Produção de biodiesel com eficiência superior do processo e dos custos

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

Vantagens da utilização de ultrassons na produção de biodiesel

O biodiesel (éster metílico de ácidos gordos, abreviatura FAME) é o produto de uma reação de transesterificação de uma matéria-prima lipídica (triglicéridos, por exemplo, óleo vegetal, óleos alimentares usados, gorduras animais, óleo de algas) e um álcool (metanol, etanol), utilizando um catalisador (por exemplo, hidróxido de potássio KOH).
O problema: Na conversão convencional de biodiesel com agitação convencional, a natureza imiscível dos dois reagentes da reação de transesterificação do óleo e do álcool origina uma baixa taxa de transferência de massa, resultando numa produção de biodiesel ineficiente. Esta ineficiência caracteriza-se por tempos de reação longos, razões molares metanol-óleo mais elevadas, necessidades elevadas de catalisador, temperaturas de processo elevadas e velocidades de agitação elevadas. Estes fatores contribuem significativamente para os custos, tornando o fabrico convencional de biodiesel um processo dispendioso.
A solução: A mistura ultrassónica emulsifica os reagentes de forma altamente eficiente, rápida e económica, permitindo melhorar a razão óleo-metanol, reduzir as necessidades de catalisador e diminuir o tempo e a temperatura de reação. Assim, poupam-se recursos (ou seja, produtos químicos e energia) e tempo, reduzem-se os custos de processamento e melhoram-se significativamente a qualidade do biodiesel e a rentabilidade da produção. Estes factos tornam a mistura ultrassónica a tecnologia preferida para o fabrico eficaz de biodiesel.
A investigação e os produtores industriais de biodiesel confirmam que a mistura ultrassónica é uma forma altamente económica de produzir biodiesel, mesmo quando se utilizam óleos e gorduras de baixa qualidade como matéria-prima. A intensificação do processo por ultrassons melhora consideravelmente a taxa de conversão, reduzindo a utilização de metanol e catalisador em excesso e permitindo produzir biodiesel que cumpre as especificações de qualidade ASTM D6751 e EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

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

Numerosas vantagens da mistura ultrassónica na produção de biodiesel

Os reatores de mistura ultrassónica podem ser facilmente integrados em qualquer instalação nova, bem como incorporados em instalações de biodiesel existentes. A integração de um misturador ultrassónico Hielscher transforma qualquer unidade de biodiesel numa instalação de produção de elevado desempenho. A instalação simples, a robustez e a facilidade de utilização (sem necessidade de formação específica para a operação) permitem modernizar qualquer unidade, transformando-a numa instalação de biodiesel altamente eficiente. Abaixo, apresentamos resultados cientificamente comprovados de vantagens documentadas por terceiros independentes. Os números comprovam a superioridade da mistura ultrassónica de biodiesel face a qualquer técnica de agitação convencional.

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

Comparação de eficiência e custos: ultrassons versus agitação mecânica

Gholami et al. (2021) apresentam, no seu estudo comparativo, as vantagens da transesterificação ultrassónica face à agitação mecânica (ou seja, misturador de pás, impulsor, misturador de elevado cisalhamento).

Baixos custos de investimento:
O processador e reator ultrassónico UIP16000 pode produzir 192–384 t de biodiesel/d, ocupando uma área de apenas 1,2m x 0,6m. Em comparação, a agitação mecânica (MS) exige um reator muito maior devido ao longo tempo de reação no processo de agitação mecânica, o que aumenta significativamente o custo do reator. (cf. Gholami et al., 2020)
Baixos custos de processamento:
Os custos de processamento da produção ultrassónica de biodiesel são 7,7% inferiores aos do processo de agitação, principalmente devido ao menor investimento total no 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, na conversão ultrassónica de biodiesel, os custos dos produtos químicos são significativamente inferiores aos da agitação mecânica. A parcela dos custos correspondente aos 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 ultrassónico de biodiesel é 2,2% inferior ao do processo de agitação mecânica.

Custos de energia reduzidos:
A energia consumida pelo reator de mistura ultrassónica é aproximadamente três vezes inferior à consumida pelo agitador mecânico. Esta redução considerável do consumo de energia resulta da micromistura intensa e do tempo de reação reduzido, decorrentes da formação e do colapso de inúmeras cavidades, que caracterizam o fenómeno de cavitação acústica / ultrassónica (Gholami et al., 2018). Além disso, em comparação com o agitador convencional, o consumo de energia nas etapas de recuperação de metanol e purificação de biodiesel durante o processo de mistura ultrassónica é reduzido em 26,5% e 1,3%, respetivamente. Esta diminuição deve-se às menores quantidades de metanol que entram nestas duas colunas de destilação no processo de transesterificação ultrassónica.

Custos de eliminação de resíduos fortemente reduzidos:
A tecnologia de cavitação ultrassónica também reduz notavelmente o custo da eliminação de resíduos. Este custo no processo de sonicação corresponde aproximadamente a um quinto do custo no processo de agitação, devido à diminuição significativa da produção de resíduos resultante da maior conversão no reator e das menores quantidades de álcool consumido.
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Melhor desempenho ambiental:
Devido à eficiência global muito elevada, ao consumo reduzido de produtos químicos, às menores necessidades de energia e à redução de resíduos, a produção ultrassónica de biodiesel é significativamente mais amiga do ambiente do que os processos convencionais de fabrico de biodiesel.

Conclusão – Os ultrassons melhoram a eficiência da produção de biodiesel

A avaliação científica demonstra as claras vantagens da mistura ultrassónica face à agitação mecânica convencional na produção de biodiesel. As vantagens do processamento ultrassónico de biodiesel incluem o investimento total de capital, o custo total do produto, o valor atual líquido e a taxa interna de rendibilidade. Verificou-se que o investimento total no processo de cavitação ultrassónica era aproximadamente 20,8% inferior ao do outro processo. A utilização de reatores ultrassónicos reduziu os custos do produto em 5,2% – utilizando óleo de canola virgem. Uma vez que a sonicação também permite processar óleos usados (por exemplo, óleos alimentares usados), os custos de produção podem ser reduzidos significativamente mais. Gholami et al. (2021) concluem que, devido ao valor atual líquido positivo, o processo de cavitação ultrassónica é a melhor escolha de tecnologia de mistura para a produção de biodiesel.
Do ponto de vista técnico, os efeitos mais importantes da cavitação ultrassónica abrangem a eficiência significativa do processo e a redução do tempo de reação. A formação e o colapso de numerosas bolhas de vácuo – conhecidos como cavitação acústica / ultrassónica – reduzem o tempo de reação de várias horas num reator de tanque agitado para alguns segundos no reator de cavitação ultrassónica. Este curto tempo de residência permite produzir biodiesel num reator de fluxo contínuo que ocupa pouco espaço. O reator de cavitação ultrassónica também apresenta efeitos benéficos nas necessidades de energia e de materiais, reduzindo o consumo de energia para quase um terço do consumo de um reator de tanque agitado e o consumo de metanol e catalisador em 25%.
Do ponto de vista económico, o investimento total no processo de cavitação ultrassónica é inferior ao do processo de agitação mecânica, principalmente devido à redução de quase 50% no custo do reator e de 11,6% no custo da coluna de destilação de metanol, respetivamente. O processo de cavitação ultrassónica também reduz o custo de produção de biodiesel devido a uma redução de 4% no consumo de óleo de canola, a um menor investimento total, a um consumo de produtos químicos 2,2% inferior e a necessidades de utilidades 23,8% inferiores. Ao contrário do processo com agitação mecânica, o processamento ultrassónico constitui um investimento aceitável devido ao seu valor atual líquido positivo, ao período de retorno mais curto e à taxa interna de rendibilidade mais elevada. Além dos benefícios técnico-económicos associados ao processo de cavitação ultrassónica, este é mais amigo do ambiente do que o processo de agitação mecânica. A cavitação ultrassónica resulta numa redução de 80% dos fluxos de resíduos devido à maior conversão no reator e ao consumo reduzido de álcool neste processo. (cf. Gholami et al., 2021)

Transforme matérias-primas de baixa qualidade em biodiesel de qualidade impecável!

A sonicação permite processar mais eficazmente matérias-primas de baixa qualidade, como óleos vegetais usados, gorduras de fritura usadas, sebo ou óleos de peixe, porque a cavitação ultrassónica força um contacto muito melhor entre as fases imiscíveis de óleo e álcool, melhorando consideravelmente a mistura e a transferência de calor e de massa. Também acelera a cinética da reação, pelo que mesmo matérias-primas difíceis e variáveis podem ser convertidas mais rapidamente e de forma mais completa.
A cavitação acústica intensifica o ambiente de reação e pode promover radicais altamente reativos, o que favorece ainda mais a transesterificação rápida e ajuda a superar as desvantagens habituais do processamento de matérias-primas de baixa qualidade.
Saiba como a sonicação transforma óleos e gorduras usados em biodiesel!

Utilize o catalisador da sua escolha

O processo de transesterificação ultrassónica de biodiesel demonstrou ser eficiente com catalisadores tanto alcalinos como básicos. Por exemplo, Shinde e Kaliaguine (2019) compararam a eficiência da mistura ultrassónica e da mistura mecânica com pás, utilizando vários catalisadores, nomeadamente hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de tetrametilamónio e quatro guanidinas (propil-2,3-diciclo-hexilguanidina (PCHG), 1,3-diciclo-hexil-2-n-octilguanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametilguanidina (TMG), 1,3-difenilguanidina (DPG)). A mistura ultrassónica (a 35º) demonstrou ser superior na produção de biodiesel, superando a mistura mecânica (a 65º) com rendimentos e taxa de conversão mais elevados. A eficiência da transferência de massa no campo ultrassónico aumentou a velocidade da reação de transesterificação em comparação com a agitação mecânica. A sonicação superou a agitação mecânica em todos os catalisadores testados. Realizar a reação de transesterificação com cavitação ultrassónica é uma alternativa energeticamente eficiente e industrialmente viável para a produção de biodiesel. Além dos catalisadores amplamente utilizados KOH e NaOH, os dois catalisadores de guanidina, propil-2,3-diciclo-hexilguanidina (PCHG) e 1,3-diciclo-hexil-2-n-octilguanidina (DCOG), demonstraram ser alternativas interessantes para a conversão de biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) investigaram a síntese de biodiesel assistida por ultrassons a partir de óleo de palma, utilizando diversos catalisadores de óxidos de metais alcalinos, como CaO, BaO e SrO. A atividade do catalisador na síntese de biodiesel assistida por ultrassons foi comparada com o processo tradicional de agitação magnética, tendo-se verificado que o processo ultrassónico apresentou um rendimento de 95,2% com BaO num tempo de reação de 60 min, o que, de outro modo, demora 3–4 h no processo de agitação convencional. Para a transesterificação assistida por ultrassons em condições ótimas, foram necessários 60 min para atingir um rendimento de 95%, em comparação com 2–4 h com agitação convencional. Além disso, os rendimentos obtidos com ultrassons em 60 min aumentaram de 5,5% para 77,3% utilizando CaO como catalisador, de 48,2% para 95,2% utilizando SrO como catalisador e de 67,3% para 95,2 utilizando BaO como catalisador.

Produção de biodiesel utilizando várias guanidinas (3% mol) como catalisador. (A) Reator descontínuo com agitação mecânica: (metanol:óleo de canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reator descontínuo com ultrassons: sonicador UP200St, (metanol:óleo de canola) 4:1, amplitude ultrassónica de 60%, temperatura 35ºC. A mistura por ultrassons supera largamente a agitação mecânica.
(Estudo e gráficos: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reatores ultrassónicos de elevado desempenho para um processamento superior de biodiesel

A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reatores ultrassónicos de elevado desempenho para melhorar a produção de biodiesel, resultando em rendimentos mais elevados, melhor qualidade, menor tempo de processamento e custos de produção mais baixos.

Reatores de biodiesel de pequena e média escala

Para a produção de biodiesel de pequena e média escala, até 9ton/hr (2900 gal/hr), a Hielscher disponibiliza os modelos UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) e UIP2000hdT (2000 watts) de misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento. Estes quatro reatores ultrassónicos são muito compactos e fáceis de integrar ou incorporar em instalações existentes. São construídos para operação intensiva em ambientes adversos. Abaixo, encontrará configurações de reatores recomendadas para uma gama de taxas de produção.

Reatores industriais de biodiesel com capacidade de processamento muito elevada

Para instalações de produção de biodiesel com processamento industrial, a Hielscher oferece os homogeneizadores ultrassónicos UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) ! Estes processadores ultrassónicos são concebidos para o processamento contínuo com caudais elevados. O UIP4000hdT, o UIP6000hdT e o UIP10000 podem ser integrados em contentores normalizados de transporte marítimo. Em alternativa, os quatro modelos de processadores estão disponíveis em armários de aço inoxidável. Uma instalação vertical requer um espaço mínimo. Abaixo, encontrará configurações recomendadas para taxas típicas de processamento industrial.