Zvyšovanie účinnosti výroby bioenergie pomocou výkonového ultrazvuku

Použitie ultrazvuku s vysokou intenzitou (sonikácie) pri výrobe energie z obnoviteľných zdrojov predstavuje významný pokrok v účinnosti procesov. Využívaním akustickej kavitácie ultrazvuková technológia zlepšuje prenos hmoty, narúša bunkové štruktúry a urýchľuje chemické reakcie pri rôznych spôsoboch výroby biopalív vrátane bionafty, bioetanolu a bioplynu.
Dopyt po obnoviteľných palivách rastie, keďže ceny ropy dosahujú nové maximá. Použitie ultrazvukovej technológie pri výrobe ekologických palív, ako sú bionafta, bioetanol a bioplyn, zvyšuje technickú aj ekonomickú efektívnosť.

Bionafta z odpadového rastlinného oleja a živočíšneho tuku

Bionafta je obnoviteľné palivo, ktoré sa môže používať v naftových motoroch ako alternatíva k motorovej nafte vyrábanej z ropy. Bionafta sa vyrába transesterifikáciou zo zdrojov, ako sú rastlinné oleje, živočíšne tuky alebo tukové odpady. Najbežnejšími surovinami sú sójový, repkový alebo riasový olej. Výroba bionafty zahŕňa katalytickú reakciu s alkoholom (metanolom alebo etanolom). Ultrazvukové miešanie oleja, tuku alebo tukového odpadu s alkoholom výrazne zvyšuje rýchlosť reakcie a výťažok. Tým sa znižujú investičné a prevádzkové náklady.

• Urýchlená transesterifikácia: Pôsobenie ultrazvuku výrazne skracuje reakčný čas pri výrobe bionafty, často z hodín na menej ako päť minút.
• Zlepšená separácia: Táto technológia zlepšuje oddeľovanie glycerínu od bionafty a skracuje čas usadzovania z niekoľkých hodín na menej ako 15 minút.
• Vyššie výťažky: Ultrazvukové spracovanie môže zabezpečením dôkladného premiešania reaktantov prispieť k dosiahnutiu výťažkov bionafty presahujúcich 99%.

Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukových miešacích reaktoroch na výrobu bionafty!

Bioetanol zo škrobu a cukru

Bioetanol sa používa ako ekologická alternatíva k benzínu. Vyrába sa fermentáciou kukurice, pšenice, zemiakov, cukrovej trstiny, ryže a iných obilnín. Kvasinky sa používajú na fermentáciu škrobu a cukrov obsiahnutých v týchto plodinách na etanol. Ultrazvuková dezintegrácia bunkových štruktúr a extrakcia vnútrobunkového materiálu zmenšujú veľkosť častíc a počas skvapalňovania sprístupňujú enzýmom oveľa väčšiu plochu povrchu. Tým sa zlepšuje biologická dostupnosť škrobu a cukru a dosahuje sa rýchlejšia a úplnejšia fermentácia, ktorá vedie k väčšiemu množstvu etanolu.
Výroba bioetanolu do veľkej miery závisí od účinného rozkladu lignocelulózovej biomasy, ktorým sa uvoľňujú fermentovateľné cukry. Ultrazvuk napomáha tomuto procesu viacerými spôsobmi:

• Zlepšená hydrolýza: Ultrazvuková predúprava uľahčuje dezintegráciu rastlinných častíc a zlepšuje uvoľňovanie glukózy z kukuričnej suspenzie v závodoch na výrobu etanolu s mletím za sucha.
• Stimulovaná fermentácia: Preukázalo sa, že ultrazvuk stimuluje tvorbu etanolu počas súčasnej sacharifikácie a fermentácie (SSF) materiálov, ako je zmesový odpadový kancelársky papier.
• Účinnosť extrakcie: Vysokovýkonný ultrazvuk je účinný pri extrakcii aktívnych zložiek, ako sú xylán a heteroxylán, z kukuričných vretien a šupiek, ako aj pri zlepšovaní extrakcie oleja zo sójových bôbov, čím podporuje širšie výrobné reťazce založené na biologických surovinách.

Kliknite sem a prečítajte si viac o dezintegrácii buniek a extrakcii!

Bioplyn z odpadu a kalu

Komunálny organický odpad, čistiarenský kal, hnojovica a maštaľný hnoj slúžia ako zdroj bioplynu. Spracovanie takéhoto materiálu v aeróbnych alebo anaeróbnych digestoroch premieňa organický materiál na bioplyn. Ultrazvuková dezintegrácia organického materiálu pred digesciou mení štruktúru materiálu a uvoľňuje a aktivuje enzýmy. Tým sa zlepšuje digescia organického materiálu, čo vedie k rýchlejšiemu spracovaniu, väčšiemu množstvu plynu a menšiemu množstvu zvyškového kalu. To následne zvyšuje kapacitu existujúcich digestorov a znižuje náklady na likvidáciu.

Pri anaeróbnej digescii sa ultrazvuková predúprava používa na dezintegráciu biomasy (napríklad prebytočného aktivovaného kalu), aby bola organická hmota dostupnejšia pre baktérie.

• Zvýšený výťažok bioplynu: Sonikácia sa osvedčila pri zvyšovaní kumulatívnej produkcie bioplynu. Štúdie uvádzajú zvýšenie produkcie bioplynu v rozsahu od 26% do 36% v porovnaní s neupraveným kalom.
• Zlepšené znižovanie obsahu tuhých látok: Ultrazvukové spracovanie zlepšuje rozklad prchavých tuhých látok (VS). Napríklad miera rozkladu VS sa môže zvýšiť z 30% na 35% alebo aj vyššie (až na 39%) v závislosti od organického zaťaženia a energetického vstupu.
• Integrácia s čistením odpadových vôd: Čistiarenské kaly z mestských a priemyselných čistiarní odpadových vôd, ako aj kaly zo samotných bioplynových staníc, možno účinne spracovať pomocou ultrazvukových reaktorov na optimalizáciu procesu stabilizácie a energetického zhodnocovania.

Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej dezintegrácii kalu!

Ultrazvuková dezintegrácia živočíšneho hnoja pred anaeróbnou digesciou zvyšuje výťažky bioplynu.

Energetická bilancia ultrazvuku

Vyššie uvedené procesy nevyžadujú veľa ultrazvukovej energie. Vo všeobecnosti energetický prebytok dosiahnutý vďaka sonikácii kompenzuje energiu spotrebovanú na generovanie ultrazvuku. Ultrazvukové zariadenia Hielscher majú celkovú účinnosť viac ako 85%. To znamená, že viac ako 85% elektrickej energie sa premieňa na mechanickú energiu a v tejto forme sa prenáša do kvapaliny. Skutočnú energetickú náročnosť procesu možno určiť v malom meradle pomocou stolového ultrazvukového procesora s výkonom 1kW. Všetky výsledky takýchto skúšok na stolovom zariadení možno ľahko preniesť do väčšieho meradla. Hielscher dodáva priemyselné zariadenia na ultrazvukové spracovanie do celého sveta. S priemyselnými ultrazvukovými homogenizátormi s výkonom až 16kW na jeden sonikátor neexistuje žiadne obmedzenie veľkosti závodu ani kapacity spracovania.