バイオディーゼルの製造とバイオディーゼルへの変換
超音波リアクターでバイオディーゼル製造の制約を克服しましょう！反応速度が遅く、物質移動が不十分だと、バイオディーゼルプラントの処理能力、収率、品質が大幅に低下する可能性があります。Hielscher の超音波リアクターは、エステル交換反応の速度を大幅に向上させることで、これらの課題に対応します。その結果、バイオディーゼル処理に必要な過剰メタノールと触媒の量が少なくなります。
超音波キャビテーション：優れた混合ソリューション
従来のバイオディーゼル製造では、通常、熱と機械的混合をエネルギー入力として用いるバッチ式リアクターを使用します。超音波キャビテーションは、商業規模のバイオディーゼル処理でより良好な混合を実現する、効果的な代替手段です。この超音波キャビテーションにより、工業規模のバイオディーゼルのエステル交換に必要な活性化エネルギーが供給されます。
バイオディーゼルの超音波エステル交換の主な利点：
- 転化率の向上
- 反応時間の短縮
- 製品品質の向上
- 廃油をFAME（脂肪酸メチルエステル）に変換可能
超音波混合は、バイオディーゼルへの転化率と収率を高め、過剰メタノールと触媒の使用量を削減します。
超音波によるバイオディーゼルのエステル交換の改善
バイオディーゼル製造では、通常、エステル交換と呼ばれる化学反応を利用します。この反応では、トリグリセリド（植物油、動物性脂肪、使用済み食用油など）が触媒の存在下でアルコール（メタノールなど）と反応し、バイオディーゼル（脂肪酸メチルエステル）とグリセロールを生成します。超音波リアクターを使用すると、さまざまな方法でエステル交換プロセスを改善でき、次のような利点が得られます：
- 混合の改善： 超音波は、激しく崩壊するキャビテーション気泡を発生させ、反応混合物に強力な混合と撹拌をもたらすことができます。これにより、反応物と触媒の接触が改善され、より速く、より完全なエステル交換が実現します。
- 反応速度の向上： 超音波によって生じる高エネルギー条件は、反応を活性化し、反応速度を高め、所定の転化率に達するまでに必要な反応時間を短縮できます。これにより、収率の向上とコストの低減につながる可能性があります。
- 触媒使用量の削減： 超音波リアクターは、反応に利用できる活性点を増やすことで、触媒の利用効率を改善できます。つまり、同じ転化率を達成するために必要な触媒量が少なくなり、コストと環境への影響を低減できます。
- 製品品質の向上： 超音波リアクターは、遊離脂肪酸含有量がより低く、純度がより高く、低温流動性に優れたバイオディーゼルを製造できます。これは、混合の改善と反応速度の向上によって、不要な副生成物や不純物の生成が最小限に抑えられるためです。
超音波リアクターの使用は、バイオディーゼルのエステル交換の効率、速度、品質を大幅に改善するため、超音波バイオディーゼル処理のこれらの利点により、超音波リアクター設備の利用は非常に経済的になります。つまり、超音波処理は、エステル交換を経済面と環境面でより持続可能なプロセスにします。
従来のバイオディーゼル混合の問題点： バッチ処理における従来のエステル化反応は遅い傾向があり、グリセリンの相分離にも時間がかかり、多くの場合5時間以上を要します。
超音波リアクターは、処理コストを抑えながら、バイオディーゼルの製造プロセスを加速し、同時に収率と品質の向上を支援します！
産業用超音波処理装置 UIP2000hdT は、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のフローセル FC2T500k を備えています。
バイオディーゼルの超音波エステル交換の利点
- 混合の改善によるバイオディーゼル収率の向上
- バイオディーゼル品質の向上
- 最も低品質な油でも原料として使用可能
- 連続インライン処理
- メタノール使用量の削減
- 触媒使用量の削減
- 高速変換による時間の節約
- 省エネルギー
- 簡単で安全な操作
- 堅牢性と少ない保守作業
- 高性能：全負荷で24/7運転
超音波リアクター UIP16000hdT は約 32MMGY を生産します
「Hielscher の機器とサービスには大変満足しており、今後のすべての取り組みに Hielscher の超音波処理技術を導入する強い意向を持っています。」
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
バイオディーゼル製造のための超音波技術
バイオディーゼルは、多くの場合バッチ式リアクターで製造されます。超音波によるバイオディーゼルへの変換は、連続インライン処理を可能にします。超音波処理では、99%を超えるバイオディーゼル収率を達成できます。超音波リアクターは、従来のバッチ処理で1–4時間かかる処理時間を30秒未満に短縮します。さらに重要なのは、超音波処理によって、従来の撹拌では5–10時間かかる分離時間が60分未満になることです。また、キャビテーションの存在下で化学的活性が高まるため、超音波処理は必要な触媒量を最大50%削減するのにも役立ちます。超音波処理を使用すると、必要な過剰メタノールの量も削減されます。さらに、グリセリンの純度が向上するという利点も得られます。
超音波によるバイオディーゼル製造の手順：
- 植物油または動物性脂肪を、メタノール（メチルエステルを生成）またはエタノール（エチルエステル用）と、ナトリウムまたはカリウムのメトキシドまたは水酸化物と混合します
- 混合物を加熱します。例えば、45–65degCの温度にします
- 加熱した混合物をインラインで5–15秒間超音波処理します
- グリセリンが沈降するか、遠心分離機を使用して分離します
- 変換によって得られたバイオディーゼルを水で洗浄します
超音波処理は、通常、供給ポンプとフローセルの隣に設置した調整可能な背圧弁を使用し、加圧下 (1–3bar、ゲージ圧) で行います。
工業規模のバイオディーゼルへの変換には、多くの超音波エネルギーを必要としません。実際に必要なエネルギー量は、例えば UIP1000hdT のような 1kW 超音波プロセッサーを使用して、ベンチトップ規模で測定できます。このようなベンチトップ試験で得られたすべての結果は、問題なく線形にスケールアップできます。必要に応じて、ATEX 認証取得済みの超音波装置をご利用いただけます。例えば UIP1000-Exd などがあります。
Hielscher は、産業用の超音波バイオディーゼル処理装置を世界中に供給しています。一台あたり最大 16kW の出力を持つ超音波プロセッサーにより、バイオディーゼルプラントの規模や処理能力に制限はありません。
超音波によるバイオディーゼル製造のコスト
超音波処理は、商業規模のバイオディーゼル製造において反応速度と転化率を高める効果的な手段です。超音波処理のコストは、主に超音波機器への投資、ユーティリティ費、保守費からなります。Hielscher の超音波処理装置の卓越したエネルギー効率は、ユーティリティ費の削減に役立ち、それによってこのプロセスをさらに環境に配慮したものにします。商業規模で使用した場合、超音波処理のコストはリットルあたり 0.1ct–1.0ct (0.4ct–1.9ct/ガロン) の範囲になります。
超音波によるバイオディーゼル製造のプロセス効率と経済的利点について、詳しくはこちらをご覧ください！
超音波混合は、バイオディーゼル製造における比エネルギー消費量を削減し、流体力学的磁気混合や高せん断ミキサーをはるかに上回る性能を発揮します。
小規模な超音波バイオディーゼル設備
超音波処理は、あらゆる規模で油をバイオディーゼルに変換するために使用できます。下の画像は、60–70L（16–19ガロン）を処理する小規模設備を示しています。これは、初期研究とプロセス実証のための典型的な設備です。
超音波によるエステル化とエステル交換は、バッチ処理または連続インライン処理として実施できます。この図は、バイオディーゼルへの変換のための超音波バッチプロセスを示しています。
1000hdTモデルの1kW超音波処理装置3台 に超音波フロースルーリアクターを組み合わせ、非常に効率的にバイオディーゼルへ変換します。
- ブースター、ソノトロード、フローセルを備えた超音波処理装置一台 (例：UIP500hdT または UIP1000hdT)
- 電力とエネルギーを測定する電力計
- 80L処理タンク（プラスチック製、例：HDPE）
- 加熱素子（1–2kW）
- 10L触媒予備混合タンク（プラスチック製、例：HDPE）
- 触媒予備混合機（撹拌機）
- 1–3 bargで約10–20L/minを供給するポンプ（遠心式、モーノ式またはギア式）
- フローセル内の圧力を調整する背圧弁
- 供給圧力を測定する圧力計
優れたバイオディーゼル処理のための超音波リアクター
Hielscher Ultrasonicsは、高性能な超音波プロセッサーとリアクターを提供しています。これらは、バイオディーゼルの収率と品質の向上、処理時間の短縮、製造コストの低減によって、バイオディーゼル製造を改善します。
バイオディーゼルのエステル交換用の小・中規模超音波リアクター
最大 9トン/hr (2900 gal/hr) の小・中規模バイオディーゼル製造向けに、Hielscher は UIP500hdT (500 ワット)、UIP1000hdT (1000 ワット)、UIP1500hdT (1500 ワット)、UIP2000hdT (2000 ワット) を提供しています。これらは、信頼性が高く効率的なインラインバイオディーゼル処理のためのフロースルーリアクターを備えた超音波高せん断ミキサーです。この四種類の超音波リアクターは非常にコンパクトで、設備への組み込みや後付けが容易です。過酷な環境での高負荷運転に対応するように製造されています。以下に、さまざまな生産速度に対して推奨されるリアクター構成を示します。
|
トン/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT（500 ワット） |
0.25–0.5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT（1000 ワット） |
0.5–1.0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT（1500 ワット） |
0.75–1.5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT（2000 ワット） |
1.0–2.0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT（2000 ワット） |
2.0–4.0
|
640–1280
|
| 4xUIP1500hdT（1500 ワット） |
3.0–6.0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT（1500 ワット） |
4.5–9.0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT（2000 ワット） |
6.0–12.0
|
1920–3840
|
極めて大きな処理能力を備えた産業用バイオディーゼルリアクター
工業規模の処理を行うバイオディーゼル製造プラント向けに、Hielscher は超音波ホモジナイザー UIP4000hdT (4kW)、UIP6000hdT (6kW)、10000 (10kW)、UIP16000hdT (16kW) を提供しています！これらの超音波プロセッサーは、高流量での連続処理用に設計されています。UIP4000hdT、UIP6000hdT および UIP10000 は、標準的な海上輸送コンテナに組み込むことができます。また、四機種すべてのプロセッサーをステンレス製キャビネットに収めた仕様もご利用いただけます。直立設置により、必要なスペースを最小限に抑えられます。以下に、一般的な工業規模の処理速度に対して推奨される構成を示します。
|
トン/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT（6000 ワット） |
3.0–6.0
|
960–1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT（4000 ワット） |
6.0–12.0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT（4000 ワット） |
10.0–20.0
|
3200–6400
|
3x UIP6000hdT（6000 ワット） |
9.0–18.0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000（10,000 ワット） |
15.0–30.0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT（16,000 ワット） |
24.0–48.0
|
7680–15,360
|
| 5x UIP16000hdT |
40.0–80.0
|
12,800–25,600
|
お問い合わせ・ご質問はこちら！
超音波処理装置 UIP16000hdT は、32MMGYのバイオディーゼルを処理できます。
Frost & Sullivan年間技術革新賞
Hielscher Ultrasonicsは、バイオディーゼル製造のための新しい超音波技術の開発が評価され、権威あるFrost and Sullivan年間技術革新賞を受賞しました。
Hielscher Ultrasonicsのバイオディーゼルリアクターに対するFrost and Sullivan賞について、詳しくはこちらをクリックしてください！
エステル交換 – バイオディーゼルへの化学的変換
植物油 (大豆、キャノーラ、ジャトロファ、ヒマワリ種子など)、藻類、動物性脂肪、および廃食用油からバイオディーゼルを製造する際には、塩基触媒を用いて脂肪酸をメタノールまたはエタノールとエステル交換させ、対応するメチルエステルまたはエチルエステルを生成します。グリセリンは、この反応で必ず生じる副生成物です。
植物油は動物性脂肪と同様に、グリセリン分子に結合した三本の脂肪酸鎖からなるトリグリセリドです。トリグリセリドはエステルです。エステルは、脂肪酸などの酸がアルコールと結合したものです。グリセリン (= グリセロール) は重いアルコールです。変換プロセスでは、触媒 (アルカリ液) とアルコール試薬を用いて、トリグリセリドエステルをアルキルエステル (= バイオディーゼル) に変換します。例えば、メタノールを用いると、メチルエステルのバイオディーゼルが得られます。メタノールがグリセリンに取って代わります。この化学的変換プロセスをエステル交換と呼びます。
エステル交換後、重い相であるグリセリンは底に沈みます。軽い相であるバイオディーゼルは上に浮き、例えばデカンターや遠心分離機で分離できます。
バイオディーゼル製造の準備
触媒予備混合タンクで、水酸化カリウム（0.2–0.4kg、触媒）を約8.5Lのメタノールに溶解します。この際、触媒予備混合液を撹拌する必要があります。処理タンクに66Lの植物油を入れます。加熱素子を用いて油を45–65degCに加熱します。
バイオディーゼルへの変換
触媒がメタノールに完全に溶解したら、触媒予備混合液を加熱した油と混合します。ポンプで混合物をフローセルに供給します。背圧弁を用いて、圧力を1–3barg（15–45psig）に調整します。超音波バイオディーゼルリアクターを通して、約20分間再循環させる必要があります。この間に、油がバイオディーゼルに変換されます。その後、ポンプと超音波を停止します。グリセリン（重い相）がバイオディーゼル（軽い相）から分離します。分離には約30–60分かかります。分離が完了したら、グリセリンを排出できます。
バイオディーゼルの洗浄
変換によって得られたバイオディーゼルには不純物が含まれるため、洗浄が必要です。洗浄のために、バイオディーゼルに水を混合します。超音波処理は、バイオディーゼルと水の混合に役立ちます。液滴径が小さくなることで、活性表面積が増加します。ただし、非常に強い超音波処理によって水滴が小さくなり、ほぼ安定したエマルションが形成され、その分離に特別な手段（遠心分離機など）が必要になる可能性があることに留意してください。
バイオディーゼル製造プラント
下のフロー図は、油、メタノール、触媒をインラインで超音波処理し、バイオディーゼルに変換するための典型的な設備構成を示しています。
超音波によるエステル化とエステル交換は、バッチ処理または連続インライン処理として実施できます。この図は、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。
バイオディーゼルの連続処理と分離
バイオディーゼルの連続処理と連続分離を行う設備では、調整可能なポンプを使用し、加熱した油と触媒予備混合液を連続的に混合します。インライン静的ミキサーは、超音波リアクターに供給する混合物の均一性を改善します。油と触媒の混合物はフローセルを通過し、そこで約5–30秒間、超音波キャビテーションにさらされます。フローセル内の圧力の制御には背圧弁を使用します。超音波処理された混合物は、リアクターカラムの上部から入ります。リアクターカラムの容積は、カラム内での滞留時間が約1時間になるように設計されています。その間に、エステル交換反応が完了します。反応後のグリセリンとバイオディーゼルの混合物は、ポンプで遠心分離機へ送られ、バイオディーゼル画分とグリセリン画分に分離されます。後処理には、メタノールの回収、洗浄、乾燥が含まれ、これらも連続的に行うことができます。
この設備構成により、バイオディーゼルリアクターでのバッチ処理、従来の撹拌機、大型分離タンクが不要になります。
バイオディーゼルのエステル交換反応速度
下の図は、ナトリウムメトキシド（左）と水酸化カリウム（右）を用いた菜種油（工業用グレード）のエステル交換の典型的な結果を示しています。両試験とも、対照サンプル（青線）には強力な機械的混合を行いました。赤線は、体積比、触媒濃度、温度が同一の配合で超音波処理したサンプルを示しています。横軸は、それぞれ混合または超音波処理後の時間を示します。縦軸は、底に沈降したグリセリンの体積を示します。これは、反応速度を測定する簡単な方法です。両図とも、超音波処理したサンプル（赤）は対照サンプル（青）よりもはるかに速く反応しています。
バイオディーゼル製造における超音波混合（赤のグラフ）と従来の混合（青のグラフ）の比較 – 触媒としてナトリウムメトキシド（左）と水酸化カリウム（右）を使用。
バイオディーゼル用機器の調達先リンク
バイオディーゼル産業向けのポンプとタンクの供給業者へのリンクは、こちらをクリックしてください。
化学物質と安全に関する情報
問題や健康への悪影響を防ぐため、以下の情報をよくお読みください。
バイオディーゼル製造に使用する化学物質
メタノールには毒性があります。長期間の使用によって神経の損傷を引き起こす可能性があります。皮膚に吸着されることもあります。目に飛沫が入ると失明する可能性があり、メタノールを飲み込むと致命的になる可能性があります。このため、メタノールを取り扱う際には必要な予防措置を講じてください。良質の呼吸用保護具、エプロン、ゴム手袋の使用を推奨します。
水酸化カリウム（KOH）には毒性があり、接触すると皮膚に化学熱傷を引き起こします。十分な換気が必要です。
蒸気を排出できるよう、作業場所を十分かつ徹底的に換気してください。蒸気用吸収缶を使用する呼吸用保護具は、メタノール蒸気には効果がありません。送気式システム（SCBA – 自給式呼吸器）は、メタノール蒸気に対してより優れた保護を提供します。
バイオディーゼルとゴム部品
100%バイオディーゼルで長期間運転すると、エンジンの接液するゴム部品（ポンプ、ホース、Oリング）に問題が生じる可能性があります。鋼製部品または高耐久性ゴムに交換することで、この問題を解消できます。または、問題を防ぐために、バイオディーゼルに約25%の従来の（化石由来の）ディーゼル燃料を混合することもできます。
文献・参考資料
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
- Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
- Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Hamed Mootabadi, Babak Salamatinia, Subhash Bhatia, Ahmad Zuhairi Abdullah (2010): Ultrasonic-assisted biodiesel production process from palm oil using alkaline earth metal oxides as the heterogeneous catalysts. Fuel, Volume 89, Issue 8; 2010. 1818-1825.
Hielscher Ultrasonicsは、 ラボ規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。