Produção de biodiesel com processo superior e eficiência de custos

A mistura por ultra-sons é a tecnologia superior para uma produção de biodiesel altamente eficiente e rentável. A cavitação ultra-sónica 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. Hielscher Ultrasonics fornece alto desempenho, reatores de mistura ultra-sônica robusto para qualquer escala de produção. Leia mais como a sua produção de biodiesel irá beneficiar de sonicação!

Benefícios da produção de biodiesel utilizando ultra-sons

O biodiesel (éster metílico de ácidos gordos, abrev. FAME) é o produto de uma reação de transesterificação de matérias-primas lipídicas (triglicéridos, por exemplo, óleo vegetal, óleos alimentares usados, gorduras animais, óleo de algas) e álcool (metanol, etanol) utilizando um catalisador (por exemplo, hidróxido de potássio KOH).
O problema: Na conversão convencional de biodiesel utilizando agitação convencional, a natureza imiscível de ambos os reagentes da reação de transesterificação do óleo e do álcool conduz a uma fraca taxa de transferência de massa, resultando numa produção ineficiente de biodiesel. Esta ineficiência é caracterizada por tempos de reação longos, rácios molares metanol-óleo mais elevados, requisitos elevados de catalisador, temperaturas de processo elevadas e taxas de agitação elevadas. Estes factores são factores de custo significativos que tornam o fabrico convencional de biodiesel um processo dispendioso.
A solução: A mistura ultra-sónica emulsiona os reagentes de uma forma altamente eficiente, rápida e de baixo custo, de modo a que a relação óleo/metanol possa ser melhorada, os requisitos de catalisador sejam reduzidos, o tempo de reação e a temperatura de reação sejam diminuídos. Deste modo, poupam-se recursos (ou seja, 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 ultra-sónica na tecnologia preferida para o fabrico eficaz de biodiesel.
A investigação e os produtores industriais de biodiesel confirmam que a mistura ultra-sónica é uma forma altamente rentável de produzir biodiesel, mesmo quando são utilizados óleos e gorduras de má qualidade como matéria-prima. A intensificação do processo ultra-sônico melhora consideravelmente a taxa de conversão reduzindo o uso de excesso de metanol e catalisador, permitindo produzir biodiesel que atenda ao padrão de qualidade das especificações ASTM D6751 e EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

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

Inúmeras vantagens da mistura por ultra-sons na produção de biodiesel

Os reactores de mistura ultra-sónica podem ser facilmente integrados em qualquer nova instalação, bem como adaptados a instalações de biodiesel existentes. A integração de um misturador ultrassónico Hielscher transforma qualquer instalação de biodiesel numa unidade de produção de alto desempenho. A instalação simples, a robustez e a facilidade de utilização (não é necessária formação específica para a operação) permitem a atualização de qualquer instalação para uma fábrica de biodiesel altamente eficiente. Abaixo, apresentamos-lhe os resultados cientificamente comprovados das vantagens documentadas por terceiros independentes. Os números provam a superioridade da mistura de biodiesel por ultra-sons em relação a qualquer técnica de agitação convencional.

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

Comparação de eficiência e custos: Ultrassons vs Agitação Mecânica

Gholami et al. (2021) apresentam em seu estudo comparativo as vantagens da transesterificação ultra-sônica sobre a agitação mecânica (ou seja, misturador de lâminas, impulsor, misturador de alto cisalhamento).
Custos de investimento: O processador de ultra-sons e reator UIP16000 pode produzir 192-384 t biodiesel / d com uma pegada de apenas 1,2 m x 0,6 m. Em comparação, para a agitação mecânica (MS) é necessário um reator muito maior devido ao longo tempo de reação no processo de agitação mecânica, 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 por ultra-sons são 7,7% inferiores aos 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 ultrassónica de biodiesel, os custos dos produtos químicos são significativamente inferiores aos da agitação mecânica. A fração de custo dos produtos químicos representa cerca de 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 por ultra-sons é 2,2% inferior ao do processo de agitação mecânica.
Custos energéticos: A energia consumida pelo reator de mistura ultra-sónica é cerca de três vezes inferior à consumida pelo agitador mecânico. Essa redução considerável no consumo de energia é produto da intensa micro-mistura e do reduzido tempo de reação, resultante da produção e colapso de inúmeras cavidades, que caracterizam o fenômeno da cavitação acústica / ultra-sônica (Gholami et al., 2018). Além disso, em comparação com o agitador convencional, o consumo de energia para as etapas de recuperação de metanol e purificação de biodiesel durante o processo de mistura ultrassônica é reduzido em 26,5% e 1,3%, respetivamente. Este declínio é devido às menores quantidades de metanol que entram nessas duas colunas de destilação no processo de transesterificação ultra-sônica.
Custos de eliminação de resíduos: A tecnologia de cavitação ultra-sónica também reduz notavelmente o custo da eliminação de resíduos. Este custo no processo de sonicação é cerca de um quinto do custo no processo de agitação, resultante da diminuição significativa da produção de resíduos devido a uma maior conversão do reator e a menores quantidades de álcool consumido.
Leia mais sobre a conversão ultrassónica de biodiesel de óleos de borras de café usadas!
Respeito pelo ambiente: Devido à eficiência global muito elevada, ao consumo reduzido de produtos químicos, à menor necessidade de energia e à redução de resíduos, a produção de biodiesel por ultra-sons é significativamente mais amiga do ambiente do que os processos convencionais de fabrico de biodiesel.

Conclusão – Ultra-sons melhoram a eficiência da produção de biodiesel

A avaliação científica mostra as vantagens claras da mistura ultra-sónica em relação à agitação mecânica convencional para a produção de biodiesel. As vantagens do processamento de biodiesel por ultra-sons incluem o investimento total de capital, o custo total do produto, o valor atual líquido e a taxa interna de retorno. Verificou-se que o montante do investimento total no processo de cavitação ultra-sónica era inferior ao de outros processos em cerca de 20,8%. A utilização de reactores ultra-sónicos reduziu os custos do produto em 5,2% – utilizando óleo de canola virgem. Uma vez que a sonicação permite processar também óleos usados (por exemplo, óleos alimentares usados), os custos de produção podem ser reduzidos significativamente mais. Gholami et al. (2021) chegam à conclusão de que, devido a um 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 ultra-sónica 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 / ultra-sónica – reduzem o tempo de reação de várias horas no reator de tanque agitado para alguns segundos no reator de cavitação ultra-sónica. Este curto tempo de residência permite a produção de biodiesel num reator de fluxo contínuo com uma pequena área de implantação. O reator de cavitação ultra-sónica também mostra efeitos benéficos nos requisitos 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 económico, o investimento total do processo de cavitação ultra-sónica é inferior ao do processo de agitação mecânica, principalmente devido à redução de quase 50% e 11,6% do custo do reator e do custo da coluna de destilação de metanol, respetivamente. O processo de cavitação por ultra-sons também reduz o custo de produção de biodiesel devido a uma redução de 4% no consumo de óleo de canola, a um investimento total mais baixo, a um consumo de produtos químicos 2,2% mais baixo e a uma redução de 23,8% nas necessidades de serviços públicos. Ao contrário do processo de agitação mecânica, o processamento ultrassónico é um investimento aceitável devido ao seu valor atual líquido positivo, a um tempo de retorno mais curto e a uma taxa interna de retorno mais elevada. Para além dos benefícios técnico-económicos associados ao processo de cavitação ultra-sónica, este é mais amigo do ambiente do que o processo de agitação mecânica. A cavitação ultra-sónica resulta numa redução de 80% dos fluxos de resíduos devido à maior conversão no reator e à redução do consumo de álcool neste processo. (cf. Gholami et al., 2021)

Utilize o catalisador da sua escolha

O processo de transesterificação ultra-sônica do biodiesel tem sido comprovado como eficiente usando catalisadores alcalinos ou básicos. Por exemplo, Shinde e Kaliaguine (2019) compararam a eficiência da mistura de lâminas ultra-sónicas e mecânicas utilizando vários catalisadores, nomeadamente hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de tetrametil amónio 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 ultra-sónica (a 35º) mostrou-se 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 de ultra-sons 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 ultra-sónica é uma alternativa energeticamente eficiente e industrialmente viável para a produção de biodiesel. Para além dos catalisadores amplamente utilizados KOH e NaOH, ambos os catalisadores de guanidina, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) e 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), têm sido mostrados como alternativas interessantes para a conversão de biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) investigaram a síntese de biodiesel assistida por ultra-sons a partir de óleo de palma utilizando diversos catalisadores de óxido de metal alcalino, tais como CaO, BaO e SrO. A atividade do catalisador na síntese de biodiesel assistida por ultra-sons foi comparada com o processo de agitação magnética tradicional, e verificou-se que o processo de ultra-sons mostrou 95,2% de rendimento usando BaO dentro de 60 minutos de tempo de reação, que de outra forma levar 3-4 h no processo de agitação convencional. Para a transesterificação assistida por ultra-sons em condições óptimas, foram necessários 60 minutos para atingir um rendimento de 95% 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 descontínuo de agitação mecânica: (metanol:óleo de canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reator descontínuo de ultra-sons: Ultrassom UP200St(metanol:óleo de canola) 4:1, 60% de amplitude de US, temperatura 35ºC. A mistura por ultra-sons supera de longe a agitação mecânica.
(Estudo e gráficos: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reactores ultra-sónicos de alto desempenho para um processamento superior de biodiesel

A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reactores ultra-sónicos de alto desempenho para melhorar a produção de biodiesel, resultando em rendimentos mais elevados, melhor qualidade, tempo de processamento reduzido e custos de produção mais baixos.

Reactores de biodiesel de pequena e média escala

Para a produção de biodiesel de pequena e média dimensão, até 9 toneladas/hora (2900 gal/hora), a Hielscher oferece-lhe a UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts)e UIP2000hdT (2000 watts) modelos de misturadores ultra-sónicos de alto cisalhamento. Estes quatro reactores ultra-sónicos são muito compactos, fáceis de integrar ou de reequipar. Foram concebidos para um funcionamento intensivo em ambientes adversos. Abaixo encontrará as configurações de reactores recomendadas para uma gama de taxas de produção.

Reactores industriais de biodiesel de muito grande capacidade

Para instalações de produção de biodiesel para processamento industrial, a Hielscher oferece UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) homogeneizadores ultra-sónicos! Estes processadores ultra-sónicos foram concebidos para o processamento contínuo de caudais elevados. O UIP4000hdT, o UIP6000hdT e o UIP10000 podem ser integrados em contentores normais 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 encontram-se as configurações recomendadas para taxas de processamento industrial típicas.