Biodiesel via (Trans)Esterificação Ultrassonicamente Melhorada

O biodiesel é sintetizado por transesterificação usando um catalisador de base. No entanto, se a matéria-prima, como resíduos vegetais de baixa qualidade com alto teor de ácidos graxos livres, for usada, é necessária uma etapa de pré-tratamento químico de esterificação usando um catatlisto ácido. A ultrassonografia e seus efeitos sonoquímicos e sonomecânicos contribuem para ambos os tipos de reação e aumentam drasticamente a eficiência da conversão de biodiesel. A produção de biodiesel ultrassônico é significativamente mais rápida do que a síntese convencional de biodiesel, resulta em maior rendimento e qualidade do biodiesel e economiza reagentes como metanol e catalisador.

Conversão de biodiesel usando ultrassom de potência

Para o biodiesel, os ésteres de ácidos graxos 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 elevado teor de ácidos gordos livres, por exemplo, óleos vegetais residuais (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 batelada. A solução para acelerar o processo de esterificação lenta é a aplicação de ultrassom de potência. A sonicação alcança uma melhoria significativa na velocidade de reação, conversão e rendimento de biodiesel, pois os efeitos sonoquímicos do ultrassom de alta potência promovem e intensificam a catálise ácida. A cavitação ultrassônica fornece forças sonomecânicas, ou seja, mistura de alto cisalhamento, bem como energia sonoquímica. Esses dois tipos de impacto ultrassônico (sonomecânico e sonoquímico) transformam a esterificação catalisada por ácido em uma reação rápida que requer menos catalisador.

Como funciona a conversão ultrassônica de biodiesel?

A ultrassonografia entre diferentes fases da transesterificação (também chamada de alcoólise) e esterificação baseia-se no aumento da mistura, bem como no aumento da transferência de calor e massa. A mistura ultrassônica é baseada no princípio da cavitação acústica, que ocorre como resultado da implosão de bolhas de vácuo no líquido. A cavitação acústica é caracterizada por altas forças de cisalhamento e turbulências, bem como diferenciais de pressão e temperatura muito altos. Essas forças promovem a reação química de transesterificação? esterificação e intensificam a transferência de massa e calor, melhorando significativamente a reação de conversão de biodiesel.

A transesterificação de triglicerídeos em biodiesel (FAME) usando sonicação resulta em reação acelerada e eficiência significativamente maior.

A aplicação de ultrassom durante a conversão de biodiesel foi comprovada científica e industrialmente para melhorar a eficiência do processo. A melhoria na eficiência do processo pode ser atribuída à redução do consumo de energia e dos custos operacionais e à redução do uso de álcool (ou seja, metanol), menos catalisador e tempo de reação significativamente reduzido. Os custos de energia para aquecimento são eliminados, uma vez que não há necessidade de aquecimento externo. Além disso, a separação de fases entre biodiesel e glicerol é mais simples com um tempo de separação de fases mais curto. Um fator importante para o uso comercial do ultrassom na produção de biodiesel é o simples aumento de escala para qualquer volume, a operação confiável e segura, bem como a robustez e confiabilidade do equipamento ultrassônico (padrão industrial, capaz de funcionar continuamente 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano sob carga total).

Sistema industrial ultrassônico com célula de fluxo para esterficação e transesterificação de biodiesel em linha.

Conversão de biodiesel em duas etapas assistida por ultrassom aplicando etapas de reação catalisadas por ácido e base

Para matérias-primas com alto teor de FFA, a produção de biodiesel é realizada como reação catalisada por ácido ou base em um processo de duas etapas. O ultrassom contribui com dois tipos de reações, a esterificação catalisada por ácido e a transesterificação catalisada por base:

Esterificação catalisada por ácido usando ultrassom

Para tratar o excesso de ácidos graxos livres na matéria-prima, é necessário o processo de esterificação. O ácido sulfúrico é comumente usado como catalisador ácido.

• Prepare a matéria-prima filtrando e refinando de contaminantes e água.
• Dissolver o catalisador, ou seja, o ácido sulfúrico, em metanol. Fluxo de alimentação do catalisador/metanol e da matéria-prima através de um trocador de calor e um misturador estático para obter uma pré-mistura bruta.
• A pré-mistura de catalisador e matéria-prima vai diretamente para a câmara de reação ultrassônica, onde a mistura ultrafina e a sonoquímica entram em vigor e os ácidos graxos livres são convertidos em biodiesel.
• Por fim, desidrate o produto e alimente-o para o segundo estágio – a transesterificação ultrassônica. O metanol úmido ácido está após recuperação, secagem e neutralização pronto para reutilização.
• Para matérias-primas contendo FFA muito altas, uma configuração de recirculação pode ser necessária para reduzir o FFA a um nível razoável antes da etapa de transesterificação.

Reação de esterificação usando um catalisador ácido:
FFA + Álcool → Éster + Água

Transesterificação catalisada por base usando ultrassom

A matéria-prima, que agora tem apenas pequenas quantidades de FFAs, pode ser alimentada diretamente para o estágio de transesterificação. Mais comumente, hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio (NaOH, KOH) é usado como catalisador de base.

• Dissolver o catalisador, ou seja, 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 bruta.
• Alimente a pré-mistura diretamente na câmara de reação ultrassônica para a mistura de alto cisalhamento cavitacional e o tratamento sonoquímico. Os produtos desta reação são ésteres alquílicos (ou seja, biodiesel) e glicerina. A glicerina pode ser separada por sedimentação ou centrifugação.
• O biodiesel produzido por ultrassom é de alta qualidade e fabricado de forma rápida, eficiente em termos energéticos e econômicos, economizando metanol e catalisador.

Reação de transesterificação usando um catalisador de base:
Óleo? Gordura + Álcool → Biodiesel + Glicerol

Uso de metanol & Recuperação de Metanol

O metanol é um componente-chave durante a produção de biodiesel. A conversão de biodiesel ultrassonicamente impulsionada permite um uso significativamente reduzido de metanol. Se você está pensando agora “Eu não me importo com o meu uso de metanol, já que eu o recupero de qualquer maneira”, você pode repensar e considerar o alto custo exorbitante de energia que se aplica para a etapa de evaporação (por exemplo, usando uma coluna de destilação), que é necessária para separar e reciclar o metanol.
O metanol geralmente é removido após o biodiesel e a glicerina terem sido separados em duas camadas, evitando a reversão da reação. O metanol é então limpo e reciclado de volta ao início do processo. Produzindo biodiesel por meio de esterificação e transesterificação por ultrassom, você pode reduzir drasticamente o uso de metanol, reduzindo assim o alto gasto exorbitante de energia para a recuperação de metanol. O uso de reatores ultrassônicos Hielscher reduz a quantidade necessária de excesso de metanol em até 50%. Uma proporção molar entre 1:4 ou 1:4,5 (óleo: metanol) é suficiente para a maioria das matérias-primas, ao usar a mistura ultrassônica Hielscher.

Eficiência de conversão de biodiesel aumentada por ultrassom – Cientificamente comprovado

Numerosos grupos de pesquisadores investigaram o mecanismo e os efeitos da transesterificação ultrassônica do biodiesel. Por exemplo, a equipe de pesquisa de Sebayan Darwin demonstrou que a cavitação ultrassônica aumentou a atividade química e a taxa de reação, resultando em um aumento significativo da formação de ésteres. A técnica ultrassônica reduziu o tempo de reação de transesterificação para 5 minutos – em comparação com 2 horas para processamento de agitação mecânica. A conversão de triglicerídeos (TG) em FAME sob ultrassom obteve 95,6929% em peso com uma razão molar de metanol para óleo de 6: 1 e hidróxido de sódio de 1% em peso como catalisador. (cf. Darwin et al. 2010)

Ultrassonicadores de médio e grande porte para processamento de biodiesel

Hielscher Ultrasonics’ Fornece processadores ultrassônicos industriais de pequeno a médio porte, bem como de grande escala para a produção eficiente de biodiesel em qualquer volume. Oferecendo sistema ultrassônico em qualquer escala, a Hielscher pode oferecer a solução ideal para pequenos produtores e grandes empresas. A conversão ultrassônica de biodiesel pode ser operada como lote ou como processo contínuo em linha. A instalação e operação são simples, seguras e proporcionam altos rendimentos confiáveis de qualidade superior de biodiesel.
Abaixo, você encontrará configurações de reatores recomendadas para uma variedade de taxas de produção.