Proizvodnja biodizla z vrhunsko procesno in stroškovno učinkovitostjo

Ultrazvočno mešanje je vrhunska tehnologija za zelo učinkovito in stroškovno ugodno proizvodnjo biodizla. Ultrazvočna kavitacija močno izboljša prenos snovi ter s tem zmanjša proizvodne stroške in skrajša čas obdelave. Hkrati omogoča uporabo manj kakovostnih olj in maščob (npr. odpadnih olj) ter izboljša kakovost biodizla. Hielscher Ultrasonics dobavlja visokozmogljive, robustne ultrazvočne mešalne reaktorje za vse obsege proizvodnje. Preberite več o tem, kako bo sonikacija koristila vaši proizvodnji biodizla!

Prednosti uporabe ultrazvoka pri proizvodnji biodizla

Biodizel (metilni ester maščobnih kislin, okrajšano FAME) je produkt reakcije transesterifikacije lipidne surovine (trigliceridov, npr. rastlinskega olja, uporabljenih jedilnih olj, živalskih maščob, olja iz alg) in alkohola (metanola, etanola) ob uporabi katalizatorja (npr. kalijevega hidroksida KOH).
Težava: Pri običajni pretvorbi v biodizel z običajnim mešanjem nemešljivost obeh reaktantov reakcije transesterifikacije, olja in alkohola, povzroča nizko hitrost prenosa snovi, zaradi česar je proizvodnja biodizla neučinkovita. Za to neučinkovitost so značilni dolgi reakcijski časi, višja molska razmerja metanola in olja, velike potrebe po katalizatorju, visoke procesne temperature in visoke hitrosti mešanja. Ti dejavniki znatno povečujejo stroške, zato je običajna proizvodnja biodizla drag proces.
Rešitev: Ultrazvočno mešanje emulgira reaktante zelo učinkovito, hitro in z nizkimi stroški, zato je mogoče izboljšati razmerje olja in metanola, zmanjšati potrebe po katalizatorju, skrajšati reakcijski čas in znižati reakcijsko temperaturo. S tem prihranimo vire (tj. kemikalije in energijo) ter čas, zmanjšamo stroške obdelave, hkrati pa znatno izboljšamo kakovost biodizla in donosnost proizvodnje. Zaradi teh dejstev je ultrazvočno mešanje prednostna tehnologija za učinkovito proizvodnjo biodizla.
Raziskave in industrijski proizvajalci biodizla potrjujejo, da je ultrazvočno mešanje zelo stroškovno učinkovit način proizvodnje biodizla, tudi kadar se kot surovina uporabljajo manj kakovostna olja in maščobe. Ultrazvočna intenzifikacija procesa bistveno izboljša stopnjo pretvorbe in zmanjša uporabo presežnega metanola in katalizatorja, kar omogoča proizvodnjo biodizla, ki izpolnjuje zahteve glede kakovosti po specifikacijah ASTM D6751 in EN 14212. (prim. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikacija trigliceridov v biodizel (FAME) s sonikacijo pospeši reakcijo in zagotavlja znatno večjo učinkovitost.

Številne prednosti ultrazvočnega mešanja pri proizvodnji biodizla

Ultrazvočne mešalne reaktorje je mogoče preprosto vključiti v vsak nov sistem ali naknadno vgraditi v obstoječe obrate za proizvodnjo biodizla. Vključitev ultrazvočnega mešalnika Hielscher spremeni vsak obrat za biodizel v visokozmogljiv proizvodni obrat. Preprosta namestitev, robustnost in uporabniku prijazno upravljanje (za delovanje ni potrebno posebno usposabljanje) omogočajo nadgradnjo vsakega obrata v zelo učinkovit obrat za proizvodnjo biodizla. V nadaljevanju predstavljamo znanstveno dokazane rezultate o prednostih, ki so jih dokumentirale neodvisne tretje osebe. Številke dokazujejo premoč ultrazvočnega mešanja pri proizvodnji biodizla nad vsemi običajnimi tehnikami mešanja.

Diagram poteka prikazuje korake proizvodnje biodizla, vključno z ultrazvočnim mešanjem za izboljšano procesno učinkovitost.

Primerjava učinkovitosti in stroškov: ultrazvok in mehansko mešanje

Gholami et al. (2021) v primerjalni študiji predstavljajo prednosti ultrazvočne transesterifikacije pred mehanskim mešanjem (tj. mešalnikom z lopaticami, mešalnikom z rotorjem in mešalnikom z visokim strigom).

Nizki investicijski stroški:
Ultrazvočni procesor in reaktor UIP16000 lahko proizvede 192–384 t biodizla/d, pri čemer zavzema tlorisno površino le 1,2m x 0,6m. Za primerjavo je pri mehanskem mešanju (MS) potreben veliko večji reaktor zaradi dolgega reakcijskega časa v procesu mehanskega mešanja, kar znatno poveča stroške reaktorja. (prim. Gholami et al., 2020)
Nizki stroški obdelave:
Stroški obdelave pri ultrazvočni proizvodnji biodizla so za 7,7% nižji kot pri procesu mešanja, predvsem zaradi nižje skupne investicije v proces sonikacije. Stroški kemikalij (katalizatorja, metanola/alkohola) so tretji največji stroškovni dejavnik pri obeh procesih, sonikaciji in mehanskem mešanju. Vendar so pri ultrazvočni pretvorbi v biodizel stroški kemikalij znatno nižji kot pri mehanskem mešanju. Delež stroškov kemikalij znaša približno 5% končnih stroškov biodizla. Zaradi manjše porabe metanola, natrijevega hidroksida in fosforjeve kisline so stroški kemikalij pri ultrazvočnem procesu proizvodnje biodizla za 2,2% nižji kot pri procesu mehanskega mešanja.

Zmanjšani stroški energije:
Poraba energije ultrazvočnega mešalnega reaktorja je približno trikrat manjša od porabe mehanskega mešala. To znatno zmanjšanje porabe energije je posledica intenzivnega mikromešanja in krajšega reakcijskega časa, ki izhajata iz nastajanja in implozije neštetih votlin, značilnih za pojav akustične / ultrazvočne kavitacije (Gholami et al., 2018). Poleg tega se v primerjavi z običajnim mešalom pri ultrazvočnem mešanju poraba energije v fazi rekuperacije metanola zmanjša za 26,5%, v fazi čiščenja biodizla pa za 1,3%. To zmanjšanje je posledica manjših količin metanola, ki pri ultrazvočni transesterifikaciji vstopajo v ti dve destilacijski koloni.

Močno zmanjšani stroški odstranjevanja odpadkov:
Tehnologija ultrazvočne kavitacije tudi občutno zmanjša stroške odstranjevanja odpadkov. Pri procesu sonikacije ti stroški znašajo približno petino stroškov pri procesu mešanja, kar je posledica znatnega zmanjšanja nastajanja odpadkov zaradi višje stopnje pretvorbe v reaktorju in manjše porabe alkohola.
Preberite več o ultrazvočni pretvorbi olj iz uporabljene kavne usedline v biodizel!

Večja prijaznost do okolja:
Zaradi zelo visoke skupne učinkovitosti, zmanjšane porabe kemikalij, manjših potreb po energiji in manj odpadkov je ultrazvočna proizvodnja biodizla znatno prijaznejša do okolja kot običajni procesi proizvodnje biodizla.

Zaključek – ultrazvok izboljša učinkovitost proizvodnje biodizla

Znanstvena ocena kaže jasne prednosti ultrazvočnega mešanja pred običajnim mehanskim mešanjem pri proizvodnji biodizla. Prednosti ultrazvočne obdelave pri proizvodnji biodizla zajemajo skupno kapitalsko investicijo, skupne stroške proizvoda, neto sedanjo vrednost in interno stopnjo donosnosti. Ugotovljeno je bilo, da je skupna investicija v proces ultrazvočne kavitacije za približno 20,8% nižja kot v drugi primerjani proces. Uporaba ultrazvočnih reaktorjev je zmanjšala stroške proizvoda za 5,2% – ob uporabi deviškega olja oljne ogrščice. Ker sonikacija omogoča tudi obdelavo uporabljenih olj (npr. uporabljenih jedilnih olj), se lahko proizvodni stroški še dodatno znatno zmanjšajo. Gholami et al. (2021) ugotavljajo, da je zaradi pozitivne neto sedanje vrednosti proces ultrazvočne kavitacije boljša izbira tehnologije mešanja za proizvodnjo biodizla.
S tehničnega vidika najpomembnejši učinki ultrazvočne kavitacije zajemajo znatno procesno učinkovitost in skrajšanje reakcijskega časa. Nastajanje in implozija številnih vakuumskih mehurčkov – znana kot akustična / ultrazvočna kavitacija – skrajšata reakcijski čas z več ur v reaktorju z mešalom na nekaj sekund v ultrazvočnem kavitacijskem reaktorju. Ta kratek zadrževalni čas omogoča proizvodnjo biodizla v pretočnem reaktorju z majhno tlorisno površino. Ultrazvočni kavitacijski reaktor ugodno vpliva tudi na potrebe po energiji in materialih, saj zmanjša porabo energije na skoraj tretjino porabe reaktorja z mešalom, porabo metanola in katalizatorja pa za 25%.
Z ekonomskega vidika je skupna investicija v proces ultrazvočne kavitacije nižja kot v proces mehanskega mešanja, predvsem zaradi zmanjšanja stroškov reaktorja za skoraj 50% in stroškov destilacijske kolone za metanol za 11,6%. Proces ultrazvočne kavitacije zmanjša tudi stroške proizvodnje biodizla zaradi zmanjšanja porabe olja oljne ogrščice za 4%, nižje skupne investicije, za 2,2% manjše porabe kemikalij in za 23,8% manjših potreb po pomožnih obratovalnih medijih in energiji. V nasprotju s procesom mehanskega mešanja je ultrazvočna obdelava sprejemljiva investicija zaradi pozitivne neto sedanje vrednosti, krajše dobe vračila investicije in višje interne stopnje donosnosti. Poleg tehnično-ekonomskih prednosti, povezanih s procesom ultrazvočne kavitacije, je ta proces prijaznejši do okolja kot proces mehanskega mešanja. Ultrazvočna kavitacija povzroči zmanjšanje tokov odpadkov za 80% zaradi višje stopnje pretvorbe v reaktorju in manjše porabe alkohola v tem procesu. (prim. Gholami et al., 2021)

Spremenite manj kakovostne surovine v brezhiben biodizel!

Sonikacija omogoča učinkovitejšo obdelavo manj kakovostnih surovin, kot so odpadna rastlinska olja, uporabljene maščobe za cvrtje, loj ali ribja olja, saj ultrazvočna kavitacija zagotavlja veliko boljši stik med nemešljivima oljno in alkoholno fazo ter močno izboljša mešanje in prenos toplote in snovi. Pospeši tudi reakcijsko kinetiko, zato je mogoče celo zahtevne surovine s spremenljivimi lastnostmi pretvoriti hitreje in popolneje.
Akustična kavitacija intenzivira reakcijsko okolje in lahko spodbuja nastajanje zelo reaktivnih radikalov, kar dodatno podpira hitro transesterifikacijo in pomaga premagovati običajne slabosti pri obdelavi manj kakovostnih surovin.
Preberite, kako sonikacija spremeni odpadna olja in maščobe v biodizel!

Uporabite katalizator po svoji izbiri

Ultrazvočni proces transesterifikacije pri proizvodnji biodizla se je izkazal za učinkovitega pri uporabi tako alkalnih kot bazičnih katalizatorjev. Shinde in Kaliaguine (2019) sta na primer primerjala učinkovitost ultrazvočnega in mehanskega mešanja z lopaticami ob uporabi različnih katalizatorjev, in sicer natrijevega hidroksida (NaOH), kalijevega hidroksida (KOH), (CH₃ONa), tetrametilamonijevega hidroksida in štirih gvanidinov (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine(TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Ultrazvočno mešanje (pri 35º) se je pri proizvodnji biodizla izkazalo za boljše od mehanskega mešanja (pri 65º), saj zagotavlja večje izkoristke in višjo stopnjo pretvorbe. Učinkovitost prenosa snovi v ultrazvočnem polju je povečala hitrost reakcije transesterifikacije v primerjavi z mehanskim mešanjem. Sonikacija je presegla mehansko mešanje pri vseh preskušenih katalizatorjih. Izvajanje reakcije transesterifikacije z ultrazvočno kavitacijo je energijsko učinkovita in industrijsko izvedljiva alternativa za proizvodnjo biodizla. Poleg široko uporabljanih katalizatorjev KOH in NaOH sta se oba gvanidinska katalizatorja, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) in 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), izkazala za zanimivi alternativi za pretvorbo v biodizel.
Mootabadi et al. (2010) so raziskovali sintezo biodizla iz palmovega olja s pomočjo ultrazvoka ob uporabi različnih katalizatorjev iz oksidov alkalijskih kovin, kot so CaO, BaO in SrO. Aktivnost katalizatorja pri sintezi biodizla s pomočjo ultrazvoka so primerjali s tradicionalnim procesom magnetnega mešanja in ugotovili, da je ultrazvočni proces z uporabo BaO dosegel izkoristek 95,2% v reakcijskem času 60 min, za kar je pri običajnem procesu mešanja sicer potrebnih 3–4 h. Pri transesterifikaciji s pomočjo ultrazvoka v optimalnih pogojih je bilo za doseganje izkoristka 95% potrebnih 60 min, v primerjavi z 2–4 h pri običajnem mešanju. Prav tako so se izkoristki, doseženi z ultrazvokom v 60 min, povečali s 5,5% na 77,3% ob uporabi CaO kot katalizatorja, z 48,2% na 95,2% ob uporabi SrO kot katalizatorja in s 67,3% na 95,2 ob uporabi BaO kot katalizatorja.

Proizvodnja biodizla z uporabo različnih gvanidinov (3% mol) kot katalizatorjev. (A) Šaržni reaktor z mehanskim mešanjem: (metanol:olje oljne ogrščice) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvočni šaržni reaktor: ultrazvočni procesor UP200St, (metanol:olje oljne ogrščice) 4:1, ultrazvočna amplituda 60%, temperatura 35ºC. Mešanje z ultrazvokom daleč presega mehansko mešanje.
(Študija in grafi: Shinde in Kaliaguine, 2019)

Visokozmogljivi ultrazvočni reaktorji za vrhunsko obdelavo pri proizvodnji biodizla

Hielscher Ultrasonics ponuja visokozmogljive ultrazvočne procesorje in reaktorje za izboljšano proizvodnjo biodizla, ki zagotavljajo večje izkoristke, izboljšano kakovost, krajši čas obdelave in nižje proizvodne stroške.

Reaktorji za proizvodnjo biodizla v majhnem in srednjem obsegu

Za proizvodnjo biodizla v majhnem in srednjem obsegu do 9ton/hr (2900 gal/hr) vam Hielscher ponuja UIP500hdT (500 vatov), UIP1000hdT (1000 vatov), UIP1500hdT (1500 vatov) in UIP2000hdT (2000 vatov) – modele ultrazvočnih mešalnikov z visokim strigom. Ti štirje ultrazvočni reaktorji so zelo kompaktni in jih je preprosto vključiti v sistem ali naknadno vgraditi. Izdelani so za zahtevno delovanje v težkih okoljih. Spodaj so priporočene postavitve reaktorjev za različne proizvodne zmogljivosti.

Industrijski reaktorji za biodizel z zelo veliko proizvodno zmogljivostjo

Za industrijske obrate za proizvodnjo biodizla Hielscher ponuja UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) in UIP16000hdT (16kW) – ultrazvočne homogenizatorje! Ti ultrazvočni procesorji so zasnovani za neprekinjeno obdelavo pri velikih pretokih. UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP10000 je mogoče vgraditi v standardne pomorske tovorne zabojnike. Vsi štirje modeli procesorjev so na voljo tudi v omarah iz nerjavnega jekla. Pokončna namestitev zahteva minimalen prostor. Spodaj so priporočene postavitve za tipične industrijske zmogljivosti obdelave.