Biodiesel poprzez ultradźwiękowo ulepszoną (trans-) estryfikację

Biodiesel jest syntetyzowany poprzez transestryfikację przy użyciu katalizatora zasadowego. Jednakże, jeśli surowiec, taki jak niskiej jakości odpady roślinne o wysokiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, wymagany jest chemiczny etap obróbki wstępnej estryfikacji przy użyciu katalizatora kwasowego. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne i sonomechaniczne przyczyniają się do obu typów reakcji i znacznie zwiększają wydajność konwersji biodiesla. Ultradźwiękowa produkcja biodiesla jest znacznie szybsza niż konwencjonalna synteza biodiesla, skutkuje wyższą wydajnością i jakością biodiesla oraz oszczędza odczynniki, takie jak metanol i katalizator.

Konwersja biodiesla przy użyciu ultradźwięków mocy

W przypadku biodiesla estry kwasów tłuszczowych są wytwarzane w procesie transestryfikacji olejów roślinnych, a także tłuszczów zwierzęcych (np. łoju). Podczas reakcji transestryfikacji składnik glicerolu jest zastępowany innym alkoholem, takim jak metanol. Surowce o wysokiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, np. odpadowe oleje roślinne (WVO), wymagają wstępnej obróbki estryfikacji kwasowej w celu uniknięcia tworzenia się mydła. Ten proces katalizy kwasowej jest bardzo powolną reakcją, gdy jest przeprowadzany konwencjonalną metodą wsadową. Rozwiązaniem przyspieszającym powolny proces estryfikacji jest zastosowanie ultradźwięków mocy. Sonikacja osiąga znaczną poprawę szybkości reakcji, konwersji i wydajności biodiesla, ponieważ efekty sonochemiczne ultradźwięków o dużej mocy promują i intensyfikują katalizę kwasową. Kawitacja ultradźwiękowa zapewnia siły sonomechaniczne, tj. mieszanie o wysokim ścinaniu, a także energię sonochemiczną. Te oba rodzaje oddziaływania ultradźwiękowego (sonomechaniczne i sonochemiczne) zamieniają katalizowaną kwasem estryfikację w szybką reakcję wymagającą mniej katalizatora.

Jak działa ultradźwiękowa konwersja biodiesla?

Ultradźwięki między różnymi fazami w transestryfikacji (czasami nazywanej również alkoholizą) i estryfikacji opierają się na poprawie mieszania, a także na zwiększonym przenoszeniu ciepła i masy. Mieszanie ultradźwiękowe opiera się na zasadzie kawitacji akustycznej, która występuje w wyniku implozji pęcherzyków próżniowych w cieczy. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się wysokimi siłami ścinającymi i turbulencjami, a także bardzo wysokimi różnicami ciśnienia i temperatury. Siły te promują reakcję chemiczną transestryfikacji / estryfikacji oraz intensyfikują przenoszenie masy i ciepła, tym samym znacznie poprawiając reakcję konwersji biodiesla.

Transestryfikacja trójglicerydów do biodiesla (FAME) przy użyciu sonikacji powoduje przyspieszenie reakcji i znacznie wyższą wydajność.

Zastosowanie ultradźwięków podczas konwersji biodiesla zostało naukowo i przemysłowo udowodnione w celu poprawy wydajności procesu. Poprawę wydajności procesu można przypisać zmniejszonemu zużyciu energii i kosztom operacyjnym, a także zmniejszonemu zużyciu alkoholu (tj. Metanolu), mniejszej ilości katalizatora i znacznie skróconemu czasowi reakcji. Koszty energii na ogrzewanie są wyeliminowane, ponieważ nie ma wymogu zewnętrznego ogrzewania. Dodatkowo, rozdział faz pomiędzy biodieslem i glicerolem jest prostszy, a czas rozdziału faz krótszy. Ważnym czynnikiem dla komercyjnego wykorzystania ultradźwięków w produkcji biodiesla jest proste skalowanie do dowolnej objętości, niezawodne i bezpieczne działanie, a także solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego (standard przemysłowy, zdolny do ciągłej pracy 24/7/365 pod pełnym obciążeniem).

Ultradźwiękowy system przemysłowy z komorą przepływową do estryfikacji i transestryfikacji biodiesla w linii produkcyjnej.

Wspomagana ultradźwiękami dwuetapowa konwersja biodiesla z zastosowaniem etapów reakcji katalizowanych kwasem i zasadą

W przypadku surowców o wysokiej zawartości FFA, produkcja biodiesla jest przeprowadzana jako reakcja katalizowana kwasem lub zasadą w procesie dwuetapowym. Ultradźwięki przyczyniają się do dwóch rodzajów reakcji, estryfikacji katalizowanej kwasem, jak również transestryfikacji katalizowanej zasadą:

Katalizowana kwasem estryfikacja przy użyciu ultradźwięków

Aby poradzić sobie z nadmiarem wolnych kwasów tłuszczowych w surowcu, konieczny jest proces estryfikacji. Kwas siarkowy jest powszechnie stosowany jako katalizator kwasowy.

• Przygotowanie surowca poprzez filtrowanie i oczyszczanie z zanieczyszczeń i wody.
• Rozpuścić katalizator, a mianowicie kwas siarkowy, w metanolu. Przepuścić strumień katalizatora/metanolu i surowca przez wymiennik ciepła i mieszalnik statyczny w celu uzyskania surowej mieszanki wstępnej.
• Wstępna mieszanka katalizatora i surowca trafia bezpośrednio do ultradźwiękowej komory reakcyjnej, gdzie następuje bardzo dokładne mieszanie i sonochemia, a wolne kwasy tłuszczowe są przekształcane w biodiesel.
• Na koniec produkt jest odwadniany i kierowany do drugiego etapu - transestryfikacji ultradźwiękowej. Kwaśny mokry metanol po odzyskaniu, osuszeniu i neutralizacji jest gotowy do ponownego użycia.
• W przypadku surowców o bardzo wysokiej zawartości FFA może być wymagana konfiguracja recyrkulacji w celu obniżenia FFA do rozsądnego poziomu przed etapem transestryfikacji.

Reakcja estryfikacji z użyciem katalizatora kwasowego:
FFA + Alkohol → Ester + Woda

Transestryfikacja katalizowana zasadą przy użyciu ultradźwięków

Surowiec, który teraz zawiera tylko niewielkie ilości FFA, może być bezpośrednio podawany do etapu transestryfikacji. Najczęściej jako katalizator zasadowy stosuje się wodorotlenek sodu lub wodorotlenek potasu (NaOH, KOH).

• Rozpuścić katalizator, a mianowicie wodorotlenek potasu, w metanolu i podawać strumienie katalizatora / metanolu i wstępnie przetworzonego surowca przez mieszalnik statyczny w celu uzyskania surowej mieszanki wstępnej.
• Podać wstępną mieszankę bezpośrednio do ultradźwiękowej komory reakcyjnej w celu kawitacyjnego mieszania z wysokim ścinaniem i obróbki sonochemicznej. Produktami tej reakcji są estry alkilowe (tj. biodiesel) i gliceryna. Glicerynę można oddzielić przez odstanie lub odwirowanie.
• Ultradźwiękowo produkowany biodiesel jest wysokiej jakości i produkowany szybko, energooszczędnie i opłacalnie dzięki oszczędności metanolu i katalizatora.

Reakcja transestryfikacji z użyciem katalizatora zasadowego:
Olej / Tłuszcz + Alkohol → Biodiesel + Gliceryna

Wykorzystanie metanolu & Odzyskiwanie metanolu

Metanol jest kluczowym składnikiem podczas produkcji biodiesla. Ultradźwiękowa konwersja biodiesla pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia metanolu. Jeśli teraz myślisz "Nie dbam o moje zużycie metanolu, ponieważ i tak go odzyskuję", możesz ponownie przemyśleć i rozważyć wygórowane wysokie koszty energii, które mają zastosowanie do etapu odparowywania (np. przy użyciu kolumny destylacyjnej), który jest niezbędny do oddzielenia i recyklingu metanolu.
Metanol jest zwykle usuwany po rozdzieleniu biodiesla i gliceryny na dwie warstwy, co zapobiega odwróceniu reakcji. Metanol jest następnie oczyszczany i zawracany z powrotem na początek procesu. Produkując biodiesel poprzez estryfikację i transestryfikację napędzaną ultradźwiękami, jesteś w stanie radykalnie zmniejszyć zużycie metanolu, zmniejszając w ten sposób wygórowane wysokie wydatki energetyczne na odzyskiwanie metanolu. Zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych Hielscher zmniejsza wymaganą ilość nadmiaru metanolu nawet o 50%. Stosunek molowy między 1:4 lub 1:4,5 (olej : metanol) jest wystarczający dla większości surowców, gdy stosuje się mieszanie ultradźwiękowe Hielscher.

Ultradźwiękowa zwiększona wydajność konwersji biodiesla – naukowo udowodnione

Liczne grupy badaczy badały mechanizm i skutki ultradźwiękowej transestryfikacji biodiesla. Na przykład zespół badawczy Sebayan Darwin wykazał, że kawitacja ultradźwiękowa zwiększyła aktywność chemiczną i szybkość reakcji, co znacznie zwiększyło tworzenie się estrów. Technika ultradźwiękowa skróciła czas reakcji transestryfikacji do 5 minut – w porównaniu do 2 godzin w przypadku mechanicznego mieszania. Konwersja triglicerydów (TG) do FAME pod ultradźwiękami uzyskała 95,6929% wag. przy stosunku molowym metanolu do oleju 6:1 i 1% wag. wodorotlenku sodu jako katalizatora. (por. Darwin et al. 2010)

Ultradźwięki średniej i dużej skali do przetwarzania biodiesla

Hielscher Ultrasonics’ dostarcza małe i średnie, a także wielkoskalowe przemysłowe procesory ultradźwiękowe do wydajnej produkcji biodiesla w dowolnej ilości. Oferując system ultradźwiękowy w dowolnej skali, Hielscher może zaoferować idealne rozwiązanie zarówno dla małych producentów, jak i dużych firm. Ultradźwiękowa konwersja biodiesla może być obsługiwana jako proces wsadowy lub ciągły w linii. Instalacja i obsługa jest prosta, bezpieczna i zapewnia niezawodnie wysoką wydajność najwyższej jakości biodiesla.
Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje reaktora dla różnych poziomów produkcji.