Przekształcanie zużytego oleju spożywczego w niezawodny biodiesel do silników wysokoprężnych

Zużyty olej spożywczy jest jednym z najbardziej atrakcyjnych surowców do produkcji biodiesla dostępnych obecnie. Jest tani, powszechnie dostępny i pomaga rozwiązać problem zagospodarowania odpadów. Wiąże się jednak również z dobrze znanym wyzwaniem technologicznym: surowce niskiej jakości, takie jak odpadowe oleje roślinne, zużyte oleje spożywcze, tłuszcze smażalnicze, tłuszcze zwierzęce, łój czy oleje rybne, trudniej jest efektywnie przekształcić niż rafinowane oleje świeże.

Niedawne badanie dotyczące transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami pokazuje, jak można przezwyciężyć ten problem dzięki mieszaniu ultradźwiękowemu. Badacze zoptymalizowali produkcję biodiesla ze zużytego oleju spożywczego (WCO), a następnie przetestowali otrzymany biodiesel oraz mieszanki biodiesla z olejem napędowym w silniku wysokoprężnym. Ich wyniki potwierdzają dwa istotne wnioski: po pierwsze, sonikacja umożliwia szybką konwersję z wysoką wydajnością nawet w przypadku trudnych surowców; po drugie, otrzymane mieszanki biodiesla z olejem napędowym można stosować w silnikach wysokoprężnych bez modyfikacji, uzyskując osiągi zbliżone do osiągów na oleju napędowym i korzystniejsze parametry emisji.

Chcesz przekształcać tanie oleje odpadowe w biodiesel o wysokiej wartości?

Ultradźwiękowe reaktory Hielscher do produkcji biodiesla pomagają producentom przekształcać trudne surowce, takie jak zużyty olej spożywczy, tłuszcze smażalnicze, łój i olej rybny, zapewniając większą szybkość reakcji, krótszy czas przebywania i wyższą efektywność procesu. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój surowiec, docelową wydajność oraz konfigurację reaktora do ciągłej ultradźwiękowej produkcji biodiesla.

Dlaczego surowce niskiej jakości są trudne w produkcji biodiesla

Tanie surowce do produkcji biodiesla są atrakcyjne, ponieważ koszt surowca dominuje w ekonomice produkcji. Badanie opublikowane w 2025 roku przez Belala i współpracowników wykazuje, że zużyte oleje i tłuszcze spożywcze można efektywnie przekształcać w biodiesel dzięki mieszaniu ultradźwiękowemu. Następnie biodiesel wytworzony ultradźwiękowo z powodzeniem zastosowano w silnikach wysokoprężnych.
Chociaż wykorzystanie olejów odpadowych pozwala uniknąć problemu konkurencji między żywnością a paliwami związanego z olejami jadalnymi, wyzwaniem pozostaje większa zmienność i trudniejsze przetwarzanie surowców niskiej jakości. W konwencjonalnej transestryfikacji fazy alkoholowa i olejowa nie mieszają się ze sobą, dlatego efektywność reakcji w dużym stopniu zależy od tego, jak skutecznie układ przezwycięża ograniczenia transportu masy. W przypadku zdegradowanych lub niskiej jakości olejów i tłuszczów ograniczenia te nasilają się, często prowadząc do wolniejszej konwersji, dłuższego czasu przebywania, trudniejszego rozdzielania faz i mniej efektywnego przetwarzania ogółem. Właśnie tutaj mieszanie ultradźwiękowe przynosi przełomową zmianę.

Dlaczego sonikacja umożliwia wykorzystanie surowców niskiej jakości

Sonikacja pozwala skuteczniej przetwarzać surowce niskiej jakości, takie jak odpadowe oleje roślinne, zużyte oleje spożywcze, tłuszcze smażalnicze, łój wołowy czy oleje rybne, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa wymusza znacznie lepszy kontakt między niemieszającymi się fazami olejową i alkoholową, istotnie poprawiając mieszanie oraz transport ciepła i masy. Ponadto mieszanie ultradźwiękowe wywołuje zarówno efekty fizyczne, jak i chemiczne: kawitacja ultradźwiękowa intensyfikuje środowisko reakcji i może sprzyjać powstawaniu wysoce reaktywnych rodników, które dodatkowo przyspieszają kinetykę reakcji i wspomagają szybszą, pełniejszą transestryfikację.
Właśnie dlatego sonikacja jest tak cenna w przypadku surowców niższej jakości. Kompensuje ograniczenia, które zwykle utrudniają przetwarzanie tych surowców w układach konwencjonalnych.

Co osiągnięto w badaniu dzięki sonikacji

Dla przemysłowych producentów biodiesla kluczowym wynikiem jest intensyfikacja procesu osiągnięta dzięki sonikacji, a nie sama niewielka instalacja laboratoryjna. W zoptymalizowanych warunkach ultradźwiękowych badanie Belala i współpracowników (2025) pozwoliło uzyskać wydajność biodiesla wynoszącą 96,65%. W porównaniu z konwencjonalnym procesem referencyjnym autorów transestryfikacja wspomagana ultradźwiękami skróciła czas reakcji z 90 minut do 6 minut oraz czas rozdzielania biodiesla i glicerolu z 720 minut do 30 minut.
Wyniki te są bardzo istotne dla przemysłowej produkcji biodiesla, ponieważ pokazują, że sonikacja nie tylko nieznacznie poprawia mieszanie – zasadniczo przyspiesza konwersję i późniejsze rozdzielanie.
 

Metoda ultradźwiękowa osiąga około 75% konwersji w ciągu pierwszych 1,5 minuty, a po 6 minutach stabilizuje się na poziomie około 90% konwersji.
Metoda konwencjonalna wykazuje znacznie wolniejsze tempo konwersji, osiągając jedynie około 40% konwersji po 8 minutach.
Badanie i wykres: ©Fayyyazi et al. 2014

Jak przekłada się to na ciągłe przepływowe przetwarzanie biodiesla z wykorzystaniem urządzeń Hielscher

W zastosowaniach przemysłowych wyniki te bezpośrednio przekładają się na zalety ciągłego przepływowego przetwarzania biodiesla za pomocą ultradźwięków z wykorzystaniem przemysłowych sonikatorów i reaktorów Hielscher. Ten sam mechanizm kawitacji wykazany w badaniu – intensywniejsze mieszanie, lepszy kontakt na granicy faz, szybszy transport ciepła i masy oraz przyspieszona kinetyka reakcji – odpowiada za efektywność ultradźwiękowych reaktorów pracujących w linii procesowej.
W trybie ciągłym olej, alkohol i katalizator są pompowane przez strefę reaktora ultradźwiękowego, w której kawitacja o wysokiej intensywności nieprzerwanie dysperguje fazy i wywołuje ich reakcję. Umożliwia to skrócenie czasu przebywania, szybszą konwersję, bardziej niezawodne przetwarzanie tanich surowców o zmiennych właściwościach oraz szybsze późniejsze rozdzielanie. Dla producentów przemysłowych wykorzystujących WCO, zużyte tłuszcze smażalnicze, łój lub olej rybny najważniejszy wniosek jest jasny: sonikacja zwiększa atrakcyjność komercyjną trudnych surowców, zapewniając lepszą konwersję w krótszym czasie.

Sonikacja poprawia jakość paliwa

Kluczowe jest to, że nieprzetworzone oleje odpadowe nie nadają się jako paliwa silnikowe. W analizie termograwimetrycznej przeprowadzonej w badaniu porównano olej napędowy, nieprzetworzony WCO, biodiesel wytworzony konwencjonalnie oraz biodiesel wytworzony z zastosowaniem mieszania ultradźwiękowego. Autorzy stwierdzili, że nieprzetworzony WCO wykazywał najgorsze właściwości odparowywania, podczas gdy biodiesel wytworzony ultradźwiękowo wykazywał lepsze właściwości odparowywania zarówno w porównaniu z nieprzetworzonym WCO, jak i nawet z biodieslem otrzymanym metodą tradycyjnej transestryfikacji.
Ma to znaczenie, ponieważ słabe odparowywanie i niewłaściwe rozpylanie należą do głównych przyczyn, dla których nieprzetworzone oleje odpadowe mogą powodować zanieczyszczenie wtryskiwaczy, niecałkowite spalanie i powstawanie osadów. W badaniu zauważono, że nieprzetworzony WCO zawierał nierozpuszczalne oligomery, które mogą uszkadzać silnik przez zatykanie układu wtryskowego, natomiast prawidłowa transestryfikacja znacznie poprawia właściwości użytkowe paliwa.

Czy mieszanki biodiesla z olejem napędowym można bezproblemowo stosować w silnikach wysokoprężnych?

Badanie Belala i współpracowników (2025) pokazuje, że tak – biodiesel wytworzony ultradźwiękowo można bezproblemowo stosować w standardowych silnikach wysokoprężnych. Badacze przetestowali mieszanki B10, B20, B30, B40 i B100 w silniku wysokoprężnym pracującym ze stałą prędkością obrotową przy zmiennym obciążeniu. Doszli do wniosku, że olej napędowy można zastąpić biodieslem z WCO lub mieszankami biodiesla z olejem napędowym bez modyfikacji silnika, a zalecaną mieszanką jest B40, ponieważ łączy porównywalne osiągi silnika z wyraźnie korzystniejszymi parametrami emisji.
Nawet jeśli nie każdy wskaźnik jest identyczny jak w przypadku kopalnego oleju napędowego, mieszanki te pozostają w pełni przydatne do standardowej pracy silników wysokoprężnych, a różnice w osiągach są niewielkie i korzyści w zakresie emisji znaczne.
 

Różne mieszanki biodiesla z olejem napędowym przy obciążeniu silnika 10–100%. – Po lewej: zmiany BSFC / Po prawej: zmiany BTE dla różnych mieszanek biodiesla z olejem napędowym przy obciążeniu silnika 10–100%
Badanie i wykresy: ©Belal et al., 2025

Osiągi silnika: zbliżone do osiągów na oleju napędowym, z niewielkimi kompromisami

Badanie wykazało, że mieszanki biodiesla zapewniają osiągi silnika podobne do osiągów na oleju napędowym, przy niewielkim wzroście jednostkowego zużycia paliwa odniesionego do mocy użytecznej i nieznacznym spadku sprawności cieplnej odniesionej do mocy użytecznej.
Zmiany te są spodziewane. Zmierzone właściwości wykazały, że biodiesel z WCO miał wyższą gęstość i lepkość oraz niższą wartość opałową niż olej napędowy, chociaż liczba cetanowa w tym badaniu była taka sama. Oznacza to, że do uzyskania tej samej mocy może być potrzebna nieco większa ilość paliwa, ale silnik nadal pracuje normalnie na tych mieszankach.
Z praktycznego punktu widzenia potwierdza to zasadność stosowania mieszanek biodiesla w silnikach wysokoprężnych nawet wtedy, gdy są wytwarzane z surowców niskiej jakości, takich jak zużyty olej spożywczy.

Emisje: znaczne korzyści z dodawania biodiesla do mieszanek paliwowych

Wyniki dotyczące emisji pokazują największe zalety biodiesla.

Przy pełnym obciążeniu B100 zapewnił największe redukcje następujących parametrów:

• CO: spadek o 42,9%
• niespalone węglowodory: spadek o 29,9%
• zadymienie spalin: spadek o 42,1%

w porównaniu z czystym olejem napędowym.
W badaniu przypisano te korzyści wyższej zawartości tlenu i niższej zawartości węgla w biodieslu, które sprzyjają pełniejszemu spalaniu i ograniczają powstawanie sadzy.

Co to oznacza dla producentów biodiesla

Surowce niskiej jakości są atrakcyjne ekonomicznie, ale trudniej je przetwarzać za pomocą technologii konwencjonalnej. Sonikacja zmienia tę sytuację, przezwyciężając barierę transportu masy między olejem a alkoholem i radykalnie przyspieszając konwersję. W badaniu oznaczało to wydajność biodiesla wynoszącą 96,65%, skrócenie czasu reakcji z 90 minut do 6 minut oraz skrócenie czasu rozdzielania z 12 godzin do 30 minut.
W ciągłych przemysłowych instalacjach biodiesla przekłada się to na podstawowe zalety przetwarzania ultradźwiękowego Hielscher: większą wydajność przetwarzania, krótszy czas przebywania, większą odporność procesu na zmienność surowca oraz bardziej efektywną produkcję z tanich olejów i tłuszczów.
 

Reaktor ultradźwiękowy UIP1000hdT do skuteczniejszej konwersji olejów i tłuszczów odpadowych w biodiesel.

Sonikatory Hielscher do produkcji biodiesla z WCO

Badanie pokazuje, dlaczego sonikatory Hielscher są tak skutecznym narzędziem do produkcji biodiesla z surowców niskiej jakości. Kawitacja ultradźwiękowa intensyfikuje transestryfikację dzięki poprawie mieszania, transportu ciepła, transportu masy i kinetyki reakcji, umożliwiając szybkie i efektywne przekształcanie trudnych surowców, takich jak zużyte oleje spożywcze oraz inne zdegradowane oleje i tłuszcze. W zoptymalizowanych warunkach w badaniu osiągnięto wydajność biodiesla wynoszącą 96,65% w zaledwie 6 minut, przy radykalnie szybszym rozdzielaniu glicerolu niż w przetwarzaniu konwencjonalnym.
Równie istotne jest to, że otrzymany biodiesel nadawał się do praktycznego zastosowania w silniku. Mieszanki biodiesla z olejem napędowym zapewniały osiągi zbliżone do osiągów na konwencjonalnym oleju napędowym, jednocześnie znacznie ograniczając CO, niespalone węglowodory i zadymienie. Zalecana mieszanka B40 łączyła porównywalne osiągi mechaniczne z najbardziej zrównoważoną charakterystyką emisji i mogła być stosowana bez modyfikacji silnika.
Sonikatory Hielscher nie tylko przyspieszają produkcję biodiesla – umożliwiają efektywne ciągłe przetwarzanie tanich surowców niskiej jakości oraz przekształcają odpadowe oleje i tłuszcze w praktyczne paliwo gotowe do użycia w silnikach.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania ultradźwiękowych reaktorów Hielscher do produkcji biodiesla:

Ekonomiczne i środowiskowe konsekwencje stosowania ultradźwiękowych mieszalników Hielscher do produkcji biodiesla

Model techniczno-ekonomiczny Gholamiego i współpracowników (2021) wykazał:

• Zmniejszenie całkowitych kosztów inwestycyjnych o ok. 21%,
• Zmniejszenie kosztu produktu na tonę o ok. 5%,
• Ograniczenie ilości wytwarzanych odpadów do jednej piątej ilości powstającej przy mieszaniu mechanicznym,
• Wzrost wewnętrznej stopy zwrotu (IRR) do 18,3% przy dodatniej NPV, podczas gdy proces konwencjonalny pozostawał nieopłacalny.

Z punktu widzenia ochrony środowiska zmniejszenie nadmiaru metanolu bezpośrednio ogranicza emisje lotnych związków organicznych i obniża zużycie energii cieplnej, dostosowując ultradźwiękową produkcję biodiesla do celów ekologicznego wytwarzania.

Przegląd zalet ultradźwiękowego reaktora do produkcji biodiesla

(wyniki badania porównawczego, por. Gholami et al., 2021)

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Literatura / Źródła

• Belal, B. Y.; Li, G.; Zhang, Z.; Liang, J.; Zhou, M.; Masoud, S. M.; Attia, A. M. A.; El-Zoheiry, R. M.; El-Seesy, A. I. (2025): Optimizing waste cooking biodiesel production using ultrasonic-assisted and studying its combustion characteristics blended with diesel in diesel engine. Environmental science and pollution research international, 32(11), 2025. 6984–7001.
• J. Sáez-Bastante, M. Carmona-Cabello, S. Pinzi, M.P. Dorado (2020): Recycling of kebab restoration grease for bioenergy production through acoustic cavitation. Renewable Energy, Volume 155, 2020. 1147-1155.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
• Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
• Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
• Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
• Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.