Biodiesel por (trans)esterificação melhorada por ultrassons

O biodiesel é sintetizado por transesterificação utilizando um catalisador básico. No entanto, se forem utilizadas matérias-primas como óleos vegetais usados de baixa qualidade com um elevado teor de ácidos gordos livres, é necessária uma etapa de pré-tratamento químico por esterificação utilizando um catalisador ácido. A aplicação de ultrassons e os seus efeitos sonoquímicos e sonomecânicos contribuem para ambos os tipos de reação e aumentam drasticamente a eficiência da conversão em biodiesel. A produção ultrassónica de biodiesel é significativamente mais rápida do que a síntese convencional de biodiesel, resulta num rendimento e numa qualidade superiores do biodiesel e poupa reagentes como o metanol e o catalisador.

Conversão em biodiesel utilizando ultrassons de potência

Para produzir biodiesel, os ésteres de ácidos gordos são obtidos por transesterificação de óleos vegetais e 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 por esterificação ácida para evitar a formação de sabão. Este processo de catálise ácida é uma reação muito lenta quando realizado pelo método convencional por lotes. A solução para acelerar o lento processo de esterificação é a aplicação de ultrassons de potência. A sonicação proporciona uma melhoria significativa da velocidade de reação, da conversão e do rendimento em biodiesel, uma vez que os efeitos sonoquímicos dos ultrassons de alta potência promovem e intensificam a catálise ácida. A cavitação ultrassónica proporciona forças sonomecânicas, ou seja, mistura com elevado cisalhamento, bem como energia sonoquímica. Estes dois tipos de ação ultrassónica (sonomecânica e sonoquímica) transformam a esterificação catalisada por ácido numa reação rápida que requer menos catalisador.

Como funciona a conversão ultrassónica em biodiesel?

A aplicação de ultrassons entre diferentes fases na transesterificação (também por vezes designada alcoólise) e na esterificação baseia-se na melhoria da mistura, bem como no aumento da transferência de calor e de massa. A mistura ultrassónica baseia-se no princípio da cavitação acústica, que ocorre como resultado da implosão de bolhas de vácuo no líquido. A cavitação acústica caracteriza-se por forças de elevado cisalhamento e turbulência, bem como por diferenças de pressão e temperatura muito elevadas. Estas forças promovem a reação química de transesterificação / esterificação e intensificam a transferência de massa e de calor, melhorando assim significativamente a reação de conversão em biodiesel.

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

Está comprovado científica e industrialmente que a aplicação de ultrassons durante a conversão em biodiesel melhora a eficiência do processo. A melhoria da eficiência do processo pode ser atribuída à redução do consumo de energia e dos custos operacionais, à menor utilização de álcool (ou seja, metanol), à menor quantidade de catalisador e à redução significativa do tempo de reação. Os custos energéticos de aquecimento são eliminados, uma vez que não é necessário 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 de ultrassons na produção de biodiesel é a facilidade de aumento de escala para qualquer volume, o funcionamento fiável e seguro, bem como a robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico (padrão industrial, capaz de funcionar continuamente 24/7/365 em plena carga).

Sistema ultrassónico industrial com célula de fluxo para esterificação e transesterificação de biodiesel em linha.

Conversão em biodiesel em duas etapas assistida por ultrassons, com etapas de reação catalisadas por ácido e por base

Para matérias-primas com um elevado teor de FFA, a produção de biodiesel é realizada como reação catalisada por ácido ou por base num processo de duas etapas. Os ultrassons contribuem para ambos os tipos de reação, tanto para a esterificação catalisada por ácido como para a transesterificação catalisada por base:

Esterificação catalisada por ácido utilizando ultrassons

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

• Prepare a matéria-prima por filtração e refinação para remover contaminantes e água.
• Dissolva o catalisador, nomeadamente o ácido sulfúrico, em metanol. Faça passar a corrente de catalisador/metanol e a matéria-prima por um permutador de calor e um misturador estático para obter uma pré-mistura grosseira.
• A pré-mistura de catalisador e matéria-prima entra diretamente na câmara de reação ultrassónica, onde a mistura ultrafina e a sonoquímica atuam e os ácidos gordos livres são convertidos em biodiesel.
• Por fim, remova a água do produto e alimente-o à segunda etapa – a transesterificação ultrassónica. Após recuperação, secagem e neutralização, o metanol ácido húmido está pronto para reutilização.
• Para matérias-primas com um teor muito elevado de FFA, poderá ser necessária uma configuração com recirculação para reduzir os FFA a um nível razoável antes da etapa de transesterificação.

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

Saiba mais sobre a esterificação de FFA catalisada por ácido e melhorada por ultrassons!
 
 

Transesterificação catalisada por base utilizando ultrassons

A matéria-prima, que agora contém apenas pequenas quantidades de FFA, pode ser alimentada diretamente à etapa de transesterificação. O hidróxido de sódio ou o hidróxido de potássio (NaOH, KOH) são os catalisadores básicos mais frequentemente utilizados.

• Dissolva o catalisador, nomeadamente o hidróxido de potássio, em metanol e faça passar as correntes de catalisador/metanol e de matéria-prima pré-tratada por um misturador estático para obter uma pré-mistura grosseira.
• Alimente a pré-mistura diretamente à câmara de reação ultrassónica para a mistura com elevado cisalhamento por cavitação 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 ultrassons é de elevada qualidade e é fabricado rapidamente, com eficiência energética e económica, graças à poupança de metanol e catalisador.

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

Utilização de metanol e recuperação de metanol

O metanol é um componente fundamental na produção de biodiesel. A conversão em biodiesel promovida por ultrassons permite reduzir significativamente a utilização de metanol. Se está agora a pensar «Não me preocupo com a utilização de metanol, porque o recupero de qualquer maneira», poderá reconsiderar e ter em conta os custos energéticos exorbitantes da etapa de evaporação (por exemplo, utilizando uma coluna de destilação), 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 reversão da reação. O metanol é depois purificado e reciclado para o início do processo. Ao produzir biodiesel por esterificação e transesterificação promovidas por ultrassons, pode reduzir drasticamente a utilização de metanol, diminuindo assim o dispêndio energético exorbitante da recuperação de metanol. A utilização de reatores ultrassónicos Hielscher reduz a quantidade necessária de metanol em excesso em até 50%. Uma razão molar entre 1:4 e 1:4,5 (óleo : metanol) é suficiente para a maioria das matérias-primas quando se utiliza a mistura ultrassónica Hielscher.

Aumento da eficiência da conversão em biodiesel por ultrassons – cientificamente comprovado

Numerosos grupos de investigação estudaram o mecanismo e os efeitos da transesterificação ultrassónica de biodiesel. Por exemplo, a equipa de investigação de Sebayan Darwin demonstrou que a cavitação ultrassónica aumentou a atividade química e a velocidade de reação, resultando num aumento significativo da formação de ésteres. A técnica ultrassónica reduziu o tempo da reação de transesterificação para 5 minutos – em comparação com 2 horas no processamento por agitação mecânica. A conversão de triglicéridos (TG) em FAME sob aplicação de ultrassons atingiu 95,6929%wt com uma razão molar metanol/óleo de 6:1 e 1%wt de hidróxido de sódio como catalisador. (cf. Darwin et al. 2010)

Sonicadores de média dimensão e de grande escala para o processamento de biodiesel

A Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassónicos industriais de pequena e média dimensão, bem como de grande escala, para a produção eficiente de biodiesel em qualquer volume. Ao disponibilizar sistemas ultrassónicos para qualquer escala, a Hielscher pode oferecer a solução ideal tanto para pequenos produtores como para grandes empresas. A conversão ultrassónica em biodiesel pode ser realizada por lotes ou como processo contínuo em linha. A instalação e o funcionamento são simples e seguros, proporcionando de forma fiável elevados níveis de produção de biodiesel de qualidade superior.
Abaixo encontrará configurações de reatores recomendadas para uma gama de taxas de produção.