Biodiesel dzięki ultradźwiękowo usprawnionej (trans)estryfikacji

Biodiesel jest syntetyzowany poprzez transestryfikację z zastosowaniem katalizatora zasadowego. Jeśli jednak stosuje się surowce takie jak niskiej jakości odpadowe oleje roślinne o wysokiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, konieczny jest etap chemicznej obróbki wstępnej polegającej na estryfikacji z zastosowaniem katalizatora kwasowego. Sonikacja oraz jej efekty sonochemiczne i sonomechaniczne wspomagają oba typy reakcji i radykalnie zwiększają efektywność konwersji do biodiesla. Ultradźwiękowa produkcja biodiesla przebiega znacznie szybciej niż konwencjonalna synteza biodiesla, zapewnia wyższą wydajność i jakość biodiesla oraz pozwala oszczędzać odczynniki takie jak metanol i katalizator.

Konwersja do biodiesla z zastosowaniem ultradźwięków dużej mocy

Estry kwasów tłuszczowych do produkcji biodiesla otrzymuje się poprzez transestryfikację olejów roślinnych, a także tłuszczów zwierzęcych (np. łoju). Podczas reakcji transestryfikacji składnik glicerolowy zostaje zastąpiony innym alkoholem, takim jak metanol. Surowce o wysokiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, np. odpadowe oleje roślinne (WVO), wymagają obróbki wstępnej polegającej na estryfikacji kwasowej, aby zapobiec tworzeniu się mydła. Ten proces katalizy kwasowej jest bardzo powolną reakcją, gdy prowadzi się go konwencjonalną metodą okresową. Rozwiązaniem pozwalającym przyspieszyć powolny proces estryfikacji jest zastosowanie ultradźwięków dużej mocy. Sonikacja zapewnia znaczną poprawę szybkości reakcji, stopnia konwersji i wydajności biodiesla, ponieważ efekty sonochemiczne ultradźwięków dużej mocy wspomagają i intensyfikują katalizę kwasową. Kawitacja ultradźwiękowa dostarcza sił sonomechanicznych, tj. mieszania przy wysokim ścinaniu, a także energii sonochemicznej. Oba te rodzaje oddziaływania ultradźwięków (sonomechaniczne i sonochemiczne) sprawiają, że estryfikacja katalizowana kwasem staje się szybką reakcją wymagającą mniejszej ilości katalizatora.

Jak działa ultradźwiękowa konwersja do biodiesla?

Sonikacja pomiędzy różnymi fazami podczas transestryfikacji (nazywanej też czasami alkoholizą) i estryfikacji opiera się na usprawnieniu mieszania oraz zwiększeniu wymiany ciepła i masy. Mieszanie ultradźwiękowe opiera się na zasadzie kawitacji akustycznej, która występuje wskutek implozji pęcherzyków próżniowych w cieczy. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się dużymi siłami ścinania i turbulencjami, a także bardzo dużymi różnicami ciśnienia i temperatury. Siły te wspomagają reakcję chemiczną transestryfikacji / estryfikacji i intensyfikują wymianę masy i ciepła, znacznie usprawniając tym samym reakcję konwersji do biodiesla.

Transestryfikacja triglicerydów do biodiesla (FAME) z zastosowaniem sonikacji przyspiesza reakcję i zapewnia znacznie wyższą efektywność.

Naukowo i w warunkach przemysłowych wykazano, że zastosowanie ultradźwięków podczas konwersji do biodiesla poprawia efektywność procesu. Poprawę efektywności procesu można przypisać zmniejszeniu zużycia energii i kosztów operacyjnych, mniejszemu zużyciu alkoholu (tj. metanolu), mniejszej ilości katalizatora oraz znacznemu skróceniu czasu reakcji. Koszty energii na ogrzewanie zostają wyeliminowane, ponieważ ogrzewanie zewnętrzne nie jest wymagane. Ponadto rozdział faz biodiesla i glicerolu jest prostszy, a czas rozdziału faz krótszy. Ważnym czynnikiem przy komercyjnym wykorzystaniu ultradźwięków w produkcji biodiesla jest łatwe zwiększanie skali do dowolnej objętości, niezawodna i bezpieczna eksploatacja oraz wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych (standard przemysłowy, zdolność do ciągłej pracy 24/7/365 przy pełnym obciążeniu).

Przemysłowy system ultradźwiękowy z komorą przepływową do estryfikacji i transestryfikacji biodiesla w linii.

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

W przypadku surowców o wysokiej zawartości FFA produkcję biodiesla prowadzi się jako reakcję katalizowaną kwasem lub zasadą w procesie dwuetapowym. Ultradźwięki wspomagają oba typy reakcji: estryfikację katalizowaną kwasem oraz transestryfikację katalizowaną zasadą:

Estryfikacja katalizowana kwasem z zastosowaniem ultradźwięków

Aby przetworzyć nadmiar wolnych kwasów tłuszczowych w surowcu, konieczny jest proces estryfikacji. Jako katalizator kwasowy powszechnie stosuje się kwas siarkowy.

• Przygotuj surowiec poprzez filtrację i oczyszczenie z zanieczyszczeń oraz wody.
• Rozpuść katalizator, czyli kwas siarkowy, w metanolu. Przeprowadź strumień katalizatora / metanolu oraz surowiec przez wymiennik ciepła i mieszalnik statyczny, aby uzyskać zgrubną mieszaninę wstępną.
• Mieszanina wstępna katalizatora i surowca trafia bezpośrednio do ultradźwiękowej komory reakcyjnej, gdzie zachodzą bardzo dokładne mieszanie i procesy sonochemiczne, a wolne kwasy tłuszczowe są przekształcane w biodiesel.
• Na koniec usuń wodę z produktu i skieruj go do drugiego etapu – transestryfikacji ultradźwiękowej. Kwaśny, zawierający wodę metanol po odzyskaniu, osuszeniu i neutralizacji jest gotowy do ponownego użycia.
• W przypadku surowców o bardzo wysokiej zawartości FFA może być wymagany układ recyrkulacyjny, aby obniżyć zawartość FFA do odpowiedniego poziomu przed etapem transestryfikacji.

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

Dowiedz się więcej o usprawnionej ultradźwiękami estryfikacji FFA katalizowanej kwasem!
 
 

Transestryfikacja katalizowana zasadą z zastosowaniem ultradźwięków

Surowiec, który zawiera teraz tylko niewielkie ilości FFA, można skierować bezpośrednio do etapu transestryfikacji. Jako katalizator zasadowy najczęściej stosuje się wodorotlenek sodu lub wodorotlenek potasu (NaOH, KOH).

• Rozpuść katalizator, czyli wodorotlenek potasu, w metanolu i przeprowadź strumienie katalizatora / metanolu oraz wstępnie obrobionego surowca przez mieszalnik statyczny, aby uzyskać zgrubną mieszaninę wstępną.
• Skieruj mieszaninę wstępną bezpośrednio do ultradźwiękowej komory reakcyjnej w celu mieszania kawitacyjnego przy wysokim ścinaniu i obróbki sonochemicznej. Produktami tej reakcji są estry alkilowe (tj. biodiesel) i gliceryna. Glicerynę można oddzielić poprzez odstanie lub wirowanie.
• Biodiesel wytwarzany ultradźwiękowo ma wysoką jakość i jest produkowany szybko, energooszczędnie i ekonomicznie dzięki oszczędności metanolu i katalizatora.

Reakcja transestryfikacji z zastosowaniem katalizatora zasadowego:
Olej / Tłuszcz + Alkohol → Biodiesel + Glicerol

Zużycie metanolu i odzysk metanolu

Metanol jest kluczowym składnikiem w produkcji biodiesla. Konwersja do biodiesla napędzana ultradźwiękami pozwala znacznie zmniejszyć zużycie metanolu. Jeśli teraz myślisz „Nie przejmuję się zużyciem metanolu, ponieważ i tak go odzyskuję”, możesz ponownie to rozważyć i wziąć pod uwagę niezwykle wysokie koszty energii związane z etapem odparowania (np. z użyciem kolumny destylacyjnej), który jest konieczny do oddzielenia metanolu i jego ponownego wykorzystania.
Metanol usuwa się zwykle po rozdzieleniu biodiesla i gliceryny na dwie warstwy, co zapobiega odwróceniu reakcji. Następnie metanol jest oczyszczany i zawracany na początek procesu. Produkując biodiesel poprzez estryfikację i transestryfikację napędzaną ultradźwiękami, można radykalnie zmniejszyć zużycie metanolu, a tym samym zmniejszyć niezwykle wysokie nakłady energetyczne na jego odzysk. Zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych Hielscher zmniejsza wymaganą ilość nadmiarowego metanolu nawet o 50%. Przy zastosowaniu mieszania ultradźwiękowego Hielscher stosunek molowy od 1:4 do 1:4,5 (olej : metanol) jest wystarczający dla większości surowców.

Zwiększona dzięki ultradźwiękom efektywność konwersji do biodiesla – potwierdzona naukowo

Liczne grupy badawcze badały mechanizm i efekty ultradźwiękowej transestryfikacji biodiesla. Na przykład zespół badawczy Sebayana Darwina wykazał, że kawitacja ultradźwiękowa zwiększa aktywność chemiczną i szybkość reakcji, prowadząc do znacznego zwiększenia ilości powstających estrów. Technika ultradźwiękowa skróciła czas reakcji transestryfikacji do 5 minut – w porównaniu z 2 godzinami przy mieszaniu mechanicznym. Konwersja triglicerydu (TG) do FAME podczas sonikacji osiągnęła 95,6929%wt przy stosunku molowym metanolu do oleju wynoszącym 6:1 i zastosowaniu 1%wt wodorotlenku sodu jako katalizatora. (por. Darwin i in. 2010)

Sonikatory średniej wielkości i do dużej skali przetwarzania biodiesla

Hielscher Ultrasonics dostarcza małe i średniej wielkości, a także wielkoskalowe przemysłowe procesory ultradźwiękowe do efektywnej produkcji biodiesla w dowolnej objętości. Oferując systemy ultradźwiękowe w każdej skali, Hielscher może zapewnić idealne rozwiązanie zarówno dla małych producentów, jak i dużych firm. Ultradźwiękową konwersję do biodiesla można prowadzić jako proces okresowy lub ciągły proces w linii. Instalacja i eksploatacja są proste i bezpieczne oraz niezawodnie zapewniają wysoką wydajność produkcji biodiesla o doskonałej jakości.
Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje reaktorów dla różnych wydajności produkcji.