Biodieselproductie met superieure proces- en kostenefficiëntie

Ultrasoon mengen is de superieure technologie voor een zeer efficiënte en kosteneffectieve biodieselproductie. Ultrasone cavitatie verbetert de massaoverdracht drastisch, waardoor de productiekosten en de verwerkingstijd afnemen. Tegelijkertijd kunnen oliën en vetten van slechte kwaliteit (bijv. afgewerkte oliën) worden gebruikt en wordt de biodieselkwaliteit verbeterd. Hielscher Ultrasonics levert robuuste ultrasone mengreactoren met hoge prestaties voor elke productieschaal. Lees meer over de voordelen van sonicatie voor uw biodieselproductie!

Voordelen van ultrasoon geluid bij de productie van biodiesel

Biodiesel (vetzuurmethylester, afgekort FAME) is het product van een omesteringsreactie van een lipidegrondstof (triglyceriden, bijv. plantaardige olie, gebruikte bakoliën, dierlijke vetten, algenolie) en alcohol (methanol, ethanol) met behulp van een katalysator (bijv. kaliumhydroxide KOH).
Het probleem: Bij conventionele biodieselomzetting met conventioneel roeren leidt de onmengbaarheid van de beide reactanten van de omesteringsreactie van olie en alcohol tot een lage massaoverdrachtssnelheid, met een inefficiënte biodieselproductie als gevolg. Deze inefficiëntie wordt gekenmerkt door lange reactietijden, hogere molaire verhoudingen van methanol tot olie, een hoge katalysatorbehoefte, hoge procestemperaturen en hoge roersnelheden. Deze factoren zijn belangrijke kostenveroorzakers die conventionele biodieselproductie tot een duur proces maken.
De oplossing: Ultrasoon mengen emulgeert de reactanten op een zeer efficiënte, snelle en goedkope manier, zodat de verhouding tussen olie en methanol kan worden verbeterd, de katalysatorbehoefte wordt verminderd, de reactietijd wordt verkort en de reactietemperatuur wordt verlaagd. Hierdoor worden middelen (d.w.z. chemicaliën en energie) en tijd bespaard en worden de verwerkingskosten verlaagd, terwijl de biodieselkwaliteit en de winstgevendheid van de productie aanzienlijk worden verbeterd. Deze feiten maken ultrasoon mengen tot de voorkeurstechnologie voor doeltreffende biodieselproductie.
Onderzoek en industriële biodieselproducenten bevestigen dat ultrasoon mengen een zeer kosteneffectieve manier is om biodiesel te produceren, zelfs wanneer oliën en vetten van slechte kwaliteit als grondstof worden gebruikt. De ultrasone procesintensivering verbetert de omzettingsgraad aanzienlijk en vermindert het gebruik van overtollige methanol en katalysator, waardoor biodiesel kan worden geproduceerd die voldoet aan de kwaliteitseisen van de specificaties ASTM D6751 en EN 14212. (vgl. Abdullah et al., 2015)

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

Talrijke voordelen van ultrasoon mengen bij de productie van biodiesel

Ultrasone mengreactoren kunnen eenvoudig in elke nieuwe installatie worden geïntegreerd en achteraf in bestaande biodieselfabrieken worden ingebouwd. De integratie van een ultrasone menger van Hielscher maakt van elke biodieselinstallatie een productie-installatie met hoge prestaties. Eenvoudige installatie, robuustheid en gebruiksvriendelijkheid (geen specifieke opleiding voor de bediening vereist) maken het mogelijk elke installatie op te waarderen tot een zeer efficiënte biodieselfabriek. Hieronder presenteren wij u wetenschappelijk bewezen resultaten van voordelen die door onafhankelijke derden zijn gedocumenteerd. De cijfers bewijzen de superioriteit van ultrasoon mengen voor biodiesel ten opzichte van elke conventionele roertechniek.

Het stroomschema toont de stappen van de biodieselproductie, inclusief ultrasoon mengen voor een verbeterde procesefficiëntie.

Vergelijking van efficiëntie en kosten: ultrasoon geluid versus mechanisch roeren

Gholami et al. (2021) presenteren in hun vergelijkende studie de voordelen van ultrasone omestering ten opzichte van mechanisch roeren (d.w.z. bladmenger, roerwaaier, menger met hoge afschuiving).

Lage investeringskosten:
De ultrasone processor en reactor UIP16000 kan 192–384 t biodiesel/d produceren met een benodigd vloeroppervlak van slechts 1,2m x 0,6m. Ter vergelijking: voor mechanisch roeren (MS) is een veel grotere reactor nodig vanwege de lange reactietijd bij het mechanische roerproces, waardoor de reactorkosten aanzienlijk stijgen. (vgl. Gholami et al., 2020)
Lage verwerkingskosten:
De verwerkingskosten voor ultrasone biodieselproductie zijn 7,7% lager dan die voor het roerproces, voornamelijk vanwege de lagere totale investering voor het sonicatieproces. De kosten van chemicaliën (katalysator, methanol/alcohol) zijn de op twee na grootste kostenveroorzaker bij beide processen, sonicatie en mechanisch roeren. Bij ultrasone biodieselomzetting zijn de kosten voor chemicaliën echter aanzienlijk lager dan bij mechanisch roeren. Het kostenaandeel van chemicaliën bedraagt ongeveer 5% van de uiteindelijke biodieselkosten. Door het lagere verbruik van methanol, natriumhydroxide en fosforzuur zijn de kosten voor chemicaliën bij het ultrasone biodieselproces 2,2% lager dan bij het mechanische roerproces.

Lagere energiekosten:
De ultrasone mengreactor verbruikt ongeveer een derde van de energie die de mechanische roerder verbruikt. Deze aanzienlijke vermindering van het energieverbruik is het gevolg van de intensieve micromenging en de verkorte reactietijd die voortkomen uit de vorming en het imploderen van talloze holtes, die kenmerkend zijn voor het verschijnsel akoestische / ultrasone cavitatie (Gholami et al., 2018). Bovendien wordt ten opzichte van de conventionele roerder het energieverbruik voor de stappen methanolterugwinning en biodieselzuivering tijdens het ultrasone mengproces met respectievelijk 26,5% en 1,3% verminderd. Deze afname is te danken aan de kleinere hoeveelheden methanol die bij het ultrasone omesteringsproces deze twee destillatiekolommen binnenkomen.

Sterk verlaagde kosten voor afvalverwerking:
Ultrasone cavitatietechnologie verlaagt ook de kosten voor afvalverwerking aanzienlijk. Deze kosten bedragen bij het sonicatieproces ongeveer een vijfde van die bij het roerproces, als gevolg van de aanzienlijke afname van de afvalproductie door een hogere omzetting in de reactor en een lager alcoholverbruik.
Lees meer over de ultrasone omzetting van oliën uit gebruikt koffiedik tot biodiesel!

Verbeterde milieuvriendelijkheid:
Door de zeer hoge totale efficiëntie, het verminderde chemicaliënverbruik, de lagere energiebehoefte en de verminderde hoeveelheid afval is ultrasone biodieselproductie aanzienlijk milieuvriendelijker dan conventionele processen voor biodieselproductie.

Conclusie – ultrasoon geluid verbetert de efficiëntie van biodieselproductie

De wetenschappelijke beoordeling toont de duidelijke voordelen van ultrasoon mengen ten opzichte van conventioneel mechanisch roeren voor biodieselproductie. De voordelen van ultrasone biodieselverwerking betreffen de totale kapitaalinvestering, de totale productkosten, de netto contante waarde en het interne rendement. De totale investering in het ultrasone cavitatieproces bleek ongeveer 20,8% lager te zijn dan die in het andere proces. Het gebruik van ultrasone reactoren verlaagde de productkosten met 5,2% – bij gebruik van ongebruikte canolaolie. Omdat sonicatie ook de verwerking van gebruikte oliën (bijv. gebruikte bakoliën) mogelijk maakt, kunnen de productiekosten nog aanzienlijk verder worden verlaagd. Gholami et al. (2021) komen tot de conclusie dat het ultrasone cavitatieproces vanwege een positieve netto contante waarde de betere keuze van mengtechnologie voor biodieselproductie is.
Vanuit technisch oogpunt zijn de belangrijkste effecten van ultrasone cavitatie de aanzienlijke procesefficiëntie en de verkorting van de reactietijd. De vorming en het imploderen van talrijke vacuümbellen – bekend als akoestische / ultrasone cavitatie – verkorten de reactietijd van enkele uren in de geroerde tankreactor tot enkele seconden in de ultrasone cavitatiereactor. Deze korte verblijftijd maakt biodieselproductie mogelijk in een doorstroomreactor met een klein benodigd vloeroppervlak. De ultrasone cavitatiereactor heeft ook gunstige effecten op de energie- en materiaalbehoefte: het energieverbruik wordt teruggebracht tot bijna een derde van dat van een geroerde tankreactor en het methanol- en katalysatorverbruik wordt met 25% verminderd.
Vanuit economisch oogpunt is de totale investering in het ultrasone cavitatieproces lager dan die in het mechanische roerproces, voornamelijk door een verlaging van respectievelijk bijna 50% en 11,6% van de kosten van de reactor en de methanoldestillatiekolom. Het ultrasone cavitatieproces verlaagt ook de biodieselproductiekosten door een vermindering van het canolaolieverbruik met 4%, een lagere totale investering, een 2,2% lager chemicaliënverbruik en een 23,8% lagere behoefte aan nutsvoorzieningen. In tegenstelling tot het mechanisch geroerde proces is de ultrasone verwerking een aanvaardbare investering vanwege de positieve netto contante waarde, de kortere terugverdientijd en het hogere interne rendement. Naast de technisch-economische voordelen van het ultrasone cavitatieproces is het milieuvriendelijker dan het mechanische roerproces. Ultrasone cavitatie resulteert in een vermindering van de afvalstromen met 80% door de hogere omzetting in de reactor en het verminderde alcoholverbruik bij dit proces. (vgl. Gholami et al., 2021)

Zet grondstoffen van lage kwaliteit om in onberispelijke biodiesel!

Sonicatie maakt het mogelijk om grondstoffen van slechte kwaliteit, zoals afgewerkte plantaardige oliën, gebruikte frituurvetten, talg of visoliën, effectiever te verwerken, omdat ultrasone cavitatie een veel beter contact tussen de onmengbare olie- en alcoholfasen afdwingt en zo zowel de menging als de warmte- en massaoverdracht sterk verbetert. Ook versnelt sonicatie de reactiekinetiek, zodat zelfs moeilijk te verwerken, variabele grondstoffen sneller en vollediger kunnen worden omgezet.
Akoestische cavitatie intensiveert de reactieomgeving en kan de vorming van zeer reactieve radicalen bevorderen, wat snelle omestering verder ondersteunt en helpt de gebruikelijke verwerkingsnadelen van laagwaardige grondstoffen te overwinnen.
Lees hoe sonicatie afgewerkte oliën en vetten omzet in biodiesel!

Gebruik de katalysator van uw keuze

Het ultrasone omesteringsproces voor biodiesel is efficiënt gebleken bij gebruik van zowel alkalische als basische katalysatoren. Zo vergeleken Shinde en Kaliaguine (2019) de efficiëntie van ultrasoon mengen en mechanisch mengen met een bladmenger bij gebruik van verschillende katalysatoren, namelijk natriumhydroxide (NaOH), kaliumhydroxide (KOH), (CH₃ONa), tetramethylammoniumhydroxide en vier guanidinen (propyl-2,3-dicyclohexylguanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethylguanidine(TMG), 1,3-difenylguanidine (DPG)). Ultrasoon mengen (bij 35º) bleek superieur voor biodieselproductie en presteerde beter dan mechanisch mengen (bij 65º) door hogere opbrengsten en een hogere omzettingsgraad. De efficiëntie van de massaoverdracht in het ultrasone veld verhoogde de snelheid van de omesteringsreactie ten opzichte van mechanisch roeren. Sonicatie presteerde beter dan mechanisch roeren bij alle geteste katalysatoren. Het uitvoeren van de omesteringsreactie met ultrasone cavitatie is een energie-efficiënt en industrieel haalbaar alternatief voor biodieselproductie. Naast de veelgebruikte katalysatoren KOH en NaOH zijn beide guanidinekatalysatoren, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) en 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), interessante alternatieven voor biodieselomzetting gebleken.
Mootabadi et al. (2010) onderzochten de ultrasoon ondersteunde synthese van biodiesel uit palmolie met diverse alkalimetaaloxidekatalysatoren zoals CaO, BaO en SrO. De activiteit van de katalysator bij ultrasoon ondersteunde biodieselsynthese werd vergeleken met die bij het traditionele magnetische roerproces. Daarbij bleek dat het ultrasone proces bij gebruik van BaO binnen een reactietijd van 60 min een opbrengst van 95,2% opleverde, waarvoor bij het conventionele roerproces anders 3–4 h nodig is. Voor ultrasoon ondersteunde omestering onder optimale omstandigheden was 60 min nodig om een opbrengst van 95% te bereiken, vergeleken met 2–4 h bij conventioneel roeren. Ook stegen de met ultrasoon geluid in 60 min behaalde opbrengsten van 5,5% tot 77,3% bij gebruik van CaO als katalysator, van 48,2% tot 95,2% bij gebruik van SrO als katalysator en van 67,3% tot 95,2 bij gebruik van BaO als katalysator.

Biodieselproductie met verschillende guanidinen (3% mol) als katalysator. (A) Batchreactor met mechanisch roeren: (methanol:canolaolie) 4:1, temperatuur 65ºC; (B) Ultrasone batchreactor: sonicator UP200St, (methanol:canolaolie) 4:1, 60% US-amplitude, temperatuur 35ºC. Mengen met ultrasoon geluid presteert veel beter dan mechanisch roeren.
(Studie en grafieken: Shinde en Kaliaguine, 2019)

Ultrasone reactoren met hoge prestaties voor superieure biodieselverwerking

Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone processors en reactoren met hoge prestaties voor verbeterde biodieselproductie, met hogere opbrengsten, verbeterde kwaliteit, kortere verwerkingstijden en lagere productiekosten als resultaat.

Biodieselreactoren voor kleine en middelgrote productieschaal

Voor biodieselproductie op kleine en middelgrote schaal tot 9ton/hr (2900 gal/hr) biedt Hielscher u de volgende modellen ultrasone mengers met hoge afschuiving: UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt), en UIP2000hdT (2000 watt) . Deze vier ultrasone reactoren zijn zeer compact en eenvoudig te integreren of achteraf in te bouwen. Ze zijn gebouwd voor zwaar gebruik onder zware omgevingsomstandigheden. Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor uiteenlopende productiesnelheden.

Industriële biodieselreactoren met een zeer grote verwerkingscapaciteit

Voor biodieselproductie-installaties voor industriële verwerking biedt Hielscher de volgende ultrasone homogenisatoren: UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) en UIP16000hdT (16kW) ! Deze ultrasone processors zijn ontworpen voor continue verwerking bij hoge debieten. De UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP10000 kunnen in standaard zeevrachtcontainers worden geïntegreerd. Als alternatief zijn alle vier de processormodellen verkrijgbaar in roestvrijstalen kasten. Een rechtopstaande installatie vereist minimale ruimte. Hieronder vindt u aanbevolen opstellingen voor typische industriële verwerkingssnelheden.