Biodiesel duerch ultraschallverbessert (Trans-)Esterifikatioun
Biodiesel gëtt duerch Ëmesterifikatioun mat engem Basekatalysator synthetiséiert. Wann awer Réistoffer wéi gebrauchte planzlech Ueleger vu gerénger Qualitéit mat engem héije Gehalt u fräie Fettsaieren agesat ginn, ass eng cheemesch Virbehandlung duerch Esterifikatioun mat engem Saierkatalysator néideg. D’Ultraschallbehandlung an hir sonocheemesch a sonomechanesch Effekter droen zu béide Reaktiounstyppe bäi a steigeren d’Effizienz vun der Biodieselëmsetzung drastesch. D’Biodieselproduktioun mat Ultraschall ass däitlech méi séier wéi déi konventionell Biodieselsynthees, féiert zu engem méi héije Biodieselertrag an enger besserer Qualitéit a spuert Reagenzie wéi Methanol a Katalysator.
Biodieselëmsetzung mat Leeschtungsultraschall
Fir Biodiesel gi Fettsaierester duerch d’Ëmesterifikatioun vu planzlechen Ueleger souwéi vun Déierefetter (z. B. Talg) hiergestallt. Wärend der Ëmesterifikatiounsreaktioun gëtt d’Glycerolkomponent duerch en aneren Alkohol, wéi Methanol, ersat. Ausgangsstoffer mat engem héije Gehalt u fräie Fettsaieren, z. B. gebrauchte planzlech Ueleger (WVO), erfuerderen eng Virbehandlung duerch saierkatalyséiert Esterifikatioun, fir d’Bildung vu Seef ze vermeiden. Dëse Prozess vun der Saierkatalys ass eng ganz lues Reaktioun, wann en als konventionellt Chargeverfaren duerchgefouert gëtt. D’Léisung fir de luesen Esterifikatiounsprozess ze beschleunegen ass den Asaz vu Leeschtungsultraschall. D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Reaktiounsgeschwindegkeet, d’Ëmsetzung an de Biodieselertrag däitlech, well déi sonocheemesch Effekter vum Ultraschall mat héijer Leeschtung d’Saierkatalys fërderen a verstäerken. D’Ultraschallkavitatioun liwwert sonomechanesch Kräften, d. h. Mësche mat héije Schéierkräften, souwéi sonocheemesch Energie. Dës zwou Aarte vun Ultraschallwierkung (sonomechanesch a sonocheemesch) maachen aus der saierkatalyséierter Esterifikatioun eng séier Reaktioun, déi manner Katalysator erfuerdert.
D’Mësche mat Ultraschall verbessert d’Ëmsetzungsrate vu Biodiesel, erhéicht den Ertrag a spuert iwwerschëssege Methanol a Katalysator. D’Bild weist d’Installatioun vun 3x UIP1000hdT (jeeweils 1kW Ultraschallleeschtung) fir d’Inline-Veraarbechtung.
Wéi funktionéiert d’Biodieselëmsetzung mat Ultraschall?
D’Ultraschallbehandlung tëscht verschiddene Phase bei der Ëmesterifikatioun (heiansdo och Alkoholyse genannt) an der Esterifikatioun baséiert op enger Verbesserung vum Mëschen souwéi op engem verstäerkte Wäermt- a Stofftransport. D’Mësche mat Ultraschall baséiert um Prinzip vun der akustescher Kavitatioun, déi duerch implodéierend Vakuumblosen an der Flëssegkeet entsteet. Akustesch Kavitatioun zeechent sech duerch héich Schéierkräften an Turbulenzen souwéi duerch ganz héich Drock- an Temperaturënnerscheeder aus. Dës Kräfte fërderen déi cheemesch Reaktioun vun der Ëmesterifikatioun / Esterifikatioun a verstäerken de Stoff- a Wäermttransport, wouduerch d’Reaktioun vun der Biodieselëmsetzung däitlech verbessert gëtt.
D’Ëmesterifikatioun vun Triglyceriden zu Biodiesel (FAME) mat Ultraschall féiert zu enger beschleunegter Reaktioun an enger däitlech méi héijer Effizienz.
Et ass wëssenschaftlech an industriell nogewisen, datt den Asaz vun Ultraschall bei der Biodieselëmsetzung d’Prozesseffizienz verbessert. D’Verbesserung vun der Prozesseffizienz léisst sech op e reduzéierten Energieverbrauch a méi niddreg Betribskäschten, e reduzéierten Asaz vun Alkohol (d. h. Methanol), manner Katalysator an eng däitlech verkierzt Reaktiounszäit zeréckféieren. D’Energiekäschte fir d’Erhëtzen entfalen, well keng extern Erhëtzung néideg ass. Zousätzlech ass d’Phasentrennung tëscht Biodiesel a Glycerol méi einfach an dauert manner laang. E wichtege Facteur fir de kommerziellen Asaz vun Ultraschall an der Biodieselproduktioun ass déi einfach Skaléierung op all Volumen, den zouverlässegen a séchere Betrib souwéi d’Robustheet an d’Zouverlässegkeet vun der Ultraschallausrüstung (Industriestandard, fir e kontinuéierleche Betrib 24/7/365 ënner voller Laascht gëeegent).
Industriell Ultraschallanlag mat Duerchflosszell fir d’Inline-Esterifikatioun an -Ëmesterifikatioun vu Biodiesel.
D’Esterifikatioun an d’Transesterifikatioun mat Ultraschall kënnen als Chargeprozess oder als kontinuéierlechen Inline-Prozess duerchgefouert ginn. D’Diagramm weist den Inline-Prozess mat Ultraschall fir d’Transesterifikatioun vu Biodiesel (FAME).
D’Esterifikatioun an d’Transesterifikatioun mat Ultraschall kënnen als Chargeprozess oder als kontinuéierlechen Inline-Prozess duerchgefouert ginn. Dëst Diagramm weist de Chargeprozess mat Ultraschall fir d’Biodieselëmwandlung.
Ultraschallënnerstëtzt Biodieselëmwandlung an zwee Schrëtt mat saier- a basekatalyséierte Reaktiounsschrëtt
Bei Ausgangsstoffer mat engem héije FFA-Gehalt gëtt d’Biodieselproduktioun als saier- oder basekatalyséiert Reaktioun an engem Prozess mat zwou Etappen duerchgefouert. Ultraschall ënnerstëtzt béid Reaktiounsaarten, souwuel déi saierkatalyséiert Esterifikatioun wéi och déi basekatalyséiert Transesterifikatioun:
Saierkatalyséiert Esterifikatioun mat Ultraschall
Fir en Iwwerschoss u fräie Fettsaieren am Ausgangsstoff ze behandelen, ass eng Esterifikatioun néideg. Schwiefelsaier gëtt allgemeng als Saierkatalysator benotzt.
- Bereet den Ausgangsstoff vir, andeems Dir en duerch Filtratioun a Rengegung vu Veronrengegungen a Waasser befreit.
- Léist de Katalysator, nämlech Schwiefelsaier, a Methanol op. Leet de Katalysator-/Methanolstroum an den Ausgangsstoff duerch e Wärmetauscher an e statesche Mëscher, fir eng graff Virmëschung ze kréien.
- D’Virmëschung aus Katalysator an Ausgangsstoff kënnt direkt an d’Ultraschallreaktiounskummer, wou déi ultrafein Mëschung an d’Sonochemie wierken an déi fräi Fettsaieren a Biodiesel ëmgewandelt ginn.
- Entzitt dem Produkt zum Schluss d’Waasser a féiert et an déi zweet Etapp – d’Transesterifikatioun mat Ultraschall. De saieren, naasse Methanol ass no der Réckgewënnung, der Dréchnung an der Neutraliséierung prett fir d’Wiederverwendung.
- Bei Ausgangsstoffer mat engem ganz héije FFA-Gehalt kann eng Rezirkulatiounsanlag néideg sinn, fir de FFA-Gehalt virum Transesterifikatiounsschrëtt op e raisonnabelen Niveau ze senken.
Esterifikatiounsreaktioun mat engem Saierkatalysator:
FFA + Alkohol → Ester + Waasser
Liest méi iwwer déi duerch Ultraschall verbessert saierkatalyséiert Esterifikatioun vu FFAen!
Basekatalyséiert Transesterifikatioun mat Ultraschall
Den Ausgangsstoff, deen elo nëmmen nach kleng Quantitéiten u FFAen enthält, kann direkt an d’Transesterifikatiounsetapp gefouert ginn. Am heefegste gëtt Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid (NaOH, KOH) als Basekatalysator benotzt.
- Léist de Katalysator, nämlech Kaliumhydroxid, a Methanol op a leet d’Stréim vu Katalysator/Methanol a virbehandeltem Ausgangsstoff duerch e statesche Mëscher, fir eng graff Virmëschung ze kréien.
- Féiert d’Virmëschung direkt an d’Ultraschallreaktiounskummer, fir se duerch Kavitatioun bei héije Schéierkräften ze mëschen a sonocheemesch ze behandelen. D’Produkter vun dëser Reaktioun sinn Alkylester (d. h. Biodiesel) a Glycerin. De Glycerin kann duerch Ofsetze loossen oder duerch Zentrifugéieren ofgetrennt ginn.
- De mat Ultraschall produzéierte Biodiesel ass vu héijer Qualitéit a gëtt séier, energieeffizient a käschteneffizient hiergestallt, well Methanol a Katalysator agespuert ginn.
Transesterifikatiounsreaktioun mat engem Basekatalysator:
Ueleg / Fett + Alkohol → Biodiesel + Glycerol
Methanolverbrauch a Methanolréckgewënnung
Methanol ass e Schlësselbestanddeel bei der Biodieselproduktioun. Duerch d’Biodieselëmwandlung mat Ultraschall kann de Methanolverbrauch däitlech reduzéiert ginn. Wann Dir elo denkt „Mäi Methanolverbrauch ass mir egal, well ech en souwisou zeréckgewannen“, kéint Dir dat nach eng Kéier iwwerdenken an déi exorbitant héich Energiekäschte berücksichtegen, déi beim Verdampfungsschrëtt entstinn (z. B. mat enger Destillatiounskolonn), deen néideg ass, fir de Methanol ofzetrennen an zeréckzeféieren.
Methanol gëtt normalerweis ewechgeholl, nodeems de Biodiesel an de Glycerin an zwou Schichten getrennt goufen, wouduerch eng Ëmkéierung vun der Reaktioun verhënnert gëtt. De Methanol gëtt duerno gerengegt an un den Ufank vum Prozess zeréckgefouert. Wann Dir Biodiesel duerch Esterifikatioun an Transesterifikatioun mat Ultraschall produzéiert, kënnt Dir Äre Methanolverbrauch drastesch reduzéieren an domat den exorbitant héijen Energieopwand fir d’Methanolréckgewënnung senken. Duerch den Asaz vun Hielscher Ultraschallreaktere gëtt déi néideg Quantitéit un iwwerschëssegem Methanol ëm bis zu 50% reduzéiert. E molaart Verhältnis vun 1:4 oder 1:4,5 (Ueleg : Methanol) ass fir déi meescht Ausgangsstoffer genuch, wann d’Mëschung mat Hielscher Ultraschall duerchgefouert gëtt.
D’Esterifikatioun mat Ultraschall ass e Virbehandlungsschrëtt, bei deem mannerwäertegt Ausgangsmaterial mat engem héije Gehalt u fräie Fettsaieren (FFAs) an Esteren ëmgewandelt gëtt. Am 2. Schrëtt, der Ëmesterifikatioun mat Ultraschall, ginn d’Triglyceriden a Biodiesel (FAME) ëmgewandelt.
Duerch Ultraschall erhéicht Effizienz vun der Biodieselëmwandlung – wëssenschaftlech nogewisen
Vill Fuerschungsgruppen hunn de Mechanismus an d’Auswierkunge vun der Ëmesterifikatioun vu Biodiesel mat Ultraschall ënnersicht. Zum Beispill huet d’Fuerschungsekipp vum Sebayan Darwin nogewisen, datt d’Ultraschallkavitatioun d’chemesch Aktivitéit an d’Reaktiounsvitess erhéicht huet, wat zu enger däitlech verstäerkter Esterbildung gefouert huet. D’Ultraschalltechnik huet d’Reaktiounszäit vun der Ëmesterifikatioun op 5 Minutte reduzéiert – am Verglach zu 2 Stonne bei der Veraarbechtung mat mechaneschem Réieren. D’Ëmwandlung vun Triglycerid (TG) a FAME ënner Ultraschallbehandlung huet 95,6929%wt erreecht, bei engem molare Verhältnes vu Methanol zu Ueleg vu 6:1 an 1%wt Natriumhydroxid als Katalysator. (vgl. Darwin et al. 2010)
Mëttelgrouss Ultraschallapparater an Ultraschallapparater fir grouss Produktiounsmoossstief fir d’Veraarbechtung vu Biodiesel
Hielscher Ultrasonics liwwert kleng bis mëttelgrouss souwéi grouss industriell Ultraschallprozessoren fir déi effizient Produktioun vu Biodiesel an all Volumen. Mat Ultraschallsystemer fir all Moossstaf kann Hielscher déi ideal Léisung souwuel fir kleng Produzente wéi och fir grouss Entreprisen ubidden. D’Biodieselëmwandlung mat Ultraschall kann als Chargeprozess oder als kontinuéierlechen Inlineprozess bedriwwe ginn. D’Installatioun an de Betrib sinn einfach a sécher a liwweren zouverlässeg héich Produktiounsmengen u Biodiesel vun iwwerleeëner Qualitéit.
Hei drënner fannt Dir recommandéiert Reakterkonfiguratioune fir eng Rei vu Produktiounsraten.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 bis 0,5
|
80 bis 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5 bis 1,0
|
160 bis 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75 bis 1,5
|
240 bis 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 bis 2,0
|
320 bis 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 bis 3,0
|
480 bis 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 bis 6,0
|
960 bis 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 bis 9,0
|
1440 bis 2880
|
Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf.
Literatur / Referenzen
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- 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.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- 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.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
Wëssenswäertes
Biodieselproduktioun
Biodiesel gëtt produzéiert, wann Triglyceriden duerch eng cheemesch Reaktioun, déi als Transesterifikatioun bekannt ass, a fräie Fettsaiermethylester (FAME) ëmgewandelt ginn. Wärend der Transesterifikatioun reagéieren Triglyceriden a planzlechen Ueleger oder Déierefetter a Presenz vun engem Katalysator (z. B. Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid) mat engem primären Alkohol (z. B. Methanol). Bei dëser Reaktioun entstinn Alkylester aus dem Ausgangsmaterial vu planzlechem Ueleg oder Déierefett. Triglyceride si Glyceriden, an deenen de Glycerol mat laangkierege Saieren, déi als Fettsaieren bekannt sinn, verestert ass. Dës Fettsaieren si räichlech a planzlechem Ueleg an an Déierefetter virhanden. Well Biodiesel aus verschiddenen Ausgangsmaterialie wéi frësche planzlechen Ueleger, planzlechen Offallueleger, gebrauchte Frittéierueleger an Déierefetter wéi Talg a Schmalz produzéiert ka ginn, kann d’Quantitéit u fräie Fettsaieren (FFAs) staark variéieren. De Prozentsaz u fräie Fettsaieren an den Triglyceriden ass en entscheedende Faktor, deen de Produktiounsprozess vu Biodiesel an déi doraus resultéierend Biodieselqualitéit drastesch beaflosst. Eng grouss Quantitéit u fräie Fettsaiere kann den Ëmwandlungsprozess stéieren an déi endgülteg Biodieselqualitéit verschlechteren. Den Haaptproblem ass, datt fräi Fettsaieren (FFAs) mat alkalesche Katalysatore reagéieren, wouduerch Seef entsteet. D’Seefbildung verursaacht duerno Problemer bei der Oftrennung vum Glycerol. Dofir erfuerderen Ausgangsmaterialie mat grousse Quantitéiten u FFAs meeschtens eng Virbehandlung (eng sougenannt Esterifikatiounsreaktioun), bei där d’FFAs an Ester ëmgewandelt ginn. D’Ultraschallbehandlung fërdert béid Reaktiounen, d’Transesterifikatioun an d’Esterifikatioun.
Cheemesch Reaktioun vun der Esterifikatioun
D’Esterifikatioun ass de Prozess, bei deem eng organesch Saier (RCOOH) mat engem Alkohol (ROH) verbonne gëtt, fir en Ester (RCOOR) a Waasser ze bilden.
Methanolverbrauch bei der saierer Esterifikatioun
Wann eng saierkatalyséiert Esterifikatioun agesat gëtt, fir d’FFAs am Ausgangsmaterial ze reduzéieren, ass den direkten Energiebedarf relativ niddreg. Wärend der Esterifikatiounsreaktioun entsteet awer Waasser – doduerch entsteet fiichten, saiere Methanol, dee muss neutraliséiert, gedréchent an zeréckgewonne ginn. Dëse Prozess fir Methanol zeréckzegewannen ass deier.
Wann d’Ausgangsmaterialien 20 bis 40 % oder nach méi héich Prozentsätz u FFAs hunn, kënne méi Schrëtt néideg sinn, fir dës op akzeptabel Niveauen erofzesetzen. Dat bedeit, datt nach méi saieren, fiichte Methanol entsteet. No der Neutraliséierung vum saiere Methanol erfuerdert d’Dréchnen eng méistufeg Destillatioun mat héije Réckflossraten, wat zu engem ganz héijen Energieverbrauch féiert.
Wéi eng Ueleger gi fir d’Produktioun vu Biodiesel benotzt?
Zu den Ueleger, déi fir d’Produktioun vu Biodiesel benotzt ginn, gehéiere planzlech Ueleger wéi Sojaueleg, Rapsueleg (Canola), Sonneblummenueleg, Palmueleg an Ueleg aus gebrauchtem Kaffissaz, souwéi Déierefetter wéi Talg a Schmalz. Offallueleger, dorënner gebrauchte Kachueleg an Ueleger, déi aus gebrauchtem Kaffissaz extrahéiert ginn, ginn och heefeg agesat. Dës Ueleger, déi haaptsächlech aus Triglyceride bestinn, gi mat Alkohol transesterifizéiert, fir Fettsaiermethylester (FAME) ze produzéieren, déi cheemesch Verbindungen, aus deene Biodiesel besteet. D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Ëmwandlung vun Offallueleger a Biodiesel, andeems si den Transesterifikatiounsprozess duerch den Asaz vun Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit verbessert. Bei Offallueleger, déi dacks Veronrengegungen an e méi héije Gehalt u fräie Fettsaieren hunn, hëlleft d’Ultraschallbehandlung, dës Veronrengegunge ofzebauen, a verbessert d’Vermëschung vun de Reaktanten. Dëst féiert zu méi héije Reaktiounsvitessen, méi kuerze Reaktiounszäiten a méi héije Biodieselausbezuelen, och bei Ausgangsmaterialie vu méi niddreger Qualitéit. D’Ultraschallbehandlung erméiglecht och e reduzéierte Katalysatorverbrauch an e méi niddregen Energieverbrauch, wouduerch d’Ëmwandlung vun Offallueleger a Biodiesel méi effizient a méi käschtegënschteg gëtt.
Liest méi doriwwer, wéi d’Ultraschallbehandlung d’Extraktioun vun Ueleger aus gebrauchtem Kaffissaz an d’Transesterifikatioun vun dësen Ueleger zu Biodiesel intensivéiert!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert Ultraschallhomogenisatore mat héijer Leeschtung vun der Laborgréisst bis zur Industriegréisst.