Превращение отработанного кулинарного масла в надежное биодизельное топливо для дизельных двигателей

Отработанное кулинарное масло – один из наиболее привлекательных видов сырья для производства биодизельного топлива, доступных сегодня. Оно недорогое, широко доступно и помогает решить проблему утилизации. Однако оно также создает хорошо известную технологическую трудность: низкокачественное сырье, такое как отработанные растительные масла, использованные кулинарные масла, жиры для жарки, животные жиры, вытопленный животный жир или рыбьи жиры, сложнее эффективно преобразовать, чем рафинированные масла первого использования.

Недавнее исследование переэтерификации с применением ультразвука показывает, как эту проблему можно преодолеть с помощью ультразвукового смешивания. Исследователи оптимизировали производство биодизельного топлива из отработанного кулинарного масла (WCO), а затем испытали полученное биодизельное топливо и его смеси с дизельным топливом в дизельном двигателе. Их результаты подтверждают два важных вывода: во-первых, обработка ультразвуком обеспечивает быстрое преобразование с высоким выходом даже для труднообрабатываемого сырья; во-вторых, полученные смеси биодизельного и дизельного топлива можно использовать в дизельных двигателях без модификации, с эксплуатационными характеристиками, близкими к характеристикам при работе на дизельном топливе, и улучшенными показателями выбросов.

Готовы превратить недорогие отработанные масла в ценное биодизельное топливо?

Ультразвуковые реакторы Hielscher для производства биодизельного топлива помогают производителям преобразовывать труднообрабатываемое сырье, такое как отработанное кулинарное масло, жиры для жарки, вытопленный животный жир и рыбий жир, с более высокой скоростью реакции, меньшим временем пребывания и повышенной эффективностью процесса. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваше сырье, целевую производительность и конфигурацию реактора для непрерывного производства биодизельного топлива с применением ультразвука.

Почему низкокачественное сырье создает трудности при производстве биодизельного топлива

Недорогое сырье для производства биодизельного топлива привлекательно, поскольку стоимость сырья определяет экономику производства. Исследование Belal и коллег, опубликованное в 2025 году, демонстрирует, что отработанные кулинарные масла и жиры можно эффективно преобразовывать в биодизельное топливо с помощью ультразвукового смешивания. Впоследствии биодизельное топливо, полученное с применением ультразвука, успешно использовали в дизельных двигателях.
Хотя использование отработанных масел позволяет избежать проблемы конкуренции между производством продуктов питания и топлива, связанной с пищевыми маслами, трудность заключается в том, что низкокачественное сырье более изменчиво по составу и сложнее в переработке. При традиционной переэтерификации спиртовая и масляная фазы не смешиваются, поэтому эффективность реакции в значительной степени зависит от того, насколько хорошо система преодолевает ограничения массопереноса. Для деградировавших или низкосортных масел и жиров эти ограничения становятся более выраженными, часто приводя к замедлению преобразования, увеличению времени пребывания, усложнению разделения фаз и снижению общей эффективности переработки. Именно здесь ультразвуковое смешивание становится технологией, кардинально меняющей ситуацию.

Почему обработка ультразвуком позволяет использовать низкокачественное сырье

Обработка ультразвуком позволяет более эффективно перерабатывать низкокачественное сырье, такое как отработанные растительные масла, отработанные кулинарные масла, жиры для жарки, говяжий вытопленный жир или рыбьи жиры, поскольку ультразвуковая кавитация обеспечивает гораздо более тесный контакт между несмешивающимися масляной и спиртовой фазами, значительно улучшая смешивание, а также тепло- и массоперенос. Кроме того, ультразвуковое смешивание оказывает как физическое, так и химическое воздействие: ультразвуковая кавитация интенсифицирует процессы в реакционной среде и может способствовать образованию высокореакционноспособных радикалов, которые дополнительно ускоряют кинетику реакции и способствуют более быстрой и полной переэтерификации.
Именно поэтому обработка ультразвуком так ценна для низкосортного сырья. Она компенсирует ограничения, которые обычно затрудняют переработку такого сырья в традиционных системах.

Каких результатов достигли в исследовании благодаря обработке ультразвуком

Для промышленных производителей биодизельного топлива ключевым результатом является интенсификация процесса, достигнутая благодаря обработке ультразвуком, а не сама небольшая лабораторная установка. При оптимизированных условиях ультразвуковой обработки в исследовании Belal et al. (2025) был достигнут выход биодизельного топлива 96,65%. По сравнению с традиционным процессом, использованным авторами в качестве эталона, переэтерификация с применением ультразвука сократила время реакции с 90 минут до 6 минут и уменьшила время разделения биодизельного топлива и глицерина с 720 минут до 30 минут.
Эти результаты имеют большое значение для промышленного производства биодизельного топлива, поскольку показывают, что обработка ультразвуком не просто немного улучшает смешивание – она кардинально ускоряет преобразование и последующее разделение.
 

Ультразвуковой метод обеспечивает степень преобразования приблизительно 75% в течение первых 1,5 минут и выходит на плато на уровне около 90% преобразования через 6 минут.
Традиционный метод демонстрирует гораздо более низкую скорость преобразования, достигая степени преобразования лишь около 40% через 8 минут.
Исследование и график: ©Fayyyazi et al. 2014

Как эти результаты применимы к непрерывному проточному производству биодизельного топлива с оборудованием Hielscher

При промышленном внедрении эти результаты непосредственно отражаются в преимуществах непрерывного проточного производства биодизельного топлива с применением промышленных ультразвуковых гомогенизаторов и реакторов Hielscher. Тот же механизм кавитации, который был продемонстрирован в исследовании, – интенсивное смешивание, улучшенный межфазный контакт, более быстрый тепло- и массоперенос и ускоренная кинетика реакции – определяет эффективность ультразвуковых реакторов, встроенных в технологическую линию.
При непрерывной работе масло, спирт и катализатор прокачиваются через зону ультразвукового реактора, где высокоинтенсивная кавитация непрерывно диспергирует фазы и обеспечивает их реакционное взаимодействие. Это позволяет сократить время пребывания, ускорить преобразование, повысить устойчивость переработки недорогого сырья с изменчивыми характеристиками и ускорить последующее разделение. Для промышленных производителей, работающих с WCO, использованными жирами для жарки, вытопленным животным жиром или рыбьим жиром, основной вывод очевиден: обработка ультразвуком делает труднообрабатываемое сырье более привлекательным с коммерческой точки зрения, обеспечивая более высокую степень преобразования за меньшее время.

Обработка ультразвуком улучшает качество топлива

Принципиально важно, что необработанные отработанные масла не подходят в качестве моторного топлива. В ходе термогравиметрического анализа в исследовании сравнивали дизельное топливо, необработанное WCO, биодизельное топливо, полученное традиционным способом, и биодизельное топливо, произведенное с помощью ультразвукового смешивания. Авторы установили, что необработанное WCO обладало наихудшими характеристиками испарения, тогда как биодизельное топливо, полученное с применением ультразвука, демонстрировало улучшенные характеристики испарения по сравнению с необработанным WCO и даже с биодизельным топливом, полученным путем традиционной переэтерификации.
Это важно, поскольку плохое испарение и плохое распыление относятся к основным причинам того, что необработанные отработанные масла могут вызывать загрязнение форсунок, неполное сгорание и образование отложений. В исследовании отмечается, что необработанное WCO содержало нерастворимые олигомеры, которые могут повредить двигатель, засоряя систему впрыска, тогда как правильно проведенная переэтерификация существенно улучшает характеристики топлива.

Можно ли без проблем использовать смеси биодизельного и дизельного топлива в дизельных двигателях?

Исследование Belal et al. (2025) показывает, что да, биодизельное топливо, полученное с применением ультразвука, можно без проблем использовать в стандартных дизельных двигателях. Исследователи испытали смеси B10, B20, B30, B40 и B100 в дизельном двигателе при постоянной частоте вращения и переменной нагрузке. Они пришли к выводу, что дизельное топливо можно заменить биодизельным топливом из WCO или смесями биодизельного и дизельного топлива без модификации двигателя, а рекомендуемой смесью является B40, поскольку она сочетает сопоставимые эксплуатационные характеристики двигателя с явно улучшенными показателями выбросов.
Даже если не каждый показатель идентичен показателям при работе на дизельном топливе из ископаемого сырья, смеси остаются полностью пригодными для эксплуатации стандартных дизельных двигателей, при этом различия в эксплуатационных характеристиках невелики, а преимущества в отношении выбросов существенны.
 

Различные смеси биодизельного/дизельного топлива при нагрузках двигателя 10–100%. – Слева: изменение BSFC / Справа: изменение BTE для различных смесей биодизельного/дизельного топлива при нагрузках двигателя 10–100%
Исследование и графики: ©Belal et al., 2025

Эксплуатационные характеристики двигателя: близки к работе на дизельном топливе, с небольшими компромиссами

В исследовании установлено, что смеси биодизельного топлива обеспечивали эксплуатационные характеристики двигателя, сходные с характеристиками при работе на дизельном топливе, с небольшим увеличением удельного расхода топлива по эффективной мощности и незначительным снижением эффективного теплового КПД.
Эти изменения ожидаемы. Измеренные свойства показали, что биодизельное топливо из WCO имело более высокие плотность и вязкость и более низкую теплоту сгорания, чем дизельное топливо, хотя цетановое число в этом исследовании было одинаковым. Это означает, что для получения той же мощности может потребоваться немного больше топлива, но двигатель по-прежнему нормально работает на смесях.
С практической точки зрения это подтверждает, что смеси биодизельного топлива пригодны для эксплуатации дизельных двигателей, даже если они произведены из низкокачественного сырья, такого как отработанное кулинарное масло.

Выбросы: значительные преимущества добавления биодизельного топлива

Именно в результатах измерения выбросов биодизельное топливо продемонстрировало свои наиболее выраженные преимущества.

При полной нагрузке B100 обеспечило наибольшее снижение следующих показателей:

• CO: снижение на 42,9%
• несгоревшие углеводороды: снижение на 29,9%
• непрозрачность дыма: снижение на 42,1%

по сравнению с чистым дизельным топливом.
В исследовании эти преимущества связываются с более высоким содержанием кислорода и более низким содержанием углерода в биодизельном топливе, что способствует более полному сгоранию и снижает образование сажи.

Что это означает для производителей биодизельного топлива

Низкокачественное сырье экономически привлекательно, но его сложнее перерабатывать с использованием традиционной технологии. Обработка ультразвуком меняет эту ситуацию, преодолевая барьер массопереноса между маслом и спиртом и значительно ускоряя преобразование. В исследовании это означало выход биодизельного топлива 96,65%, сокращение времени реакции с 90 минут до 6 минут и уменьшение времени разделения с 12 часов до 30 минут.
Для непрерывных промышленных систем производства биодизельного топлива это выражается в основных преимуществах ультразвуковой обработки Hielscher: более высокой производительности, меньшем времени пребывания, повышенной устойчивости к изменчивости характеристик сырья и более эффективном производстве из недорогих масел и жиров.
 

Ультразвуковой реактор UIP1000hdT для улучшенного преобразования отработанных масел и жиров в биодизельное топливо.

Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher для производства биодизельного топлива из WCO

Исследование показывает, почему ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher являются столь эффективным инструментом для производства биодизельного топлива из низкокачественного сырья. Ультразвуковая кавитация интенсифицирует переэтерификацию, улучшая смешивание, теплоперенос, массоперенос и кинетику реакции, что позволяет быстро и эффективно преобразовывать труднообрабатываемое сырье, такое как отработанные кулинарные масла и другие деградировавшие масла и жиры. При оптимизированных условиях в исследовании был достигнут выход биодизельного топлива 96,65% всего за 6 минут, при этом разделение глицерина происходило значительно быстрее, чем при традиционной переработке.
Не менее важно, что полученное биодизельное топливо оказалось пригодным для практического использования в двигателе. Смеси биодизельного и дизельного топлива демонстрировали эксплуатационные характеристики, близкие к характеристикам при работе на традиционном дизельном топливе, при этом значительно снижая выбросы CO, несгоревших углеводородов и дыма. Рекомендуемая смесь B40 сочетала сопоставимые механические характеристики с наиболее сбалансированными показателями выбросов и могла использоваться без модификации двигателя.
Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher не только ускоряют производство биодизельного топлива – они делают недорогое низкокачественное сырье пригодным для эффективной непрерывной переработки и превращают отработанные масла и жиры в пригодное для практического применения топливо, готовое к использованию в двигателях.

В таблице ниже приведены ориентировочные значения производительности ультразвуковых реакторов Hielscher для производства биодизельного топлива:

Экономические и экологические последствия использования ультразвуковых смесителей Hielscher для производства биодизельного топлива

Технико-экономическая модель Gholami et al. (2021) продемонстрировала:

• Снижение общих инвестиционных затрат приблизительно на 21%,
• Снижение себестоимости продукции на тонну приблизительно на 5%,
• Сокращение образования отходов до одной пятой от количества при механическом перемешивании,
• Повышение внутренней нормы доходности (IRR) до 18,3% при положительной чистой приведенной стоимости (NPV), тогда как традиционный процесс оставался экономически невыгодным.

С экологической точки зрения уменьшение избытка метанола непосредственно снижает выбросы летучих органических соединений и потребление тепловой энергии, приводя производство биодизельного топлива с применением ультразвука в соответствие с целями экологичного производства.

Обзор преимуществ ультразвукового реактора для производства биодизельного топлива

(результаты сравнительного исследования, см. Gholami et al., 2021)

Проектирование, производство и консультирование – качество, произведенное в Германии

Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher широко известны своим высочайшим качеством и стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют беспрепятственно интегрировать наши ультразвуковые гомогенизаторы в промышленные установки. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher легко справляются с тяжелыми условиями и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым гомогенизаторам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher соответствуют требованиям CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Источники

• Belal, B. Y.; Li, G.; Zhang, Z.; Liang, J.; Zhou, M.; Masoud, S. M.; Attia, A. M. A.; El-Zoheiry, R. M.; El-Seesy, A. I. (2025): Optimizing waste cooking biodiesel production using ultrasonic-assisted and studying its combustion characteristics blended with diesel in diesel engine. Environmental science and pollution research international, 32(11), 2025. 6984–7001.
• J. Sáez-Bastante, M. Carmona-Cabello, S. Pinzi, M.P. Dorado (2020): Recycling of kebab restoration grease for bioenergy production through acoustic cavitation. Renewable Energy, Volume 155, 2020. 1147-1155.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
• Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
• Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
• Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
• Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.