Premena odpadového kuchynského oleja na spoľahlivú bionaftu pre vznetové motory

Odpadový kuchynský olej je jednou z najatraktívnejších surovín na výrobu bionafty dostupných v súčasnosti. Je lacný, široko dostupný a pomáha riešiť problém s likvidáciou odpadu. Zároveň však predstavuje dobre známu výzvu pri spracovaní: nekvalitné suroviny, ako sú odpadové rastlinné oleje, použité kuchynské oleje, tuky na vyprážanie, živočíšne tuky, loj alebo rybie oleje, sa premieňajú efektívne ťažšie než rafinované nepoužité oleje.

Nedávna štúdia transesterifikácie podporovanej ultrazvukom ukazuje, ako možno tento problém prekonať pomocou ultrazvukového miešania. Výskumníci optimalizovali výrobu bionafty z odpadového kuchynského oleja (WCO) a následne otestovali získanú bionaftu a zmesi bionafty s motorovou naftou vo vznetovom motore. Ich zistenia podporujú dva dôležité závery: po prvé, sonikácia umožňuje rýchlu premenu s vysokým výťažkom aj pri ťažko spracovateľných surovinách; po druhé, výsledné zmesi bionafty s motorovou naftou možno používať vo vznetových motoroch bez úprav, s prevádzkovými parametrami blízkymi motorovej nafte a s lepšími emisnými parametrami.

Ste pripravení premeniť lacné odpadové oleje na bionaftu s vysokou hodnotou?

Ultrazvukové reaktory Hielscher na výrobu bionafty pomáhajú výrobcom premieňať ťažko spracovateľné suroviny, ako sú odpadový kuchynský olej, tuky na vyprážanie, loj a rybí olej, pri vyšších reakčných rýchlostiach, kratších dobách zdržania a vyššej účinnosti procesu. Kontaktujte nás teraz a prediskutujte s nami svoju surovinu, cieľovú kapacitu a konfiguráciu reaktora na kontinuálnu ultrazvukovú výrobu bionafty.

Prečo nekvalitné suroviny komplikujú výrobu bionafty

Lacné suroviny na výrobu bionafty sú atraktívne, pretože náklady na suroviny majú rozhodujúci vplyv na ekonomiku výroby. Štúdia Belala a jeho kolegov publikovaná v roku 2025 dokazuje, že odpadové kuchynské oleje a tuky možno účinne premieňať na bionaftu pomocou ultrazvukového miešania. Následne sa bionafta vyrobená ultrazvukom úspešne použila vo vznetových motoroch.
Hoci využívanie odpadových olejov predchádza problému konkurencie medzi výrobou potravín a palív spojenému s jedlými olejmi, výzvou zostáva väčšia variabilita a náročnejšie spracovanie nekvalitných surovín. Pri konvenčnej transesterifikácii sú alkoholová a olejová fáza nemiešateľné, takže účinnosť reakcie do veľkej miery závisí od toho, ako dobre dokáže systém prekonať obmedzenia prenosu hmoty. Pri degradovaných alebo menej kvalitných olejoch a tukoch sú tieto obmedzenia výraznejšie, čo často vedie k pomalšej premene, dlhším dobám zdržania, náročnejšiemu oddeľovaniu fáz a celkovo menej účinnému spracovaniu. Práve tu prináša ultrazvukové miešanie zásadný obrat.

Prečo sonikácia umožňuje využívanie nekvalitných surovín

Sonikácia umožňuje účinnejšie spracovanie nekvalitných surovín, ako sú odpadové rastlinné oleje, odpadové kuchynské oleje, tuky na vyprážanie, hovädzí loj alebo rybie oleje, pretože ultrazvuková kavitácia vynucuje oveľa lepší kontakt medzi nemiešateľnou olejovou a alkoholovou fázou, čím výrazne zlepšuje miešanie aj prenos tepla a hmoty. Ultrazvukové miešanie má navyše fyzikálne aj chemické účinky: ultrazvuková kavitácia zintenzívňuje reakčné prostredie a môže podporovať tvorbu vysoko reaktívnych radikálov, ktoré ďalej urýchľujú reakčnú kinetiku a podporujú rýchlejšiu a úplnejšiu transesterifikáciu.
Práve preto je sonikácia taká cenná pri menej kvalitných surovinách. Kompenzuje obmedzenia, ktoré zvyčajne sťažujú spracovanie týchto surovín v konvenčných systémoch.

Čo štúdia dosiahla pomocou sonikácie

Pre priemyselných výrobcov bionafty je pri hodnotení štúdie kľúčová intenzifikácia procesu dosiahnutá sonikáciou, nie malé laboratórne usporiadanie. Za optimalizovaných ultrazvukových podmienok dosiahla štúdia Belala a kol. (2025) výťažok bionafty 96,65%. V porovnaní s konvenčným referenčným postupom autorov skrátila transesterifikácia podporovaná ultrazvukom reakčný čas z 90 minút na 6 minút a čas separácie bionafty a glycerolu zo 720 minút na 30 minút.
Tieto výsledky sú pre priemyselnú výrobu bionafty veľmi významné, pretože ukazujú, že sonikácia nielen mierne zlepšuje miešanie – zásadne urýchľuje konverziu aj následnú separáciu.
 

Ultrazvuková metóda dosahuje približne 75% konverziu počas prvých 1,5 minúty a po 6 minútach sa ustáli na úrovni približne 90% konverzie.
Konvenčná metóda vykazuje oveľa pomalšiu konverziu, pričom po 8 minútach dosahuje iba približne 40% konverziu.
Štúdia a graf: ©Fayyyazi et al. 2014

Ako sa tieto výsledky premietajú do kontinuálneho prietokového spracovania bionafty pomocou zariadení Hielscher

Pri priemyselnom zavádzaní sa tieto zistenia priamo premietajú do výhod kontinuálneho prietokového ultrazvukového spracovania bionafty pomocou priemyselných sonikátorov a reaktorov Hielscher. Rovnaký kavitačný mechanizmus preukázaný v štúdii – intenzívnejšie miešanie, lepší kontakt na rozhraní fáz, rýchlejší prenos tepla a hmoty a zrýchlená reakčná kinetika – je presne tým, čo zabezpečuje výkonnosť prietokových ultrazvukových reaktorov.
Pri kontinuálnej prevádzke sa olej, alkohol a katalyzátor čerpajú cez zónu ultrazvukového reaktora, kde kavitácia s vysokou intenzitou nepretržite disperguje fázy a vyvoláva ich vzájomnú reakciu. To umožňuje kratšie časy zdržania, rýchlejšiu konverziu, spoľahlivejšie spracovanie premenlivých nízkonákladových surovín a rýchlejšiu následnú separáciu. Pre priemyselných výrobcov, ktorí spracúvajú WCO, použité tuky na vyprážanie, loj alebo rybí olej, je hlavný záver jasný: sonikácia zvyšuje komerčnú atraktívnosť náročných surovín tým, že zabezpečuje lepšiu konverziu za kratší čas.

Sonikácia zlepšuje kvalitu paliva

Zásadné je, že nespracované odpadové oleje nie sú vhodnými motorovými palivami. Termogravimetrická analýza v štúdii porovnávala motorovú naftu, nespracovaný WCO, bionaftu vyrobenú konvenčne a bionaftu vyrobenú pomocou ultrazvukového miešania. Autori zistili, že nespracovaný WCO vykazoval najhoršie správanie pri odparovaní, zatiaľ čo bionafta vyrobená ultrazvukom vykazovala lepšie správanie pri odparovaní v porovnaní s nespracovaným WCO a dokonca aj s bionaftou vyrobenou tradičnou transesterifikáciou.
Je to dôležité, pretože nedostatočné odparovanie a nedostatočné rozprašovanie patria medzi hlavné dôvody, prečo môžu neupravené odpadové oleje spôsobovať zanášanie vstrekovačov, neúplné spaľovanie a tvorbu usadenín. Štúdia uvádza, že nespracovaný WCO obsahoval nerozpustné oligoméry, ktoré môžu poškodiť motor upchatím vstrekovacieho systému, zatiaľ čo správne vykonaná transesterifikácia podstatne zlepšuje správanie paliva.

Možno zmesi bionafty a motorovej nafty bez problémov používať vo vznetových motoroch?

Štúdia Belala a kol. (2025) ukazuje, že áno, bionaftu vyrobenú ultrazvukom možno bez problémov používať v štandardných vznetových motoroch. Výskumníci testovali zmesi B10, B20, B30, B40 a B100 vo vznetovom motore pri konštantných otáčkach a premenlivom zaťažení. Dospeli k záveru, že motorovú naftu možno nahradiť bionaftou z WCO alebo zmesami bionafty a motorovej nafty bez úpravy motora a že odporúčanou zmesou je B40, pretože spájala porovnateľné výkonové parametre motora s výrazne lepšími emisiami.
Aj keď nie každý ukazovateľ je rovnaký ako pri fosílnej motorovej nafte, zmesi zostávajú plne použiteľné pri štandardnej prevádzke vznetových motorov, pričom rozdiely vo výkonových parametroch sú malé a prínosy v oblasti emisií sú značné.
 

Rôzne zmesi bionafty/motorovej nafty pri zaťažení motora 10–100%. – Vľavo: Zmeny BSFC / Vpravo: Zmeny BTE pri rôznych zmesiach bionafty/motorovej nafty pri zaťažení motora 10–100%
Štúdia a grafy: ©Belal et al., 2025

Výkon motora: podobný ako pri nafte, s malými kompromismi

Štúdia zistila, že zmesi s bionaftou poskytovali výkon motora podobný ako pri nafte, s miernym zvýšením mernej efektívnej spotreby paliva a malým poklesom efektívnej tepelnej účinnosti.
Tieto zmeny sa očakávajú. Namerané vlastnosti ukázali, že bionafta z WCO mala vyššiu hustotu a viskozitu a nižšiu výhrevnosť ako nafta, hoci cetánové číslo bolo v tejto štúdii rovnaké. To znamená, že na dosiahnutie rovnakého výkonu môže byť potrebné o niečo viac paliva, ale motor na tieto zmesi stále funguje normálne.
Z praktického hľadiska to podporuje tvrdenie, že zmesi s bionaftou sú prevádzkovo použiteľné vo vznetových motoroch aj vtedy, keď sa vyrábajú z nekvalitných vstupných surovín, ako je odpadový kuchynský olej.

Emisie: výrazné výhody primiešavania bionafty

Práve vo výsledkoch merania emisií sa prejavili najväčšie výhody bionafty.

Pri plnom zaťažení dosiahla B100 najväčšie zníženie týchto emisií:

• CO: pokles o 42,9%
• nespálené uhľovodíky: pokles o 29,9%
• opacita dymu: pokles o 42,1%

v porovnaní s čistou naftou.
Štúdia pripisuje tieto výhody vyššiemu obsahu kyslíka a nižšiemu obsahu uhlíka v bionafte, ktoré podporujú úplnejšie spaľovanie a znižujú tvorbu sadzí.

Čo to znamená pre výrobcov bionafty

Nekvalitné vstupné suroviny sú ekonomicky atraktívne, ale konvenčnými technológiami sa spracúvajú ťažšie. Sonikácia túto situáciu mení tým, že prekonáva bariéru prenosu látky medzi olejom a alkoholom a výrazne urýchľuje konverziu. V štúdii to znamenalo výťažok bionafty 96,65%, skrátenie reakčného času z 90 minút na 6 minút a skrátenie času separácie z 12 hodín na 30 minút.
Pre kontinuálne priemyselné systémy na výrobu bionafty sa to premieta do hlavných výhod ultrazvukového spracovania Hielscher: vyššej spracovateľskej kapacity, kratšieho času zdržania, väčšej odolnosti voči premenlivosti vstupných surovín a efektívnejšej výroby z lacných olejov a tukov.
 

Ultrazvukový reaktor UIP1000hdT na zlepšenie konverzie odpadových olejov a tukov na bionaftu.

Sonikátory Hielscher na výrobu bionafty z WCO

Štúdia ukazuje, prečo sú sonikátory Hielscher takým účinným nástrojom na výrobu bionafty z nekvalitných vstupných surovín. Ultrazvuková kavitácia zintenzívňuje transesterifikáciu zlepšením miešania, prenosu tepla, prenosu látky a reakčnej kinetiky, čím umožňuje rýchlu a efektívnu konverziu ťažko spracovateľných surovín, ako sú odpadové kuchynské oleje a iné degradované oleje a tuky. Za optimalizovaných podmienok sa v štúdii dosiahol výťažok bionafty 96,65% už za 6 minút, pričom separácia glycerolu bola výrazne rýchlejšia než pri konvenčnom spracovaní.
Rovnako dôležité je, že výsledná bionafta bola prakticky použiteľná v motore. Zmesi bionafty s naftou vykazovali výkon podobný ako pri konvenčnej nafte, pričom výrazne znižovali emisie CO, nespálených uhľovodíkov a dymu. Odporúčaná zmes B40 spájala porovnateľný mechanický výkon s najvyváženejšími emisnými charakteristikami a mohla sa používať bez úprav motora.
Sonikátory Hielscher nielen urýchľujú výrobu bionafty – umožňujú aj efektívne kontinuálne spracovanie lacných, nekvalitných vstupných surovín a premieňajú odpadové oleje a tuky na praktické palivo pripravené na použitie v motore.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite ultrazvukových reaktorov Hielscher na výrobu bionafty:

Ekonomické a environmentálne dôsledky používania ultrazvukových miešačov Hielscher na výrobu bionafty

Technicko-ekonomický model autorov Gholami a kol. (2021) preukázal:

• Zníženie celkových investičných nákladov približne o 21%,
• Zníženie nákladov na produkt na tonu približne o 5%,
• Zníženie tvorby odpadu na jednu pätinu množstva vznikajúceho pri mechanickom miešaní,
• Zvýšenie vnútorného výnosového percenta (IRR) na 18,3% pri kladnej čistej súčasnej hodnote (NPV), zatiaľ čo konvenčný proces zostal ekonomicky nerentabilný.

Z environmentálneho hľadiska zníženie prebytku metanolu priamo zmierňuje emisie prchavých organických zlúčenín a znižuje spotrebu tepelnej energie, čím zosúlaďuje ultrazvukovú výrobu bionafty s cieľmi ekologickej výroby.

Prehľad výhod ultrazvukového reaktora na výrobu bionafty

(výsledky porovnávacej štúdie, porov. Gholami a kol., 2021)

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE a požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.