Bionaftë nëpërmjet Esterifikimit (Trans-) të Përmirësuar Ultrasonikisht

Bionaftë sintetizohet nëpërmjet transesterifikimit duke përdorur një katalizator bazë. Megjithatë, nëse përdoret lënda e parë, si p.sh. mbeturinat e perimeve me cilësi të ulët me një përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira, kërkohet një hap paratrajtimi kimik i esterifikimit duke përdorur një katalizator acid. Ultratingulli dhe efektet e tij sonokimike dhe sonomekanike kontribuojnë në të dy llojet e reagimit dhe rrisin efikasitetin e konvertimit të bionaftës në mënyrë dramatike. Prodhimi tejzanor i bionaftës është dukshëm më i shpejtë se sinteza konvencionale e bionaftës, rezulton në rendiment dhe cilësi më të lartë të bionaftës dhe kursen reagjentë të tillë si metanoli dhe katalizatori.

Konvertimi i bionaftës duke përdorur ultratinguj të energjisë

Për bionaftë, esteret e acideve yndyrore prodhohen nga transesterifikimi i vajrave bimore si dhe i yndyrave shtazore (p.sh., dhjami). Gjatë reaksionit të transesterifikimit, përbërësi i glicerinës zëvendësohet nga një alkool tjetër, siç është metanoli. Lëndët e para me një përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira, p.sh. mbeturinat e vajrave bimore (WVO), kërkojnë një para-trajtim të esterifikimit acid për të shmangur formimin e sapunit. Ky proces i katalizimit acid është një reagim shumë i ngadaltë, kur kryhet si metodë konvencionale e grupit. Zgjidhja për përshpejtimin e procesit të esterifikimit të ngadaltë është aplikimi i ultrazërit të fuqisë. Sonication arrin një përmirësim të ndjeshëm në shpejtësinë e reagimit, konvertimin dhe rendimentin e bionaftës pasi efektet sonokimike të ultrazërit me fuqi të lartë nxisin dhe intensifikojnë katalizën e acidit. Kavitacioni tejzanor siguron forca sonomekanike, p.sh. përzierje me prerje të lartë, si dhe energji sonokimike. Këto të dyja llojet e ndikimit tejzanor (sonomekanik dhe sonokimik) e kthejnë esterifikimin e katalizuar me acid në një reagim të shpejtë që kërkon më pak katalizator.

Si funksionon konvertimi tejzanor i bionaftë?

Ultratingulli midis fazave të ndryshme në transesterifikimin (gjithashtu i quajtur ndonjëherë alkoolizë) dhe esterifikimit bazohet në rritjen e përzierjes, si dhe në një rritje të transferimit të nxehtësisë dhe masës. Përzierja tejzanor bazohet në parimin e kavitacionit akustik, i cili ndodh si rezultat i shpërthimit të flluskave të vakumit në lëng. Kavitacioni akustik karakterizohet nga forca dhe turbulenca me prerje të lartë, si dhe diferenca të presionit dhe temperaturës shumë të lartë. Këto forca nxisin reaksionin kimik të transesterifikimit? esterifikimit dhe intensifikojnë transferimin e masës dhe nxehtësisë, duke përmirësuar ndjeshëm reagimin e konvertimit të bionaftë.

Transesterifikimi i triglicerideve në bionaftë (FAME) duke përdorur sonikimin rezulton në reagim të përshpejtuar dhe efikasitet dukshëm më të lartë.

Aplikimi i ultrazërit gjatë konvertimit të bionaftës është provuar shkencërisht dhe industrialisht se përmirëson efikasitetin e procesit. Përmirësimi në efikasitetin e procesit mund t'i atribuohet uljes së konsumit të energjisë dhe kostove të funksionimit, si dhe përdorimit të reduktuar të alkoolit (d.m.th., metanolit), më pak katalizator dhe shkurtimit të ndjeshëm të kohës së reagimit. Kostoja e energjisë për ngrohje është eliminuar pasi nuk ka kërkesë për ngrohje të jashtme. Për më tepër, ndarja e fazës midis bionaftës dhe glicerinës është më e thjeshtë me një kohë më të shkurtër të ndarjes së fazës. Një faktor i rëndësishëm për përdorimin komercial të ultrazërit në prodhimin e bionaftë është shkalla e thjeshtë deri në çdo vëllim, funksionimi i besueshëm dhe i sigurt, si dhe qëndrueshmëria dhe besueshmëria e pajisjeve tejzanor (standardi industrial, i aftë për të punuar vazhdimisht 24/7/ 365 nën ngarkesë të plotë).

Sistem industrial tejzanor me qelizë rrjedhëse për esterfikim dhe transesterifikimin inline të bionaftës.

Konvertimi i bionaftës me dy hapa të asistuar me ultratinguj duke aplikuar hapa të reagimit të katalizuar me acid dhe bazë

Për lëndët e para me përmbajtje të lartë FFA, prodhimi i bionaftë kryhet si reaksion i katalizuar nga acidi ose baza në një proces me dy faza. Ultratingulli kontribuon në dy lloje reaksionesh, esterifikimin e katalizuar me acid si dhe transesterifikimin e katalizuar me bazë:

Esterifikimi i katalizuar me acid duke përdorur ultratinguj

Për të trajtuar një tepricë të acideve yndyrore të lira në lëndën e parë, nevojitet procesi i esterifikimit. Acidi sulfurik përdoret zakonisht si katalizator acid.

• Përgatitni lëndën e parë duke filtruar dhe rafinuar nga ndotësit dhe uji.
• Shpërndani katalizatorin, përkatësisht acidin sulfurik, në metanol. Rryma e ushqimit të katalizatorit/metanolit dhe lëndës së parë përmes një shkëmbyesi nxehtësie dhe një përzierësi statik për të marrë një parapërzierje të papërpunuar.
• Përzierja paraprake e katalizatorit dhe lëndës së parë shkon drejtpërdrejt në dhomën e reaksionit tejzanor, ku përzierja ultra e imët dhe sonokimia hyjnë në fuqi dhe acidet yndyrore të lira konvertohen në bionaftë.
• Së fundi, hiqni produktin dhe ushqeni atë në fazën e dytë - transesterifikimin me ultratinguj. Metanoli i lagësht acidik është gati për ripërdorim pas rikuperimit, tharjes dhe neutralizimit.
• Për lëndë ushqyese me përmbajtje shumë të lartë FFA, mund të kërkohet një konfigurim riqarkullimi për të ulur FFA në një nivel të arsyeshëm përpara hapit të transesterifikimit.

Reagimi i esterifikimit duke përdorur një katalizator acid:
FFA + Alkool → Ester + Ujë

Transesterifikimi i katalizuar me bazë duke përdorur ultratinguj

Lënda e parë, e cila tani ka vetëm sasi të vogla FFA, mund të futet drejtpërdrejt në fazën e transesterifikimit. Më së shpeshti hidroksidi i natriumit ose hidroksidi i kaliumit (NaOH, KOH) përdoret si katalizator bazë.

• Shpërndani katalizatorin, përkatësisht hidroksidin e kaliumit, në metanol dhe ushqeni rrjedhat e katalizatorit/metanolit dhe lëndës së parë të paratrajtuar përmes një përzierësi statik për të marrë një parapërzierje të papërpunuar.
• Fusni parapërzierjen direkt në dhomën e reaksionit tejzanor për përzierjen me prerje të lartë kavitacionale dhe trajtimin sonokimik. Produktet e këtij reaksioni janë esteret alkil (dmth., bionaftë) dhe glicerina. Glicerina mund të ndahet duke u qetësuar ose me centrifugim.
• Bionaftë e prodhuar në mënyrë ultrasonike është e cilësisë së lartë dhe prodhohet shpejt, me efikasitet energjetik dhe me kosto efektive duke kursyer metanol dhe katalizator.

Reagimi i transesterifikimit duke përdorur një katalizator bazë:
Vaj? Yndyrë + Alkool → Bionaftë + Glicerinë

Përdorimi i metanolit & Rikuperimi i metanolit

Methanol is a key component during biodiesel production. The ultrasonically driven biodiesel conversion allows for a significantly reduced use of methanol. If you are now thinking “I don’t care about my methanol use, since I recover it anyway”, you might re-think and consider the exorbitant high energy cost that apply for the evaporation step (e.g. using a distillation column), which is necessary to separate and recycle the methanol.
Metanoli zakonisht hiqet pasi bionaftë dhe glicerina janë ndarë në dy shtresa, duke parandaluar ndryshimin e reagimit. Më pas, metanoli pastrohet dhe riciklohet në fillim të procesit. Duke prodhuar bionaftë nëpërmjet esterifikimit dhe transesterifikimit të drejtuar nga ultratingulli, ju jeni në gjendje të reduktoni në mënyrë dramatike përdorimin tuaj të metanolit, duke reduktuar kështu shpenzimin e tepruar të lartë të energjisë për rikuperimin e metanolit. Përdorimi i reaktorëve tejzanor Hielscher redukton sasinë e kërkuar të tepërt të metanolit deri në 50%. Një raport molar midis 1:4 ose 1:4.5 (vaj: metanol) është i mjaftueshëm për shumicën e lëndëve ushqyese, kur përdorni përzierjen tejzanor të Hielscher.

Tejzanor Rritja e Efikasitetit të Konvertimit të Bionaftës – vërtetuar shkencërisht

Një grup i shumtë studiuesish kanë hetuar mekanizmin dhe efektet e transesterifikimit tejzanor të bionaftë. Për shembull, ekipi hulumtues i Sebayan Darwin demonstroi se kavitacioni tejzanor rriti aktivitetin kimik dhe shkallën e reagimit duke rezultuar në një rritje të konsiderueshme të formimit të esterit. Teknika tejzanor reduktoi kohën e reagimit të transesterifikimit në 5 minuta – në krahasim me 2 orë për përpunimin me nxitje mekanike. Konvertimi i triglicerideve (TG) në FAME nën ultratinguj përftoi 95,6929% wt me një raport molar metanol ndaj vajit prej 6:1 dhe 1% wt hidroksid natriumi si katalizator. (krh. Darwin et al. 2010)

Ultrasonikë me madhësi të mesme dhe të madhe për përpunimin e bionaftës

Hielscher Ultrasonics’ furnizon përpunues industrial tejzanor të përmasave të vogla dhe të mesme, si dhe në shkallë të gjerë për prodhimin efikas të bionaftës në çdo vëllim. Duke ofruar sistem tejzanor në çdo shkallë, Hielscher mund të ofrojë zgjidhjen ideale si për prodhuesit e vegjël ashtu edhe për kompanitë e mëdha. Konvertimi tejzanor i bionaftë mund të operohet si grumbull ose si proces i vazhdueshëm në linjë. Instalimi dhe funksionimi është i thjeshtë, i sigurt dhe jep rezultate të larta të besueshme të cilësisë superiore të bionaftës.
Më poshtë do të gjeni konfigurimet e rekomanduara të reaktorit për një sërë nivelesh prodhimi.