Zvýšenie efektívnosti výroby bioenergie pomocou výkonného ultrazvuku

Využitie vysokointenzívneho ultrazvuku (sonikácie) pri výrobe energie z obnoviteľných zdrojov predstavuje významný pokrok v efektívnosti procesov. Vďaka využitiu akustickej kavitácie ultrazvuková technológia zlepšuje prenos hmoty, narúša bunkové štruktúry a urýchľuje chemické reakcie v rôznych procesoch výroby biopalív, vrátane bionafty, bioetanolu a bioplynu.
Obnoviteľné palivá sa tešia rastúcemu dopytu, pretože ceny ropy znamenajú nové výšky. Aplikácia ultrazvukovej technológie na výrobu zelených palív, ako je bionafta, bioetanol a bioplyn, zlepšuje technickú a komerčnú účinnosť.

Bionafta z odpadového rastlinného oleja a živočíšneho tuku

Biodiesel je obnoviteľné palivo, ktoré sa dá používať v dieselových motoroch ako alternatíva k dieselovému palivu vyrobenému z ropy. Biodiesel sa vyrába transesterifikáciou zo surovín, ako sú rastlinné oleje, živočíšne tuky alebo mastnoty. Najbežnejšími surovinami sú sójový, repkový alebo riasový olej. Výroba bionafty zahŕňa katalytickú reakciu s alkoholom (metanolom alebo etanolom). Ultrazvukové miešanie oleja, tuku alebo maziva s alkoholom výrazne zvyšuje rýchlosť reakcie a výťažok. Tým sa znižujú investičné a prevádzkové náklady.

• Zrýchlená transesterifikácia: Ultrazvukové ožiarenie výrazne skracuje dobu reakcie pri výrobe bionafty, pričom ju často zníži z hodín na menej ako päť minút.
• Vylepšené oddelenie: Táto technológia zlepšuje oddelenie glycerínu od bionafty, čím skracuje dobu usadzovania z niekoľkých hodín na menej ako 15 minút.
• Vyššie výnosy: Ultrazvuková úprava môže prispieť k dosiahnutiu výťažnosti bionafty presahujúcej 99 % tým, že zabezpečí dôkladné premiešanie reaktantov.

Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukových miešacích reaktoroch pre bionaftu!

Bioetanol zo škrobu a cukru

Bioetanol sa používa ako ekologická alternatíva k benzínu. Vyrába sa fermentáciou z 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 intracelulárneho materiálu zmenšuje veľkosť častíc a počas ztekucovania vystavuje enzýmom oveľa väčšiu povrchovú plochu. Tým sa zlepšuje biologická dostupnosť škrobu a cukru, čo vedie k rýchlejšej a úplnejšej fermentácii a následne k vyššej výťažnosti etanolu.
Výroba bioetanolu vo veľkej miere závisí od efektívneho rozkladu lignocelulózovej biomasy s cieľom uvoľniť fermentovateľné cukry. Ultrazvuk tento proces podporuje viacerými spôsobmi:

• Zvýšená hydrolýza: Ultrazvuková predúprava uľahčuje rozpad rastlinných častíc a zlepšuje uvoľňovanie glukózy z kukuričnej kaše v závodoch na výrobu etanolu s suchým mletím.
• Stimulovaná fermentácia: Ukázalo sa, že ultrazvuk stimuluje produkciu etanolu počas simultánnej sacharifikácie a fermentácie (SSF) materiálov, ako je napríklad zmiešaný odpadový kancelársky papier.
• Účinnosť extrakcie: Vysokovýkonný ultrazvuk je účinný pri extrakcii aktívnych zložiek, ako sú xylán a heteroxylán, z kukuričných klasov a šupiek, ako aj pri zefektívnení extrakcie oleja zo sójových bôbov, čo prispieva k rozvoju širších výrobných reťazcov založených na biomasách.

Kliknite sem a prečítajte si viac o rozpad buniek a Extrakcia!

Bioplyn z odpadu a kalu

Komunálny organický odpad, splaškové kaly, bahno a hnoj slúžia ako zdroj bioplynu. Spracovanie takéhoto materiálu v aeróbnych alebo anaeróbnych digestoroch premieňa organický materiál na bioplyn. Nadzvukový rozpad organického materiálu Pred trávením mení štruktúru materiálu a uvoľňuje a aktivuje enzýmy. To zlepšuje rozklad organického materiálu, čo vedie k rýchlejšiemu spracovaniu, väčšiemu množstvu plynu a menšiemu množstvu zvyškového kalu. To zase zvyšuje kapacitu existujúcich digestorov a znižuje náklady na likvidáciu.

Pri anaeróbnej digescii sa ultrazvuková predúprava používa na rozloženie biomasy (napríklad odpadového aktívneho kalu), aby sa organická hmota stala pre baktérie ľahšie dostupnou.

• Zvýšený výťažok bioplynu: Ukázalo sa, že sonikácia účinne zvyšuje celkovú produkciu bioplynu. Štúdie uvádzajú nárast produkcie bioplynu v rozmedzí od 26 % do 36 % v porovnaní s neupraveným kalom.
• Vylepšené znižovanie obsahu tuhých látok: Ultrazvuková úprava zvyšuje mieru rozkladu prchavých tuhých látok (VS). Miera rozkladu VS sa napríklad môže zvýšiť z 30 % na 35 % alebo aj viac (až na 39 %), v závislosti od obsahu organických látok a dodanej energie.
• Integrácia odpadových vôd: Biologické kaly z čistiarní komunálnych a priemyselných odpadových vôd, ako aj kaly pochádzajúce priamo z bioplynových staníc, je možné efektívne spracovávať pomocou ultrazvukových reaktorov s cieľom optimalizovať proces stabilizácie a zhodnocovania energie.

Kliknite sem a prečítajte si viac o Ultrazvuková dezintegrácia kalu!

Ultrazvuková dezintegrácia živočíšneho hnoja pred anaeróbnou fermentáciou zlepšuje výťažnosť bioplynu.

Ultrazvuková energetická bilancia

Vyššie uvedené procesy nevyžadujú veľké množstvo ultrazvukovej energie. Vo všeobecnosti prebytočná energia vznikajúca v dôsledku sonikácie kompenzuje energiu spotrebovanú na generovanie ultrazvuku. Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher majú celkovú účinnosť viac ako 85 %. To znamená, že viac ako 85 % elektrickej energie sa premieňa a dodáva do kvapaliny vo forme mechanickej energie. Skutočnú energetickú náročnosť procesu je možné určiť v malom meradle pomocou 1 kW ultrazvukového procesora v laboratórnom meradle. Všetky výsledky z takýchto laboratórnych pokusov je možné ľahko zväčšiť. Spoločnosť Hielscher dodáva priemyselné zariadenia na ultrazvukové spracovanie po celom svete. S priemyselnými ultrazvukovými homogenizátormi s výkonom až 16 kW na jeden sonikátor neexistujú žiadne obmedzenia, pokiaľ ide o veľkosť zariadenia alebo spracovaciu kapacitu.