高出力超音波によるバイオエネルギー生産効率の向上

再生可能エネルギー生産への高強度超音波（超音波処理）の適用は、プロセス効率の大幅な進歩をもたらします。超音波技術は、音響キャビテーションを利用して物質移動を促進し、細胞構造を破砕し、バイオディーゼル、バイオエタノール、バイオガスを含むさまざまなバイオ燃料生産経路で化学反応を加速します。
原油価格が過去最高を更新する中、再生可能燃料の需要は増加しています。バイオディーゼル、バイオエタノール、バイオガスなどの環境に配慮した燃料の生産に超音波技術を適用すると、技術面および商業面の効率が向上します。

廃植物油と動物性脂肪からのバイオディーゼル

バイオディーゼルは、石油由来の軽油に代わる燃料としてディーゼルエンジンで使用できる再生可能燃料です。バイオディーゼルは、植物油、動物性脂肪、油脂などを原料として、エステル交換反応によって製造されます。最も一般的な原料は、大豆油、菜種油、藻類油などです。バイオディーゼルの製造には、アルコール（メタノールまたはエタノール）との触媒反応が用いられます。油、脂肪、油脂をアルコールと超音波で混合すると、反応速度と収率が大幅に向上します。これにより、設備投資費と運転費が削減されます。

• エステル交換反応の加速： 超音波照射はバイオディーゼル製造の反応時間を大幅に短縮し、多くの場合、数時間から五分未満に短縮します。
• 分離の改善： この技術はバイオディーゼルからのグリセリンの分離を改善し、静置分離時間を数時間から15分未満に短縮します。
• 収率の向上： 超音波処理は、反応物を十分に混合することで、99%を超えるバイオディーゼル収率の達成を促進できます。

バイオディーゼル用超音波混合リアクターの詳細はこちらをご覧ください！

デンプンと糖からのバイオエタノール

バイオエタノールは、ガソリンに代わる環境に配慮した燃料として使用されています。トウモロコシ、小麦、ジャガイモ、サトウキビ、米、その他の穀物を発酵させて製造されます。酵母を使用して、これらの作物に含まれるデンプンと糖を発酵させ、エタノールに変換します。超音波による細胞構造の破砕と細胞内物質の抽出は、粒子径を小さくし、液化中に酵素が作用できる表面積を大幅に増やします。これによりデンプンと糖の生物学的利用能が向上し、発酵がより速く、より完全に進むため、エタノールの生産量が増加します。
バイオエタノールの生産は、リグノセルロース系バイオマスを効率よく分解して発酵可能な糖を放出することに大きく依存しています。超音波は、いくつかの方法でこのプロセスを支援します：

• 加水分解の促進： 超音波前処理は植物粒子の破砕を促進し、乾式粉砕方式のエタノール製造プラントでトウモロコシスラリーからのグルコースの放出を改善します。
• 発酵の促進： 超音波は、混合されたオフィス古紙などの材料の同時糖化発酵（SSF）中に、エタノールの生産を促進することが示されています。
• 抽出効率： 高出力超音波は、トウモロコシの芯や外皮からキシランやヘテロキシランなどの活性成分を抽出するのに効果的であり、大豆からの油の抽出も促進することで、より広範なバイオベースの生産チェーンを支えます。

詳しくはこちらをご覧ください： 細胞破砕 および 抽出!

廃棄物と汚泥からのバイオガス

都市の有機廃棄物、下水汚泥、厩肥、家畜糞尿はバイオガスの原料となります。これらの材料を好気性または嫌気性消化槽で処理すると、有機物がバイオガスに変換されます。超音波による 有機物の破砕 を消化前に行うと、材料の構造が変化し、酵素が放出され、活性化されます。これにより有機物の消化が改善され、処理が速くなり、ガスの生成量が増え、残留汚泥が減少します。その結果、既存の消化槽の処理能力が向上し、処分費用が削減されます。

嫌気性消化では、超音波前処理によってバイオマス（余剰活性汚泥など）を破砕し、細菌が有機物にアクセスしやすくします。

• バイオガス収量の増加： 超音波処理は、累積バイオガス生産量の増加に有効であることが実証されています。研究では、未処理の汚泥と比較して、バイオガス生産量が26%から36%増加したと報告されています。
• 固形物削減の改善： 超音波処理は揮発性固形物（VS）の分解を促進します。例えば、有機物負荷と投入エネルギーに応じて、VS分解率は30%から35%、さらにそれ以上（最大39%）に増加する可能性があります。
• 排水処理との統合： 都市および産業排水処理プラントからのバイオソリッドに加え、バイオガスプラント自体からのバイオソリッドも、超音波リアクターを用いて効果的に処理し、安定化とエネルギー回収のプロセスを最適化できます。

詳しくはこちらをご覧ください： 超音波による汚泥破砕!

嫌気性消化前に家畜糞尿を超音波で破砕すると、バイオガス収量が向上します。

超音波のエネルギー収支

上述のプロセスは、多くの超音波エネルギーを必要としません。一般に、超音波処理によって得られる余剰エネルギーは、超音波の発生に使用したエネルギーを補います。Hielscherの超音波装置の総合効率は85%を超えます。これは、電気エネルギーの85%を超える量が機械的エネルギーに変換され、液体に伝達されることを意味します。プロセスで実際に必要なエネルギーは、卓上規模で1kWの超音波処理装置を使用して、小規模で測定できます。このような卓上試験のすべての結果は、容易にスケールアップできます。Hielscherは、産業用超音波処理装置を世界中に供給しています。各超音波処理装置あたり最大16kWの出力を持つ産業用超音波ホモジナイザーにより、プラントの規模や処理能力に制限はありません。