超音波による（トランス）エステル化の改善によるバイオディーゼル

バイオディーゼルは、塩基触媒を用いたトランスエステル化によって合成される。しかし、遊離脂肪酸含量の高い低級廃棄野菜を原料とする場合は、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。超音波処理とそのソノケミカル効果およびソノメカニカル効果は、両方の反応タイプに寄与し、バイオディーゼル変換効率を飛躍的に向上させる。超音波バイオディーゼル製造は、従来のバイオディーゼル合成よりも大幅に速く、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る。

パワー超音波によるバイオディーゼル変換

バイオディーゼルでは、脂肪酸エステルは植物油や動物性脂肪（獣脂など）のトランスエステル化によって製造される。トランスエステル化反応では、グリセロール成分がメタノールなどの別のアルコールで置換される。遊離脂肪酸を多く含む原料、例えば廃植物油（WVO）は、石鹸の生成を避けるために酸エステル化の前処理が必要である。この酸触媒プロセスは、従来のバッチ方式で実施した場合、非常に時間のかかる反応である。この遅いエステル化プロセスを促進する解決策は、超音波を利用することである。ソニケーションは、高出力超音波のソノケミカル効果が酸触媒反応を促進・強化するため、反応速度、転化率、バイオディーゼル収率の大幅な改善を達成する。超音波キャビテーションは、ソノケミカルエネルギーと同様に、ソノメカニカルな力、すなわち高剪断混合をもたらす。これら両方のタイプの超音波衝撃（ソノメカニカルとソノケミカル）は、酸触媒によるエステル化を、より少ない触媒で済む高速反応に変える。

超音波バイオディーゼル変換の仕組み

トランスエステル化（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相間の超音波混合は、熱および物質移動の増加だけでなく、混合の促進に基づいている。超音波混合は音響キャビテーションの原理に基づいており、これは液体中の真空気泡の爆縮によって発生する。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の差を特徴とする。これらの力は、トランスエステル化／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ため、バイオディーゼル変換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）へのトランスエステル化は、反応を促進し、効率を著しく向上させる。

バイオディーゼル変換時に超音波を適用することで、プロセス効率が向上することは科学的にも工業的にも証明されている。プロセス効率の向上は、エネルギー消費と運転コストの削減、アルコール（メタノールなど）の使用量の削減、触媒の使用量の削減、反応時間の大幅な短縮に起因する。外部加熱の必要がないため、加熱のためのエネルギーコストが不要になる。さらに、バイオディーゼルとグリセロールの相分離がより簡単になり、相分離時間も短くなる。バイオディーゼル製造に超音波を商業的に利用するための重要な要因は、任意の容量への簡単なスケールアップ、信頼性の高い安全な操作、超音波装置の堅牢性と信頼性（工業規格、全負荷で24時間365日連続運転可能）である。

インラインでバイオディーゼルをエステル化・トランスエステル化するフローセル付き超音波工業システム。

酸触媒と塩基触媒を用いた超音波アシスト2段階バイオディーゼル変換反応

FFAを多く含む原料の場合、バイオディーゼルの製造は酸触媒または塩基触媒による2段階プロセスで行われる。超音波は、酸触媒によるエステル化と塩基触媒によるトランスエステル化の2種類の反応に寄与する：

超音波を用いた酸触媒によるエステル化

原料中の過剰な遊離脂肪酸を処理するには、エステル化のプロセスが必要である。酸触媒としては硫酸が一般的に使用される。

• 汚染物質や水分をろ過・精製して原料を準備する。
• 触媒、すなわち硫酸をメタノールに溶解する。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供給し、粗プレミックスを得る。
• 触媒と原料のプレミックスは直接超音波反応室に入り、そこで超微細混合と超音波化学が効果を発揮し、遊離脂肪酸がバイオディーゼルに変換される。
• 最後に、生成物を脱水し、第二段階である超音波トランスエステル化に送る。酸性の湿式メタノールは、回収、乾燥、中和の後、再利用可能な状態になる。
• FFAを非常に多く含む原料の場合、トランスエステル化ステップの前にFFAを適切なレベルまで下げるために、再循環セットアップが必要になることがある。

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トランスエステル化

少量のFFAしか含まない原料は、直接トランスエステル化工程に供給することができる。塩基触媒としては、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム（NaOH、KOH）を使用するのが一般的である。

• 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／メタノールおよび前処理済み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。
• プレミックスを直接超音波反応チャンバーに送り込み、キャビテーションによる高剪断混合とソノケミカル処理を行う。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る。
• 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、高速で製造され、エネルギー効率が高く、コスト効率が高い。

塩基触媒を用いたトランスエステル化反応：
油脂＋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製造の主要成分である。超音波駆動のバイオディーゼル転換により、メタノールの使用量を大幅に削減することができる。どうせメタノールは回収するのだから、メタノールの使用量など気にしない」とお考えなら、メタノールを分離して再利用するために必要な蒸発工程（蒸留塔の使用など）にかかる法外に高いエネルギーコストをもう一度考えてみてください。
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、反応の逆転を防ぐ。その後、メタノールは洗浄され、プロセスの最初に戻ってリサイクルされる。超音波駆動のエステル化とトランスエステル化によってバイオディーゼルを製造すれば、メタノールの使用量を大幅に削減することができ、メタノール回収のための法外な高エネルギー消費を抑えることができます。Hielscher社製の超音波リアクターを使用することで、過剰なメタノールの必要量を最大50％削減できます。Hielscher超音波ミキシングを使用する場合、ほとんどの原料は1:4または1:4.5（オイル：メタノール）のモル比で十分です。

超音波によるバイオディーゼル変換効率の向上 – 科学的に証明されている

多くの研究グループが、バイオディーゼルの超音波トランスエステル化のメカニズムと効果を研究してきた。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高め、その結果、エステル生成が著しく増加することを実証した。超音波技術はトランスエステル化反応時間を5分に短縮した。 – 機械的攪拌処理では2時間であった。超音波処理によるトリグリセリド(TG)からFAMEへの変換は、メタノールと油のモル比6:1、触媒として1%水酸化ナトリウムを用いた場合、95.6929%重量を得た(cf. Darwin et al. 2010)。(参照：Darwin et al.）

バイオディーゼル処理用中型および大型超音波装置

Hielscher Ultrasonics’ は、あらゆる量のバイオディーゼルを効率的に生産するために、中小規模から大規模の工業用超音波処理装置を提供しています。あらゆる規模の超音波システムを提供することで、Hielscher社は小規模生産者から大企業まで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、バッチ式または連続式のインラインプロセスとして運転することができます。設置も操作も簡単で安全であり、優れたバイオディーゼル品質を確実に生産することができます。
以下に、様々な生産量に対応する推奨リアクターセットアップを示します。