Biodiesel prek ultrazvočno izboljšane (trans)esterifikacije

Biodiesel se sintetizirajo preko transesterifikacije s pomočjo baznega katalizanta. Če pa se uporablja surovina, kot je odstranjena zelenjava nizkega razreda z visoko vsebnostjo proste maščobne kisline, je potreben kemični korak pred obdelavo esterifikacije s kislinsko katalizacijo. Ultrasonication in njeni sonokemični in sonomehanski učinki prispevajo k obema vrstama reakcij in dramatično povečajo učinkovitost pretvorbe biodizla. Ultrazvočna proizvodnja biodizla je bistveno hitrejša od običajne sinteze biodizla, rezultat je višji donos biodizla in kakovost ter prihrani reagente, kot sta metanol in katalizant.

Pretvorba biodizla z ultrazvoko moči

Za biodiesel se maščobni estri kislin proizvajajo s transesterifikacijo rastlinskih olj in živalskih maščob (npr. Med reakcijo transesterifikacije se sestavina glicerola nadomesti z drugim alkoholom, kot je metanol. Surovine z visoko vsebnostjo prostih maščobnih kislin, npr. Ta proces katalizacije kisline je zelo počasna reakcija, ko se izvaja kot običajna metoda serije. Rešitev za pospešitev počasnega procesa esterifikacije je uporaba ultrazvoka moči. Sonication doseže pomembno izboljšanje reakcijske hitrosti, pretvorbe in donosa biodizla, saj sonokemični učinki ultrazvoka visoke moči spodbujajo in pospeščujejo katalizo kisline. Ultrazvočna kavitacija zagotavlja sonomehanske sile, torej mešanje visoko ščipnih, pa tudi sonokemično energijo. Ti dve vrsti ultrazvočnega vpliva (sonomehansko in sonokemično) spremenijo kislino katalizirano esterifikacijo v hitro reakcijo, ki zahteva manj katalizovalca.

Transesterifikacija trigliceridov v biodizl (FAME) z uporabo sonication ima za rezultat pospešeno reakcijo in bistveno večjo učinkovitost.

Kako deluje ultrazvočna pretvorba biodizla?

Ultrasonication med različnimi fazami v transesterifikaciji (tudi včasih imenujemo alkoholiza) in esterifikacija temelji na izboljšanju mešanja, kot tudi na povečanem prenosu toplote in mase. Ultrazvočno mešanje temelji na principu akustične kavitacije, ki se pojavi kot posledica imploding vakumskih mehurčkov v tekočini. Za akustično kavitacijo so značilne visoko štrleče sile in turbulence, pa tudi zelo visoki tlak in temperaturni razlikoli. Te sile spodbujajo kemično reakcijo transesterifikacije / esterifikacije in intenzivne mase in prenos toplote, s čimer znatno izboljša reakcijo pretvorbe biodizla.
Uporaba ultrazvočnosti med pretvorbo biodizla je znanstveno in industrijsko dokazano izboljšala učinkovitost procesov. Izboljšanje učinkovitosti postopka je mogoče pripisati zmanjšani porabi energije in stroškov delovanja ter zmanjšani uporabi alkohola (to je metanola), manj katalizovalca in bistveno skrajšanega časa reakcije. Stroški energije za ogrevanje se odpravijo, saj za zunanje ogrevanje ni nobene zahteve. Poleg tega je fazna ločitev med biodieselom in glicerolom enostavnejša s krajšim faznim ločitvenim časom. Pomemben dejavnik za komercialno uporabo ultrazvoka v proizvodnji biodizla je preprosto povečanje količine, zanesljivo in varno delovanje ter robustnost in zanesljivost ultrazvočne opreme (industrijski standard, ki lahko neprekinjeno deluje 24/7/365 pod polno obremenitvijo).

Ultrazvočni industrijski sistem s pretokom celic za inline biodiesel esterfication in transesterifikacijo.

Ultrazvočno podprta dva koraka pretvorba biodizla, ki uporablja kislino- in bazno kataliziran reakcijske korake

Za surovine z visoko vsebnostjo FFA se proizvodnja biodizla izvaja kot kislinska ali bazno kataliziran reakcija v dveh fazah. Ultrazvok prispeva dve vrsti reakcij, kislino kataliziran esterifikacijo, kot tudi bazno kataliziran transesterifikacijo:

Katalifikacija s kislino z ultrazvoka

Za zdravljenje odvečne proste maščobne kisline v krmi je treba postopek esterifikacije. Žveplova kislina se običajno uporablja kot katalizovalec kislin.

• Pripravite surovine s filtriranjem in rafiniranje iz kontaminantov in vode.
• Katalizovalec, in sicer žveplovo kislino, raztopi v metanolu. Krmni tok katalizerja/ metanola in krmne mešanice prek izmenjevalnika toplote in statične mešalne mešanice za pridobivanje surove predmeša.
• Predmešanje katalizatorja in krme gre neposredno v ultrazvočno reakcijsko komoro, kjer začnejo učinkovati ultra fino mešanje in sonokemija, proste maščobne kisline pa se pretvorijo v biodizel.
• Na koncu, dewater izdelek in ga hraniti dve drugi stopnji – ultrazvočno transesterifikacijo. Kisli namočeni metanol je po okrevanju, sušenju in nevtralizacije pripravljen za ponovno uporabo.
• Za zelo visoke FFA, ki vsebujejo surovine, je morda potrebna nastavitev recirkulacije, da se FFA zniža na razumno raven pred korakom transesterifikacije.

Reakcija esterifikacije z uporabo katalizovalca kisline:
FFA + alkohol → Ester + Voda

Transesterifikacija z ultrazvoka, kataliziran v bazi

Krmo, ki ima zdaj le majhne količine FFA, je mogoče neposredno nahraniti v fazo transesterifikacije. Najpogosteje se kot osnovni katalizat uporablja natrijev hidroksid ali kalijev hidroksid (NaOH, KOH).

• Katalizovalnik, in sicer kalijev hidroksid, raztopite v metanolu in hranite tokove katalizerja/ metanola in predhodno pridobljene surovine prek statične mešanice, da se pridobi surova predmesta.
• Predhodno mešanico napolnimo neposredno v ultrazvočno reakcijsko komoro za kavitacialno mešanje z visoko omehčanjem in sonokemično obdelavo. Produkti te reakcije so alkil eskirji (to je biodizl) in glicerin. Glicerin se lahko loči z poravnanjem ali centrifugiranjem.
• Ultrazvočno proizveden biodizel je visokokakovosten in izdelan hitro, energetsko učinkovit in stroškovno učinkovit z varčevanjem metanola in katalizanta.

Reakcija transesterifikacije z osnovnim katalizovalnikom:
Olje / Maščoba + alkohol → biodiesel + glicerol

Uporaba metanola & Izterjava metanola

Metanol je ključna sestavina med proizvodnjo biodizla. Ultrazvočno gonna pretvorba biodizla omogoča bistveno zmanjšano uporabo metanola. Če zdaj razmišljaš "Ni mi mar za mojo uporabo metanola, saj ga vseeno okrevam", bi lahko ponovno razmislili in razmislili o eksorbitan visoki energijski stroški, ki veljajo za korak izhlapevanja (npr. z uporabo destilacijski stolpec), ki je potreben za ločitev in recikliranje metanola.
Metanol se običajno odstrani po ločitvi biodizla in glicerina v dve plasti, kar preprečuje obrat reakcije. Metanol nato očistimo in reciklimo nazaj na začetek procesa. Proizvodnjo biodizla preko ultrazvočno-pogon esterifikacije in transesterifikacije, ste sposobni zmanjšati uporabo metanola dramatično, s čimer zmanjšate eksorbitantne visoke energetske izdatke za predelavo metanola. Uporaba Hielscher ultrazvočnih reaktorjev zmanjša potrebno količino presežek metanola za do 50%. Molarno razmerje med 1:4 ali 1:4,5 (olje : metanol) zadostuje za večino feedstock, pri uporabi Hielscher ultrazvočnega mešanja.

Ultrazvočno povečana učinkovitost pretvorbe biodizla – Znanstveno dokazano

Številne raziskovalne skupine so raziskovale mehanizem in učinke ultrazvočne transesterifikacije biodizla. Raziskovalna ekipa Sebayana Darwina je na primer pokazala, da je ultrazvočna kavitacija povečala kemijsko aktivnost in hitrost reakcije, kar je povzročilo znatno povečano tvorbo estra. Ultrazvočna tehnika je skrajšala čas reakcije transesterifikacije na 5 minut – 2 uri za mehansko mešanje. Pretvorba triglicerida (TG) v FAME v ultrasonikacijo je pridobila 95,6929%wt z metanolom v olje molarno razmerje 6:1 in 1%wt natrijev hidroksid kot katalizat. (prim. Darwin et al. 2010)

Ultrasonicatorji srednje velikosti in velikih razsežnosti za predelavo biodizla

Hielscher Ultrazvočna’ dobavlja majhne do srednje velikosti ter velike industrijske ultrazvočne predelovalce za učinkovito proizvodnjo biodizla v vsakem obsegu. Ponuja ultrazvočni sistem na vseh lestvicah, Hielscher lahko ponudi idealno rešitev tako za majhne proizvajalce kot velika podjetja. Ultrazvočno pretvorbo biodizla lahko deluje kot serija ali kot neprekinjeni inline proces. Montaža in delovanje sta enostavna, varna in daje zanesljivo visoke izhode vrhunske kakovosti biodizla.
Spodaj boste našli priporočene reaktorske nabore za vrsto proizvodnih stopenj.