.6929%wtを得た。(cf. Darwinら 2010)

バイオディーゼル処理用中型・大型超音波処理器

ヒールシャー超音波’ あらゆるボリュームでのバイオディーゼルの効率的な生産のための大規模な産業用超音波プロセッサと同様に小さいに小さいに供給します。あらゆる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、バッチとして、または連続インラインプロセスとして動作させることができます。設置および操作は、簡単で安全で、優れたバイオディーゼル品質の確実に高出力を提供します。
以下では、生産率の範囲のための推奨リアクタのセットアップを見つけることができます。

トン/時
ガロン/ hrで
1X UIP500hdT
00.25から0.5まで
80から160まで
1X UIP1000hdT
00.5から1.0
160から320まで
1X UIP1500hdT
00.75から1.5
240から480
2倍 UIP1000hdT
1.0から2.0
320から640まで
2倍 UIP1500hdT
1.5から3.0
480から960
4X UIP1500hdT
3.0から6.0
960から1920
6X UIP1500hdT
4.5から9.0
1440年から2880年

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



文献 / 参考文献


知る価値のある事実

バイオディーゼルの生産

バイオディーゼルは、トリジセライドがエステル交換として知られている化学反応を介して遊離脂肪メチルエステル(FAME)に変換されたときに生成されます。エステル交換の反応の間、植物油または動物性脂肪中のトリギルセリドは、触媒(例えば、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウム)と一次アルコール(例えば、メタノール)の存在下で反応する。この反応では、植物油または動物性脂肪の原料からアルキルエステルが形成される。トリグリセリドはグリセリドであり、グリセロールは脂肪酸として知られている長鎖酸でエステル化されます。これらの脂肪酸は植物油や動物性脂肪に豊富に存在します。バイオディーゼルは、バージン植物油、廃植物油、使用される揚げ油、タロウやラードなどの動物性脂肪などの様々な異なる原料から製造することができるので、遊離脂肪酸(FFA)の量は大きく変化する可能性があります。トリグリセリドの遊離脂肪酸の割合は、バイオディーゼルの生産プロセスと結果として生じるバイオディーゼルの品質に大きく影響する重要な要因です。大量の遊離脂肪酸は、変換プロセスを妨げ、最終的なバイオディーゼル品質を低下させる可能性があります。主な問題は、遊離脂肪酸(FFA)がアルカリ触媒と反応して石鹸を形成することです。石鹸形成は、その後、グリセロール分離の問題を引き起こす。したがって、多量のFFAを含む原料は、主に前処理(いわゆるエステル化反応)を必要とし、その間にFFAはエステルに変換される。超音波は、両方の反応を促進します, エステル交換およびエステル化.

エステル化の化学反応

エステル化は、有機酸(RCOOH)とアルコール(ROH)を組み合わせてエステル(RCOOR)と水を形成するプロセスです。

酸性エステル化におけるメタノールの使用

酸エステル化を使用して原料中のFFAを減らすと、エネルギー要求が比較的少なくなります。しかし、水はエステル化反応の間に作成されます – 中和し、乾燥し、回収しなければならない湿った、酸性のメタノールを作成します。このメタノール回収工程は高価である。
原料が20~40%以上のFFAを有する場合、許容可能な水準まで下げるためには、複数のステップが必要になる場合があります。これは、さらに酸性の、湿ったメタノールが作成されるということを意味する。酸性メタノールを中和した後、乾燥は、大幅な還流率を有する多段蒸留を必要とし、非常に高いエネルギー使用をもたらす。


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。