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.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


3x UIP1000hdT ultrasonicators for highly efficient biodiesel transesterification

Ultrasoon mengen verbetert de omzettingssnelheid van biodiesel, verhoogt de opbrengst en bespaart overtollige methanol en katalysator.De foto toont de installatie van 3x UIP1000hdT (elk 1kW ultrageluidsvermogen) voor inline verwerking.

Ultrasonic transesterification improves biodiesel conversion.

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).

Hielscher ultrasonic reactor for biodiesel transesterification with superior process efficiency

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

Process chart showing the biodiesel process in continuous flow mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrasone verestering en omestering kunnen als batch of continu inline proces worden uitgevoerd. De grafiek toont het ultrasone inline-proces voor de omestering van biodiesel (FAME).


Process chart showing the biodiesel process in batch mode. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrasone verestering en transesterificatie kunnen worden uitgevoerd als batch of continu inline proces. Deze grafiek toont het ultrasone batchproces voor de omzetting van biodiesel.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


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.

Process chart showing the biodiesel processing steps. Ultrasound can improve esterification and transesterification significantly.

Ultrasone verestering is een voorbehandelingsstap waarbij laagwaardige grondstoffen met een hoog gehalte aan FFA's worden omgezet in esters. In de tweede stap van ultrasone transesterificatie worden de triglyceriden omgezet in biodiesel (FAME).

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


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)

Gholami et al. (2021) toonden de superieure efficiëntie aan van ultrasoon geassisteerde biodiesel transesterificatie in vergelijking met mechanisch roeren. Het onderzoeksteam vergeleek daarom twee biodieselinstallaties op basis van de conventionele mechanische roering en ultrasone cavitatie, die werden ontworpen met behulp van Aspen HYSYS V8.4. De totale investering, de kosten van de producten, de netto contante waarde en de interne rentabiliteit werden gebruikt om de twee processen te vergelijken – ultrasoonapparaat en mechanische strirrer – met elkaar. De totale investering in het ultrasone cavitatieproces was ongeveer 20,8% lager dan die van het mechanisch roerproces. In vergelijking met het conventionele proces leidde het gebruik van ultrasone reactoren ook tot een daling van de productkosten met 5,2%. Dankzij een positieve netto contante waarde en een interne rentabiliteit van 18,3% was het ultrasone cavitatieproces een betere keuze. Bovendien resulteerde ultrasone cavitatie in een significante vermindering van zowel de verbruikte energie als de productie van afvalstoffen. Het totale energieverbruik werd met 6,9% verminderd wanneer ultrasone cavitatie werd toegepast. De hoeveelheid afval die werd geproduceerd in het met ultrasoon geluid ondersteunde proces bedroeg een vijfde van die in het mechanisch roerproces.

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.

ton / hr
gal / hr
1x UIP500hdT
00,25-0,5
80-160
1x UIP1000hdT
00,5-1,0
160-320
1x UIP1500hdT
00,75-1,5
240-480
2x UIP1000hdT
1,0-2,0
320-640
2x UIP1500hdT
1,5-3,0
480-960
4x UIP1500hdT
3,0-6,0
960-1920
6x UIP1500hdT
4,5-9,0
1440-2880

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier om aanvullende informatie aan te vragen over ultrasone processoren, toepassingen en prijs. Wij bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem aan dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.



Literatuur / Referenties


Feiten die de moeite waard zijn om te weten

biodiesel Production

Biodiesel wordt geproduceerd wanneer trigyceriden worden omgezet in vrije vetmethylesters (FAME) via een chemische reactie die transesterificatie wordt genoemd. Tijdens de omestering reageren trigylceriden in plantaardige oliën of dierlijke vetten in aanwezigheid van een katalysator (bv. kaliumhydroxide of natriumhydroxide) met een primaire alcohol (bv. methanol). Bij deze reactie worden alkylesters gevormd uit de grondstof plantaardige olie of dierlijk vet. Triglyceriden zijn glyceriden waarin de glycerol veresterd is met lange ketenzuren, vetzuren genaamd. Deze vetzuren zijn overvloedig aanwezig in plantaardige olie en dierlijke vetten. Aangezien biodiesel kan worden geproduceerd uit verschillende grondstoffen, zoals plantaardige oliën van eerste persing, afvaloliën van plantaardige oorsprong, gebruikte frituurolie en dierlijke vetten zoals talg en reuzel, kan de hoeveelheid vrije vetzuren (FFA's) sterk variëren. Het percentage vrije vetzuren van de triglyceriden is een cruciale factor die het biodieselproductieproces en de resulterende biodieselkwaliteit drastisch beïnvloedt. Een hoog gehalte aan vrije vetzuren kan het omzettingsproces verstoren en de uiteindelijke kwaliteit van de biodiesel aantasten. Het voornaamste probleem is dat vrije vetzuren (FFA's) reageren met alkalikatalysatoren, wat leidt tot de vorming van zeep. Zeepvorming veroorzaakt vervolgens problemen bij de afscheiding van glycerol. Daarom is voor grondstoffen met een hoog gehalte aan FFA's meestal een voorbehandeling nodig (een zogenaamde veresteringsreactie), waarbij de FFA's worden omgezet in esters. Ultrasoonbehandeling bevordert beide reacties, transesterificatie en esterificatie.

Chemische reactie van verestering

Esterificatie is het proces waarbij een organisch zuur (RCOOH) wordt gecombineerd met een alcohol (ROH) om een ester (RCOOR) en water te vormen.

Gebruik van methanol bij zure verestering

Wanneer zure verestering wordt gebruikt om de FFA's in grondstoffen te verminderen, is de onmiddellijke energiebehoefte betrekkelijk gering. Tijdens de veresteringsreactie ontstaat echter water – waarbij natte, zure methanol ontstaat, die moet worden geneutraliseerd, gedroogd en teruggewonnen. Dit proces van terugwinning van methanol is duur.
Als de grondstoffen 20 tot 40 % of zelfs meer FFA's bevatten, kunnen meerdere stappen nodig zijn om ze tot een aanvaardbaar niveau terug te brengen. Dit betekent dat er nog meer zure, natte methanol ontstaat. Na het neutraliseren van de zure methanol vereist het drogen meerfasendistillatie met aanzienlijke refluxsnelheden, wat resulteert in een zeer hoog energieverbruik.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.