Biodiesel via ultrasoon verbeterde (trans)esterificatie

Biodiesel wordt gesynthetiseerd via transesterificatie met behulp van een basische katalysator. Wanneer echter grondstoffen zoals laagwaardige afgewerkte plantaardige oliën met een hoog gehalte aan vrije vetzuren worden gebruikt, is een chemische voorbehandelingsstap door esterificatie met een zure katalysator vereist. Ultrasone behandeling en de bijbehorende sonochemische en sonomechanische effecten dragen bij aan beide reactietypen en verhogen de efficiëntie van de biodieselconversie drastisch. Ultrasone biodieselproductie is aanzienlijk sneller dan conventionele biodieselsynthese, resulteert in een hogere biodieselopbrengst en betere kwaliteit en bespaart reagentia zoals methanol en katalysator.

Biodieselconversie met hoogvermogenultrasoon

Voor biodiesel worden vetzuuresters geproduceerd door transesterificatie van zowel plantaardige oliën als dierlijke vetten (bijv. talg). Tijdens de transesterificatiereactie wordt de glycerolcomponent vervangen door een andere alcohol, zoals methanol. Grondstoffen met een hoog gehalte aan vrije vetzuren, bijv. afgewerkte plantaardige oliën (WVO), vereisen een voorbehandeling door zure esterificatie om zeepvorming te voorkomen. Dit proces van zure katalyse verloopt zeer langzaam wanneer het als conventionele batchmethode wordt uitgevoerd. De oplossing om het langzame esterificatieproces te versnellen is de toepassing van hoogvermogenultrasoon. Sonicatie zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de reactiesnelheid, conversie en biodieselopbrengst, doordat de sonochemische effecten van hoogvermogenultrasoon de zure katalyse bevorderen en intensiveren. Ultrasone cavitatie levert sonomechanische krachten, d.w.z. menging met hoge afschuiving, evenals sonochemische energie. Deze beide soorten ultrasone effecten (sonomechanisch en sonochemisch) maken van de zuurgekatalyseerde esterificatie een snelle reactie waarvoor minder katalysator nodig is.

Hoe werkt ultrasone biodieselconversie?

Ultrasone behandeling tussen verschillende fasen bij transesterificatie (soms ook alcoholyse genoemd) en esterificatie berust op verbeterde menging en een verhoogde warmte- en massaoverdracht. Ultrasoon mengen berust op het principe van akoestische cavitatie, die optreedt als gevolg van imploderende vacuümbellen in de vloeistof. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door hoge afschuifkrachten en turbulentie, evenals zeer grote druk- en temperatuurverschillen. Deze krachten bevorderen de chemische reactie van transesterificatie / esterificatie en intensiveren de massa- en warmteoverdracht, waardoor de reactie voor biodieselconversie aanzienlijk verbetert.

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

Het is wetenschappelijk en industrieel aangetoond dat de toepassing van ultrasoon tijdens biodieselconversie de procesefficiëntie verbetert. De verbetering van de procesefficiëntie kan worden toegeschreven aan een lager energieverbruik en lagere bedrijfskosten, een verminderd gebruik van alcohol (d.w.z. methanol), minder katalysator en een aanzienlijk kortere reactietijd. Energiekosten voor verwarming vervallen, omdat externe verwarming niet nodig is. Bovendien is de fasescheiding tussen biodiesel en glycerol eenvoudiger en duurt deze korter. Belangrijke factoren voor het commerciële gebruik van ultrasoon bij biodieselproductie zijn de eenvoudige opschaling naar elk volume, de betrouwbare en veilige werking en de robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur (industriële standaard, geschikt om continu 24/7/365 onder volle belasting te werken).

Industrieel ultrasoon systeem met doorstroomcel voor inline-esterificatie en -transesterificatie bij biodieselproductie.

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

Voor grondstoffen met een hoog FFA-gehalte wordt de biodieselproductie uitgevoerd als zuur- of basegekatalyseerde reactie in een proces met twee fasen. Ultrasoon draagt bij aan beide reactietypen: de zuurgekatalyseerde esterificatie en de basegekatalyseerde transesterificatie:

Zuurgekatalyseerde esterificatie met ultrasoon

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

• Bereid de grondstof voor door deze 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 grof voormengsel te verkrijgen.
• Het voormengsel van katalysator en grondstof gaat rechtstreeks naar de ultrasone reactiekamer, waar de ultrafijne menging en sonochemie hun werking uitoefenen en de vrije vetzuren in biodiesel worden omgezet.
• Ontwater ten slotte het product en voer het naar de tweede fase – de ultrasone transesterificatie. De zure, waterhoudende 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-gehalte vóór de transesterificatiestap tot een redelijk niveau te verlagen.

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

Lees meer over de ultrasoon verbeterde zuurgekatalyseerde esterificatie van FFA’s!
 
 

Basegekatalyseerde transesterificatie met ultrasoon

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

• Los de katalysator, namelijk kaliumhydroxide, op in methanol en voer de stromen katalysator/methanol en voorbehandelde grondstof door een statische menger om een grof voormengsel te verkrijgen.
• Voer het voormengsel rechtstreeks naar de ultrasone reactiekamer voor menging met hoge afschuiving door cavitatie en voor 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 vervaardigd door methanol en katalysator te besparen.

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

Methanolgebruik & methanolterugwinning

Methanol is een belangrijk bestanddeel bij biodieselproductie. Ultrasoon aangedreven biodieselconversie maakt een aanzienlijk lager methanolgebruik mogelijk. Als u nu denkt: “Mijn methanolgebruik maakt me niet uit, want ik win het toch terug”, kunt u dat wellicht heroverwegen en rekening houden met de buitensporig hoge energiekosten voor de verdampingsstap (bijv. met een destillatiekolom), die nodig is om de methanol te scheiden en te recyclen.
Methanol wordt gewoonlijk verwijderd nadat de biodiesel en glycerine in twee lagen zijn gescheiden, waardoor omkering van de reactie wordt voorkomen. De methanol wordt vervolgens gezuiverd en teruggevoerd naar het begin van het proces. Door biodiesel te produceren via ultrasoon aangedreven esterificatie en transesterificatie kunt u uw methanolgebruik drastisch verminderen en daarmee de buitensporig hoge energiebehoefte voor methanolterugwinning verlagen. Het gebruik van ultrasone reactoren van Hielscher vermindert de benodigde hoeveelheid overtollige methanol met maximaal 50%. Een molaire verhouding tussen 1:4 en 1:4,5 (olie : methanol) is voor de meeste grondstoffen voldoende wanneer ultrasoon mengen van Hielscher wordt gebruikt.

Ultrasoon verhoogde efficiëntie van biodieselconversie – wetenschappelijk bewezen

Talrijke onderzoeksgroepen hebben het mechanisme en de effecten van ultrasone transesterificatie voor 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 transesterificatie tot 5 minuten – tegenover 2 uur bij verwerking met mechanisch roeren. De conversie van triglyceride (TG) naar FAME onder ultrasone behandeling bereikte 95,6929%wt met een molaire verhouding van methanol tot olie van 6:1 en 1%wt natriumhydroxide als katalysator. (vgl. Darwin et al. 2010)

Middelgrote sonicatoren en sonicatoren voor grootschalige biodieselverwerking

Hielscher Ultrasonics levert kleine tot middelgrote en grootschalige industriële ultrasone processoren voor de efficiënte productie van biodiesel bij elk volume. Door ultrasone systemen voor elke schaal aan te bieden, kan Hielscher de ideale oplossing bieden voor zowel kleine producenten als grote bedrijven. Ultrasone biodieselconversie kan als batchproces of als continu inlineproces worden uitgevoerd. De installatie en bediening zijn eenvoudig en veilig en leveren betrouwbaar een hoge productie van biodiesel van superieure kwaliteit op.
Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor verschillende productiesnelheden.