Produção de biodiesel com processo superior e eficiência de custos

A mistura ultrassônica é a tecnologia superior para a produção de biodiesel altamente eficiente e econômica. A cavitação ultrassônica melhora drasticamente a transferência de massa, reduzindo assim os custos de produção e a duração do processamento. Ao mesmo tempo, óleos e gorduras de baixa qualidade (por exemplo, óleos usados) podem ser usados e a qualidade do biodiesel é melhorada. A Hielscher Ultrasonics fornece reatores de mistura ultrassônica robustos e de alto desempenho para qualquer escala de produção. Leia mais como sua produção de biodiesel se beneficiará da sonicação!

Benefícios da produção de biodiesel usando ultrassom

Biodiesel (éster metílico de ácidos graxos, abrev. FAME) é o produto de uma reação de transesterificação de matéria-prima lipídica (triglicerídeos, por exemplo, óleo vegetal, óleos de cozinha usados, gorduras animais, óleo de algas) e álcool (metanol, etanol) usando um catalisador (por exemplo, hidróxido de potássio KOH).
O problema: Na conversão convencional de biodiesel usando agitação convencional, a natureza imiscível de ambos os reagentes da reação de transesterificação de óleo e álcool leva a uma baixa taxa de transferência de massa, resultando em uma produção ineficiente de biodiesel. Essa ineficiência é caracterizada por longos tempos de reação, taxas molares de metanol-óleo mais altas, altos requisitos de catalisador, altas temperaturas de processo e altas taxas de agitação. Esses fatores são fatores de custo significativos, tornando a fabricação convencional de biodiesel um processo caro.
A solução: A mistura ultrassônica emulsifica os reagentes de maneira altamente eficiente, rápida e de baixo custo, de modo que a proporção óleo-metanol possa ser melhorada, os requisitos do catalisador sejam reduzidos, o tempo de reação e a temperatura de reação sejam reduzidos. Assim, recursos (ou seja, produtos químicos e energia), bem como tempo, são economizados, o custo de processamento é reduzido, enquanto a qualidade do biodiesel e a lucratividade da produção são significativamente melhoradas. Esses fatos tornam a mistura ultrassônica a tecnologia preferida para a fabricação eficaz de biodiesel.
Pesquisas e produtores industriais de biodiesel confirmam que a mistura ultrassônica é uma maneira altamente econômica de produzir biodiesel, mesmo quando óleos e gorduras de baixa qualidade são usados como matéria-prima. A intensificação do processo ultrassônico melhora consideravelmente a taxa de conversão reduzindo o uso de excesso de metanol e catalisador, permitindo produzir biodiesel atendendo ao padrão de qualidade das especificações ASTM D6751 e EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

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

Inúmeras vantagens da mistura ultrassônica na produção de biodiesel

Os reatores de mistura ultrassônica podem ser facilmente integrados em qualquer nova instalação, bem como adaptados em usinas de biodiesel existentes. A integração de um misturador ultrassônico Hielscher transforma qualquer instalação de biodiesel em uma planta de produção de alto desempenho. A instalação simples, robustez e facilidade de uso (sem necessidade de treinamento específico para operação) permitem a atualização de qualquer instalação para uma usina de biodiesel altamente eficiente. Abaixo, apresentamos resultados cientificamente comprovados de vantagens documentadas por terceiros independentes. Os números comprovam a superioridade da mistura ultrassônica de biodiesel sobre qualquer técnica convencional de agitação.

O fluxograma mostra as etapas de produção de biodiesel, incluindo mistura ultrassônica para melhorar a eficiência do processo.

Eficiência e comparação de custos: ultrassom vs agitação mecânica

Gholami et al. (2021) apresentam em seu estudo comparativo as vantagens da transesterificação ultrassônica sobre a agitação mecânica (ou seja, misturador de lâminas, impulsor, misturador de alto cisalhamento).
Custos de investimento: O processador ultrassônico e o UIP16000 do reator podem produzir 192–384 t de biodiesel/d com uma pegada de apenas 1,2 m x 0,6 m. Em comparação, para agitação mecânica (MS), é necessário um reator muito maior devido ao longo tempo de reação no processo de esforço mecânico, o que faz com que o custo do reator aumente significativamente. (cf. Gholami et al., 2020)
Custos de processamento: Os custos de processamento para a produção de biodiesel ultrassônico são 7,7% menores do que os do processo de agitação, principalmente devido ao menor investimento total para o processo de sonicação. O custo dos produtos químicos (catalisador, metanol/álcool) é o terceiro maior fator de custo em ambos os processos, sonicação e agitação mecânica. No entanto, para a conversão ultrassônica de biodiesel, os custos do produto químico são significativamente mais baixos do que para a agitação mecânica. A fração de custo dos produtos químicos representa aproximadamente 5% do custo final do biodiesel. Devido ao menor consumo de metanol, hidróxido de sódio e ácido fosfórico, o custo dos produtos químicos no processo de biodiesel ultrassônico é 2,2% menor do que o do processo de agitação mecânica.
Custos de energia: A energia consumida pelo reator de mistura ultrassônica é aproximadamente três vezes menor do que a do agitador mecânico. Esta considerável redução no consumo energético é produto da intensa micromistura e redução do tempo de reação, resultante da produção e colapso de inúmeras cavidades, que caracterizam o fenómeno da cavitação acústica/ultrassónica (Gholami et al., 2018). Além disso, em comparação com o agitador convencional, o consumo de energia para os estágios de recuperação de metanol e purificação de biodiesel durante o processo de mistura ultrassônica é reduzido em 26,5% e 1,3%, respectivamente. Esse declínio se deve às menores quantidades de metanol que entram nessas duas colunas de destilação no processo de transesterificação ultrassônica.
Custos de descarte de resíduos: A tecnologia de cavitação ultrassônica também reduz notavelmente o custo do descarte de resíduos. Esse custo no processo de sonicação é aproximadamente um quinto do processo de agitação, resultante da diminuição significativa na produção de resíduos devido à maior conversão do reator e menores quantidades de álcool consumido.
Leia mais sobre a conversão ultrassônica de biodiesel de óleos a partir de borra de café usada!
Respeito ao meio ambiente: Devido à eficiência geral muito alta, ao consumo reduzido de produtos químicos, aos requisitos de energia mais baixos e ao desperdício reduzido, a produção de biodiesel ultrassônico é significativamente mais ecológica do que os processos convencionais de fabricação de biodiesel.

Conclusão – Ultrassom melhora a eficiência da produção de biodiesel

A avaliação científica mostra as claras vantagens da mistura ultrassônica sobre a agitação mecânica convencional para a produção de biodiesel. As vantagens do processamento ultrassônico de biodiesel incluem investimento total de capital, custo total do produto, valor presente líquido e taxa interna de retorno. O valor do investimento total no processo de cavitação ultrassônica foi menor do que o de outros em aproximadamente 20,8%. O uso de reatores ultrassônicos reduziu os custos do produto em 5,2% – usando óleo de canola virgem. Como a sonicação permite processar também óleos usados (por exemplo, óleos de cozinha usados), os custos de produção podem ser reduzidos significativamente. Gholami et al. (2021) chegam à conclusão de que, devido a um valor presente líquido positivo, o processo de cavitação ultrassônica é a melhor escolha de tecnologia de mistura para a produção de biodiesel.
Do ponto de vista técnico, os efeitos mais importantes da cavitação ultrassônica abrangem a eficiência significativa do processo e a redução do tempo de reação. A formação e o colapso de numerosas bolhas de vácuo – conhecida como cavitação acústica / ultrassônica – Reduza o tempo de reação de várias horas no reator de tanque agitado para alguns segundos no reator de cavitação ultrassônica. Esse curto tempo de residência permite a produção de biodiesel em um reator de fluxo contínuo com uma pegada pequena. O reator de cavitação ultrassônica também mostra efeitos benéficos nas necessidades de energia e material, reduzindo o consumo de energia para quase um terço do consumido por um reator de tanque agitado e o consumo de metanol e catalisador em 25%.
Do ponto de vista econômico, o investimento total do processo de cavitação ultrassônica é menor do que o do processo de agitação mecânica, principalmente devido à redução de quase 50% e 11,6% no custo do reator e no custo da coluna de destilação de metanol, respectivamente. O processo de cavitação ultrassônica também reduz o custo de produção de biodiesel devido a uma redução de 4% no consumo de óleo de canola, menor investimento total, 2,2% menor consumo de produtos químicos e 23,8% menor necessidade de utilidade. Ao contrário do processo mecanicamente agitado, o processamento ultrassônico é um investimento aceitável devido ao seu valor presente líquido positivo, menor tempo de retorno e maior taxa interna de retorno. Além dos benefícios técnico-econômicos associados ao processo de cavitação ultrassônica, é mais ecológico do que o processo de agitação mecânica. A cavitação ultrassônica resulta em uma redução de 80% nos fluxos de resíduos devido à maior conversão no reator e à redução do consumo de álcool neste processo. (cf. Gholami et al., 2021)

Use o catalisador de sua escolha

O processo de transesterificação ultrassônica do biodiesel provou ser eficiente usando catalisadores alcalinos ou básicos. Por exemplo, Shinde e Kaliaguine (2019) compararam a eficiência da mistura de lâminas ultrassônicas e mecânicas usando vários catalisadores, ou seja, hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de tetrametilamônio e quatro guanidinas (propil-2,3-diciclohexil guanidina (PCHG), 1,3-diciclohexil 2 n-octil guanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidina (TMG), 1,3-difenil guanidina (DPG)). A mistura ultrassônica (a 35º) como se mostrou superior para a produção de biodiesel, superando a mistura mecânica (a 65º) por maiores rendimentos e taxa de conversão. A eficiência da transferência de massa no campo do ultrassom aumentou a taxa de reação de transesterificação em comparação com a agitação mecânica. A sonicação superou a agitação mecânica para todos os catalisadores testados. A execução da reação de transesterificação com cavitação ultrassônica é uma alternativa energeticamente eficiente e industrialmente viável para a produção de biodiesel. Além dos catalisadores amplamente utilizados KOH e NaOH, ambos catalisadores de guanidina, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) e 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), têm se mostrado como alternativas interessantes para a conversão de biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) investigaram a síntese de biodiesel assistida por ultrassom a partir de óleo de palma usando diversos catalisadores de óxido de metal alcalino, como CaO, BaO e SrO. A atividade do catalisador na síntese de biodiesel assistida por ultrassom foi comparada com o processo tradicional de agitação magnética, e verificou-se que o processo ultrassônico apresentou 95,2% de rendimento usando BaO dentro de 60 minutos de tempo de reação, que de outra forma levaria de 3 a 4 h no processo de agitação convencional. Para transesterificação assistida por ultrassom em condições ideais, foram necessários 60 minutos para atingir 95% de rendimento em comparação com 2–4 h com agitação convencional. Além disso, os rendimentos alcançados com ultrassom em 60 min aumentaram de 5,5% para 77,3% usando CaO como catalisadores, 48,2% para 95,2% usando SrO como catalisadores e 67,3% para 95,2% usando BaO como catalisadores.

Produção de biodiesel usando várias guanidinas (3% mol) como catalisador. (A) Reator de batelada de agitação mecânica: (metanol: óleo de canola) 4: 1, temperatura 65ºC; (B) Reator de batelada de ultrassom: ultrassonicador UP200St, (metanol: óleo de canola) 4:1, 60% de amplitude dos EUA, temperatura de 35ºC. A mistura acionada por ultrassom supera de longe a agitação mecânica.
(Estudo e gráficos: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reatores ultrassônicos de alto desempenho para processamento superior de biodiesel

A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reatores ultrassônicos de alto desempenho para melhorar a produção de biodiesel, resultando em maiores rendimentos, melhor qualidade, tempo de processamento reduzido e custos de produção mais baixos.

Reatores de biodiesel de pequena e média escala

Para a produção de biodiesel de pequeno e médio porte de até 9 ton/h (2900 gal/h), a Hielscher oferece a você o UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts)e UIP2000hdT (2000 watts) modelos ultrassônicos de misturador de alto cisalhamento. Esses quatro reatores ultrassônicos são muito compactos, fáceis de integrar ou adaptar. Eles são construídos para operação pesada em ambientes hostis. Abaixo, você encontrará configurações de reatores recomendadas para uma variedade de taxas de produção.

Reatores industriais de biodiesel de grande rendimento

Para plantas de produção de biodiesel de processamento industrial, a Hielscher oferece o UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) homogeneizadores ultrassônicos! Esses processadores ultrassônicos são projetados para o processamento contínuo de altas taxas de fluxo. O UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 podem ser integrados em contêineres de frete marítimo padrão. Como alternativa, todos os quatro modelos de processador estão disponíveis em gabinetes de aço inoxidável. Uma instalação vertical requer espaço mínimo. Abaixo você encontra configurações recomendadas para taxas típicas de processamento industrial.