Biodiesel via ultrasoon verbeterde (trans-)verestering

Biodiesel wordt gesynthetiseerd via transesterificatie met behulp van een base-katalysator. Als 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 zure katalysator vereist. Ultrasoon geluid en zijn sonochemische en sonomechanische effecten dragen bij aan beide reactietypes en verhogen de efficiëntie van de biodieselomzetting aanzienlijk. Ultrasone biodieselproductie is aanzienlijk sneller dan de conventionele biodieselsynthese, resulteert in een hogere biodieselopbrengst en -kwaliteit en bespaart reagentia zoals methanol en katalysator.

Biodieselconversie met ultrageluidvermogen

Voor biodiesel worden vetzuuresters geproduceerd door omestering van plantaardige oliën en dierlijke vetten (bijvoorbeeld talg). Tijdens de transesterificatiereactie 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 zure katalyseproces 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. Sonicatie zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de reactiesnelheid, conversie en biodieselopbrengst, omdat de sonochemische effecten van ultrageluid met hoog vermogen de zure katalyse bevorderen en intensiveren. Ultrasone cavitatie levert zowel sonomechanische krachten, d.w.z. mengen onder hoge schuifspanning, als sonochemische energie. Deze beide soorten ultrasone impact (sonomechanisch en sonochemisch) veranderen de zuurgekatalyseerde verestering in een snelle reactie waarvoor minder katalysator nodig is.

Hoe werkt ultrasone biodieselconversie?

Ultrasoon mengen tussen verschillende fasen in de omestering (soms ook alcoholyse genoemd) en verestering is gebaseerd op het verbeteren van het mengen en op een verhoogde warmte- en massaoverdracht. Ultrasoon mengen is gebaseerd op het principe van akoestische cavitatie, dat optreedt als gevolg van imploderende vacuümbellen in de vloeistof. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door hoge schuifkrachten en turbulenties, evenals 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 verbetert.

Transesterificatie van triglyceriden tot biodiesel (FAME) met behulp van sonicatie resulteert in een versnelde reactie en een aanzienlijk hoger rendement.

Het is wetenschappelijk en industrieel bewezen dat de toepassing van ultrasoon geluid tijdens de omzetting van biodiesel het proces efficiënter maakt. De verbetering van de procesefficiëntie kan worden toegeschreven aan een lager energieverbruik en lagere bedrijfskosten, een lager gebruik van alcohol (d.w.z. methanol), minder katalysator en een aanzienlijk kortere reactietijd. De energiekosten voor verwarming vallen weg omdat er geen externe verwarming nodig is. Bovendien is de fasescheiding tussen biodiesel en glycerol eenvoudiger met een kortere fasescheidingstijd. Een belangrijke factor voor commercieel gebruik van ultrasoon geluid bij de productie van biodiesel is de eenvoudige schaalvergroting tot elk volume, de betrouwbare en veilige werking en de robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur (industriële standaard, in staat om 24/7/365 continu te draaien onder volledige belasting).

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

Ultrasoon gestuurde tweestaps biodieselconversie met zuur- en basekatalyse-reactiestappen

Voor grondstoffen met een hoog FFA-gehalte wordt de biodieselproductie uitgevoerd als zuur- of basegekatalyseerde reactie in een tweefasenproces. Ultrasoon geluid draagt bij aan beide soorten reacties, zowel de zuur gekatalyseerde verestering als de basisch gekatalyseerde omestering:

Zuur-gekatalyseerde verestering met behulp van ultrageluid

Om een overmaat aan vrije vetzuren in de grondstof te behandelen, is het veresteringsproces nodig. Zwavelzuur wordt gewoonlijk gebruikt als zure katalysator.

• Bereid grondstoffen voor door ze te filteren en te zuiveren van verontreinigingen en water.
• Los de katalysator, namelijk zwavelzuur, op in methanol. Voer de katalysator/methanolstroom en de grondstof door een warmtewisselaar en een statische menger om een ruw voormengsel te verkrijgen.
• Het voormengsel van katalysator en grondstof gaat direct de ultrasone reactiekamer in, waar de ultrafijne menging en sonochemie in werking treden en de vrije vetzuren worden omgezet in biodiesel.
• Tot slot wordt het product ontwaterd en naar de tweede fase geleid - de ultrasone omestering. De zure natte methanol is na terugwinning, droging en neutralisatie klaar voor hergebruik.
• Voor grondstoffen met een zeer hoog FFA-gehalte kan een recirculatieopstelling nodig zijn om het FFA te verlagen tot een redelijk niveau vóór de transesterificatiestap.

Veresteringsreactie met een zure katalysator:
FFA + Alcohol → Ester + Water

Basisgekatalyseerde Transesterificatie met behulp van ultrageluid

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

• Los de katalysator, namelijk kaliumhydroxide, op in methanol en voer de stromen katalysator/methanol en voorbehandelde grondstof door een statische menger om een ruw voormengsel te verkrijgen.
• Voer het voormengsel rechtstreeks naar de ultrasone reactiekamer voor het cavitatief mengen met hoge schuifkracht 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 centrifugeren.
• De ultrasoon geproduceerde biodiesel is van hoge kwaliteit en wordt snel, energiezuinig en kostenefficiënt geproduceerd door methanol en katalysator te besparen.

Transesterificatiereactie met een base-katalysator:
Olie / Vet + Alcohol → Biodiesel + Glycerol

Gebruik van methanol & Methanol terugwinning

Methanol is een belangrijk bestanddeel bij de productie van biodiesel. De ultrasoon aangedreven omzetting van biodiesel maakt een aanzienlijk verminderd gebruik van methanol mogelijk. Als je nu denkt "Ik maak me niet druk om mijn methanolgebruik, want ik win het toch terug", denk dan nog eens na over de exorbitant hoge energiekosten die gelden voor de verdampingsstap (bijv. met behulp van een distillatiekolom), die nodig is om de methanol te scheiden en te recyclen.
Methanol wordt meestal verwijderd nadat de biodiesel en glycerine in twee lagen zijn gescheiden, om omkering van de reactie te voorkomen. De methanol wordt vervolgens gereinigd en teruggevoerd naar het begin van het proces. Als je biodiesel produceert via ultrasoon gestuurde verestering en omestering, kun je het gebruik van methanol drastisch verminderen, waardoor de exorbitant hoge energie-uitgaven voor methanolterugwinning worden beperkt. Het gebruik van Hielscher ultrasone reactoren vermindert de benodigde hoeveelheid overtollige methanol met wel 50%. Een molaire verhouding tussen 1:4 of 1:4,5 (olie : methanol) is bij gebruik van Hielscher ultrasoon mengen voldoende voor de meeste grondstoffen.

Ultrasoon verhoogd omzettingsrendement biodiesel – wetenschappelijk bewezen

Verschillende onderzoeksgroepen hebben het mechanisme en de effecten van ultrasone omestering van biodiesel onderzocht. Het onderzoeksteam van Sebayan Darwin toonde bijvoorbeeld aan dat ultrasone cavitatie de chemische activiteit en reactiesnelheid verhoogde, wat resulteerde in een aanzienlijk verhoogde estervorming. De ultrasone techniek verkortte de reactietijd van de omestering tot 5 minuten. – in vergelijking met 2 uur voor mechanisch roeren. De omzetting van triglyceride (TG) in FAME onder ultrasoonbehandeling bereikte 95,6929%wt met een molaire verhouding methanol/olie van 6:1 en 1%wt natriumhydroxide als katalysator. (Zie Darwin et al. 2010)

Ultrasone machines op middelgrote en grote schaal voor biodieselverwerking

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