Biodiesel via (trans)verestering door middel van ultrasoon verbetering

Biodiesel wordt gesynthetiseerd via omestering met behulp van een base-katalysator. Indien echter grondstoffen zoals laagwaardig plantaardig afval met een hoog gehalte aan vrije vetzuren worden gebruikt, is een chemische voorbehandelingsstap van verestering met behulp van een zuurkatalysator vereist. Ultrasoonbehandeling en de sonochemische en sonomechanische effecten ervan dragen bij tot beide reactietypes en verhogen de efficiëntie van de biodieselconversie drastisch. Ultrasone biodieselproductie is aanzienlijk sneller dan de conventionele biodiesel synthese, resulteert in een hogere biodieselopbrengst en -kwaliteit en bespaart reagentia zoals methanol en katalysator.

Omzetting van biodiesel met behulp van ultrageluid

Voor biodiesel worden vetzuuresters geproduceerd door omestering van plantaardige oliën en van dierlijke vetten (bv. talg). Tijdens de omesteringsreactie wordt de glycerolcomponent vervangen door een andere alcohol, zoals methanol. Grondstoffen met een hoog gehalte aan vrije vetzuren, zoals afgewerkte plantaardige oliën (WVO), vereisen een voorbehandeling van de zure verestering om zeepvorming te voorkomen. Dit zuurkatalyseproces is een zeer langzame reactie, wanneer het wordt uitgevoerd als conventionele batchmethode. De oplossing om het langzame veresteringsproces te versnellen is de toepassing van ultrageluid. Sonificatie zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de reactiesnelheid, de conversie en de biodieselopbrengst, aangezien de sonochemische effecten van ultrageluid met hoog vermogen de zure katalyse bevorderen en intensiveren. Ultrasone cavitatie levert sonomechanische krachten, d.w.z. menging met hoge afschuiving, alsmede sonochemische energie. Deze beide soorten ultrasone effecten (sonomechanisch en sonochemisch) maken de zuurgekatalyseerde verestering tot een snelle reactie waarvoor minder katalysator nodig is.

Omestering van triglyceriden tot biodiesel (FAME) met gebruikmaking van sonicatie leidt tot een versnelde reactie en een aanzienlijk hoger rendement.

Hoe werkt de ultrasone omzetting van biodiesel?

Ultrasoon mengen tussen verschillende fasen in de transesterificatie (ook wel eens alcoholyse genoemd) en de verestering is gebaseerd op de verbetering van de menging en op een verhoogde warmte- en massaoverdracht. Ultrasoon mengen is gebaseerd op het principe van akoestische cavitatie, die optreedt ten gevolge van imploderende vacuümbelletjes in de vloeistof. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door hoge afschuifkrachten en turbulenties, alsmede zeer hoge druk- en temperatuurverschillen. Deze krachten bevorderen de chemische reactie van transesterificatie/verestering en intensiveren de massa en warmteoverdracht, waardoor de reactie van biodieselconversie aanzienlijk wordt verbeterd.
Het is wetenschappelijk en industrieel bewezen dat de toepassing van ultrasone trillingen bij de omzetting van biodiesel de efficiëntie van het proces verbetert. De verbetering van de procesefficiëntie kan worden toegeschreven aan een lager energieverbruik en lagere bedrijfskosten, en het verminderde gebruik van alcohol (d.w.z. methanol), minder katalysator, en een aanzienlijk verkorte reactietijd. De energiekosten voor verwarming vallen weg aangezien er geen externe verwarming nodig is. Bovendien is de fasescheiding tussen biodiesel en glycerol eenvoudiger met een kortere fasescheidingstijd. Een belangrijke factor voor het commerciële gebruik van ultrageluid bij de productie van biodiesel is de eenvoudige opschaling tot elk volume, de betrouwbare en veilige werking en de robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur (industriële standaard, in staat om 24 uur per dag, 7 dagen per week en 365 dagen per jaar continu te werken onder volledige belasting).

Ultrasoon industrieel systeem met flowcel voor inline biodiesel verestering en transesterificatie.

Ultrasoon ondersteunde biodieselconversie in twee stappen met toepassing van zuur- en basegekatalyseerde reactiestappen

Voor grondstoffen met een hoog FFA-gehalte wordt de biodieselproductie uitgevoerd als zuur- of base-gekatalyseerde reactie in een tweefasenproces. Ultrasoon geluid draagt bij tot beide soorten reacties, de zuur-gekatalyseerde verestering en de base-gekatalyseerde transesterificatie:

Zuur-gekatalyseerde verestering met behulp van ultrageluid

Om een teveel aan vrije vetzuren in de grondstof te behandelen, is het veresteringsproces nodig. Als zuurkatalysator wordt gewoonlijk zwavelzuur gebruikt.

• Grondstoffen klaarmaken door ze te filteren en te zuiveren van verontreinigingen en water.
• Los de katalysator, namelijk zwavelzuur, op in methanol. Voer de stroom katalysator/methanol en de grondstof door een warmtewisselaar en een statische menger om een ruw voormengsel te verkrijgen.
• Het voormengsel van katalysator en grondstof gaat rechtstreeks de ultrasone reactiekamer in, waar de ultrafijne menging en sonochemie in werking treden en de vrije vetzuren worden omgezet in biodiesel.
• Tenslotte wordt het product ontwaterd en toegevoerd aan de tweede fase - de ultrasone omestering. De zure natte methanol is na terugwinning, droging en neutralisering klaar voor hergebruik.
• Voor grondstoffen met een zeer hoog FFA-gehalte kan een recirculatieopstelling nodig zijn om het FFA vóór de omestering tot een redelijk niveau terug te brengen.

Esterificatie reactie met behulp van een zure katalysator:
FFA + Alcohol → Ester + Water

Door base gekatalyseerde omestering met behulp van ultrageluid

De grondstof, die nu nog slechts kleine hoeveelheden FFA's bevat, kan rechtstreeks naar de omesteringsfase worden gevoerd. Meestal wordt natriumhydroxide of kaliumhydroxide (NaOH, KOH) als basiskatalysator gebruikt.

• Los de katalysator, namelijk kaliumhydroxide, op in methanol en voer de stromen katalysator/methanol en voorbehandeld uitgangsmateriaal door een statische menger om een ruw voormengsel te verkrijgen.
• Het voormengsel wordt rechtstreeks in de ultrasone reactiekamer gebracht voor het mengen met hoge afschuiving door cavitatie en de sonochemische behandeling. De producten van deze reactie zijn alkylesters (d.w.z. biodiesel) en glycerine. De glycerine kan worden afgescheiden door bezinking of door centrifugeren.
• De ultrasoon geproduceerde biodiesel is van hoge kwaliteit en wordt snel, energiezuinig en kostenefficiënt geproduceerd door besparing van methanol en katalysator.

Omesteringsreactie met behulp van een base-katalysator:
Olie / Vet + Alcohol → Biodiesel + Glycerol

Gebruik van methanol & Terugwinning van methanol

Methanol is een belangrijk bestanddeel bij de productie van biodiesel. De ultrasonisch aangedreven biodieselconversie maakt een aanzienlijk verminderd gebruik van methanol mogelijk. Als u nu denkt "ik maak me niet druk om mijn methanolgebruik, want ik recupereer het toch wel", zou u er nog eens over na kunnen denken en de exorbitant hoge energiekosten in aanmerking kunnen nemen die gelden voor de verdampingsstap (b.v. met behulp van een distillatiekolom), die nodig is om de methanol af te scheiden en te recycleren.
De methanol wordt gewoonlijk verwijderd nadat de biodiesel en de glycerine in twee lagen zijn gescheiden, zodat omkering van de reactie wordt voorkomen. De methanol wordt vervolgens gereinigd en teruggevoerd naar het begin van het proces. Door biodiesel te produceren via ultrasonisch gestuurde verestering en transesterificatie kunt u het methanolgebruik drastisch verminderen, waardoor de exorbitant hoge energie-uitgaven voor de terugwinning van methanol worden teruggedrongen. Het gebruik van Hielscher ultrasone reactoren vermindert de vereiste hoeveelheid overtollige methanol met tot 50%. Een molaire verhouding tussen 1:4 of 1:4,5 (olie : methanol) is voldoende voor de meeste grondstoffen, wanneer Hielscher ultrasoon mengt.

Ultrasone verhoogde omzettingsefficiëntie biodiesel – Wetenschappelijk bewezen

Talrijke onderzoeksgroepen hebben het mechanisme en de effecten van ultrasone transesterificatie van biodiesel onderzocht. Zo heeft het onderzoeksteam van Sebayan Darwin aangetoond dat ultrasone cavitatie de chemische activiteit en de reactiesnelheid verhoogt, wat leidt tot een aanzienlijk verhoogde estervorming. De ultrasone techniek verkortte de reactietijd van de transesterificatie tot 5 minuten – in vergelijking met 2 uur bij mechanisch roeren. De omzetting van triglyceride (TG) naar FAME onder ultrasoonbehandeling leverde 95,6929%wt op met een molaire verhouding methanol/olie van 6:1 en 1%wt natriumhydroxide als katalysator. (cf. Darwin et al. 2010)

Middelgrote en grote ultrasone turbines voor biodieselverwerking

Hielscher Ultrasonics’ levert zowel kleine tot middelgrote als grootschalige industriële ultrasoonprocessoren voor de efficiënte productie van biodiesel op elk volume. Hielscher levert ultrasone systemen op elke schaal en biedt daarmee de ideale oplossing voor zowel kleine producenten als grote bedrijven. Ultrasone biodieselconversie kan worden uitgevoerd als batch of als continu inline proces. De installatie en bediening is eenvoudig, veilig en geeft betrouwbaar hoge outputs van superieure biodiesel kwaliteit.
Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor een reeks productiesnelheden.