Biodiesel através de (trans-)esterificação melhorada por ultra-sons

O biodiesel é sintetizado através da transesterificação utilizando um catalisador de base. No entanto, se as matérias-primas, tais como resíduos vegetais de baixa qualidade com um elevado teor de ácidos gordos livres, forem utilizadas, é necessário um passo de pré-tratamento químico de esterificação utilizando um catalisador ácido. A ultra-sons e os seus efeitos sonoquímicos e sonomecânicos contribuem para ambos os tipos de reação e aumentam drasticamente a eficiência da conversão do biodiesel. A produção de biodiesel por ultra-sons é significativamente mais rápida do que a síntese de biodiesel convencional, resulta num maior rendimento e qualidade do biodiesel e poupa reagentes como o metanol e o catalisador.

Conversão de biodiesel utilizando ultra-sons de potência

No caso do biodiesel, os ésteres de ácidos gordos são produzidos por transesterificação de óleos vegetais, bem como de gorduras animais (por exemplo, sebo). Durante a reação de transesterificação, o componente glicerol é substituído por outro álcool, como o metanol. As matérias-primas com um elevado teor de ácidos gordos livres, por exemplo, óleos vegetais usados (WVO), requerem um pré-tratamento de esterificação ácida para evitar a formação de sabão. Este processo de catálise ácida é uma reação muito lenta, quando realizada como método convencional de lote. A solução para acelerar o lento processo de esterificação é a aplicação de ultra-sons de potência. A sonicação consegue uma melhoria significativa na velocidade da reação, na conversão e no rendimento do biodiesel, uma vez que os efeitos sonoquímicos dos ultra-sons de alta potência promovem e intensificam a catálise ácida. A cavitação ultra-sónica fornece forças sonomecânicas, ou seja, mistura de alto cisalhamento, bem como energia sonoquímica. Estes dois tipos de impacto ultra-sônico (sonomecânico e sonoquímico) transformam a esterificação catalisada por ácido em uma reação rápida que requer menos catalisador.

Como funciona a conversão ultrassónica de biodiesel?

A ultrassonografia entre diferentes fases da transesterificação (também por vezes designada por alcoólise) e da esterificação baseia-se no reforço da mistura, bem como no aumento da transferência de calor e de massa. A mistura ultra-sónica baseia-se no princípio da cavitação acústica, que ocorre como resultado da implosão de bolhas de vácuo no líquido. A cavitação acústica é caracterizada por forças de cisalhamento e turbulências elevadas, bem como por diferenciais de pressão e temperatura muito elevados. Estas forças promovem a reação química de transesterificação/esterificação e intensificam a transferência de massa e calor, melhorando assim significativamente a reação de conversão do biodiesel.

A transesterificação de triglicéridos em biodiesel (FAME) utilizando a sonicação resulta numa reação acelerada e numa eficiência significativamente mais elevada.

A aplicação de ultra-sons durante a conversão de biodiesel tem sido cientificamente e industrialmente comprovada para melhorar a eficiência do processo. A melhoria da eficiência do processo pode ser atribuída à redução do consumo de energia e dos custos de funcionamento, bem como à redução da utilização de álcool (ou seja, metanol), menos catalisador e um tempo de reação significativamente mais curto. Os custos de energia para aquecimento são eliminados, uma vez que não há necessidade de aquecimento externo. Além disso, a separação de fases entre o biodiesel e o glicerol é mais simples, com um tempo de separação de fases mais curto. Um fator importante para a utilização comercial dos ultra-sons na produção de biodiesel é o aumento de escala simples para qualquer volume, o funcionamento fiável e seguro, bem como a robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico (padrão industrial, capaz de funcionar continuamente 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano, a plena carga).

Sistema industrial de ultra-sons com célula de fluxo para esterificação e transesterificação de biodiesel em linha.

Conversão de Biodiesel em Duas Etapas Assistida por Ultra-sons Aplicando Etapas de Reação Catalisadas por Ácido e Base

Para matérias-primas com um elevado teor de AGL, a produção de biodiesel é realizada como reação catalisada por ácido ou base num processo de duas fases. Os ultra-sons contribuem para ambos os tipos de reacções, a esterificação catalisada por ácido e a transesterificação catalisada por base:

Esterificação catalisada por ácido usando ultrassom

Para tratar um excesso de ácidos gordos livres na matéria-prima, é necessário o processo de esterificação. O ácido sulfúrico é normalmente utilizado como catalisador ácido.

• Preparar a matéria-prima através de filtragem e refinação de contaminantes e água.
• Dissolver o catalisador, nomeadamente o ácido sulfúrico, em metanol. Alimentar a corrente de catalisador/metanol e a matéria-prima através de um permutador de calor e de um misturador estático para obter uma pré-mistura em bruto.
• A pré-mistura de catalisador e matéria-prima vai diretamente para a câmara de reação ultra-sónica, onde a mistura ultra-fina e a sonoquímica têm efeito e os ácidos gordos livres são convertidos em biodiesel.
• Por fim, o produto é desidratado e enviado para a segunda fase - a transesterificação por ultra-sons. O metanol ácido húmido, após recuperação, secagem e neutralização, está pronto para ser reutilizado.
• Para matérias-primas com um teor muito elevado de AGL, pode ser necessária uma configuração de recirculação para reduzir o teor de AGL para um nível razoável antes da fase de transesterificação.

 
Reação de Esterificação utilizando um Catalisador Ácido:
FFA + Álcool → Éster + Água
 

Leia mais sobre a esterificação catalisada por ácido ultrassonicamente melhorada de FFAs!
 
 

Transesterificação catalisada por bases usando ultrassom

A matéria-prima, que agora tem apenas pequenas quantidades de AGL, pode ser diretamente introduzida na fase de transesterificação. O mais comum é utilizar hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio (NaOH, KOH) como catalisador de base.

• Dissolver o catalisador, nomeadamente o hidróxido de potássio, em metanol e alimentar as correntes de catalisador/metanol e matéria-prima pré-tratada através de um misturador estático para obter uma pré-mistura em bruto.
• Alimentar a pré-mistura diretamente na câmara de reação ultra-sónica para a mistura cavitacional de alto cisalhamento e o tratamento sonoquímico. Os produtos desta reação são ésteres alquílicos (ou seja, biodiesel) e glicerina. A glicerina pode ser separada por decantação ou por centrifugação.
• O biodiesel produzido por ultra-sons é de alta qualidade e fabricado rapidamente, com eficiência energética e económica, poupando metanol e catalisador.

Reação de transesterificação utilizando um catalisador de base:
Óleo/Gordura + Álcool → Biodiesel + Glicerol

Utilização de metanol & Recuperação de metanol

O metanol é um componente chave durante a produção de biodiesel. A conversão de biodiesel por ultra-sons permite uma redução significativa da utilização de metanol. Se está agora a pensar “Não me preocupo com a minha utilização de metanol, uma vez que o recupero de qualquer forma”Se o metanol for evaporado, é possível repensar e considerar o custo exorbitante e elevado da energia que se aplica à etapa de evaporação (por exemplo, utilizando uma coluna de destilação), que é necessária para separar e reciclar o metanol.
O metanol é normalmente removido depois de o biodiesel e a glicerina terem sido separados em duas camadas, evitando a inversão da reação. O metanol é então limpo e reciclado de volta para o início do processo. Produzindo biodiesel através de esterificação e transesterificação por ultra-sons, é possível reduzir drasticamente a sua utilização de metanol, reduzindo assim a exorbitante despesa de energia elevada para a recuperação de metanol. O uso de reatores ultra-sônicos Hielscher reduz a quantidade necessária de excesso de metanol em até 50%. Uma razão molar entre 1: 4 ou 1: 4,5 (óleo: metanol) é suficiente para a maioria das matérias-primas, quando se utiliza Hielscher mistura ultra-sônica.

Eficiência de conversão de biodiesel aumentada por ultra-sons – cientificamente comprovado

Numerosos grupos de investigadores investigaram o mecanismo e os efeitos da transesterificação ultra-sónica do biodiesel. Por exemplo, a equipa de investigação de Sebayan Darwin demonstrou que a cavitação ultra-sónica aumentou a atividade química e a taxa de reação, resultando num aumento significativo da formação de ésteres. A técnica ultra-sónica reduziu o tempo de reação de transesterificação para 5 minutos – em comparação com 2 horas para o processamento de agitação mecânica. Conversão de triglicéridos (TG) para FAME sob ultra-sons obtido 95,6929%wt com um metanol para o óleo razão molar de 6:1 e 1%wt hidróxido de sódio como catalisador. (cf. Darwin et al. 2010)

Ultrasonicadores de médio e grande porte para o processamento de biodiesel

Hielscher Ultrasonics’ fornece processadores ultra-sónicos industriais de pequena e média dimensão, bem como de grande escala, para a produção eficiente de biodiesel em qualquer volume. Oferecendo sistema de ultra-sons em qualquer escala, Hielscher pode oferecer a solução ideal para ambos os pequenos produtores e grandes empresas. A conversão de biodiesel por ultra-sons pode ser operada em lotes ou como um processo contínuo em linha. A instalação e a operação são simples, seguras e proporcionam rendimentos elevados e fiáveis de biodiesel de qualidade superior.
Abaixo encontrará as configurações de reactores recomendadas para uma gama de taxas de produção.