Биодизел путем ултразвучно побољшане (транс-)естерификације

Биодизел се синтетише трансестерификацијом користећи базни катализатор. Међутим, ако се користи сировина као што је отпадно поврће ниског квалитета са високим садржајем слободних масних киселина, потребан је корак хемијског претходног третмана естерификације коришћењем киселинског катализатора. Ултразвук и његови сонохемијски и сономеханички ефекти доприносе оба типа реакција и драматично повећавају ефикасност конверзије биодизела. Производња ултразвучног биодизела је знатно бржа од конвенционалне синтезе биодизела, резултира већим приносом и квалитетом биодизела и штеди реагенсе као што су метанол и катализатор.

Конверзија биодизела помоћу ултразвука

За биодизел, естри масних киселина се производе трансестерификацијом биљних уља, као и животињских масти (нпр. лој). Током реакције трансестерификације, компонента глицерола се замењује другим алкохолом, као што је метанол. Сировине са високим садржајем слободних масних киселина, нпр. отпадна биљна уља (ВВО), захтевају претходну обраду киселинске естерификације како би се избегло стварање сапуна. Овај процес киселинске катализе је веома спора реакција, када се изводи као конвенционална шаржна метода. Решење за убрзање спорог процеса естерификације је примена ултразвука снаге. Соникација постиже значајно побољшање брзине реакције, конверзије и приноса биодизела јер сонохемијски ефекти ултразвука велике снаге промовишу и интензивирају киселинску катализу. Ултразвучна кавитација обезбеђује сономеханичке силе, односно мешање високог смицања, као и сонохемијску енергију. Ове обе врсте ултразвучног удара (сономеханички и сонохемијски) претварају естерификацију катализовану киселином у брзу реакцију која захтева мање катализатора.

Како функционише ултразвучна конверзија биодизела?

Ултразвучна обрада између различитих фаза у трансестерификацији (која се понекад назива и алкохолиза) и естерификација заснива се на побољшању мешања, као и на повећаном преносу топлоте и масе. Ултразвучно мешање се заснива на принципу акустичне кавитације, која настаје као резултат имплодирања вакуумских мехурића у течности. Акустичну кавитацију карактеришу велике силе смицања и турбуленције, као и веома високе разлике притиска и температуре. Ове силе подстичу хемијску реакцију трансестерификације / естерификације и интензивирају пренос масе и топлоте, чиме се значајно побољшава реакција конверзије биодизела.

Трансестерификација триглицерида у биодизел (ФАМЕ) коришћењем соникације резултира убрзаном реакцијом и значајно већом ефикасношћу.

Примена ултразвука током конверзије биодизела је научно и индустријски доказано да побољшава ефикасност процеса. Побољшање ефикасности процеса може се приписати смањеној потрошњи енергије и оперативним трошковима, као и смањеној употреби алкохола (тј. метанола), мање катализатора и значајно скраћеном времену реакције. Трошкови енергије за грејање су елиминисани јер нема потребе за спољним грејањем. Поред тога, одвајање фаза између биодизела и глицерола је једноставније са краћим временом раздвајања фаза. Важан фактор за комерцијалну употребу ултразвука у производњи биодизела је једноставно повећање до било које запремине, поуздан и безбедан рад, као и робусност и поузданост ултразвучне опреме (индустријски стандард, способан да ради непрекидно 24/7/ 365 под пуним оптерећењем).

Ултразвучни индустријски систем са проточном ћелијом за инлине естерфикацију и трансестерификацију биодизела.

Ултразвучно потпомогнута конверзија биодизела у два корака применом корака реакције катализоване киселином и базом

За сировине са високим садржајем ФФА, производња биодизела се одвија као реакција катализована киселином или базом у двостепеном процесу. Ултразвук доприноси двема оба типа реакција, естерификацији катализованој киселином као и трансестерификацији катализованој базом:

Естерификација катализована киселином уз помоћ ултразвука

За третирање вишка слободних масних киселина у сировини, потребан је процес естерификације. Сумпорна киселина се обично користи као кисели катализатор.

• Припремите сировину филтрирањем и рафинисањем од загађивача и воде.
• Растворити катализатор, односно сумпорну киселину, у метанолу. Убаците струју катализатора/метанола и сировине кроз измењивач топлоте и статички миксер да би се добила сирова предмешавина.
• Претходно мешање катализатора и сировине иде директно у ултразвучну реакциону комору, где ултра-фино мешање и сонохемија ступају на снагу и слободне масне киселине се претварају у биодизел.
• На крају, испразните производ и доведите га у другу фазу – ултразвучну трансестерификацију. Кисели влажни метанол је након опоравка, сушења и неутрализације спреман за поновну употребу.
• За сировине са веома високим садржајем ФФА, можда ће бити потребно подешавање рециркулације да би се ФФА спустио на разуман ниво пре корака трансестерификације.

Реакција естерификације помоћу киселог катализатора:
ФФА + Алкохол → Естар + Вода

Трансестерификација базном катализом коришћењем ултразвука

Сировина, која сада има само мале количине ФФА, може се директно унети у фазу трансестерификације. Најчешће се као базни катализатор користи натријум хидроксид или калијум хидроксид (НаОХ, КОХ).

• Растворити катализатор, односно калијум хидроксид, у метанолу и убацити токове катализатора/метанола и претходно обрађене сировине кроз статички миксер да би се добила сирова предмешавина.
• Убаците пре-микс директно у ултразвучну реакциону комору за кавитационо мешање са високим смицањем и сонохемијски третман. Производи ове реакције су алкил естри (тј. биодизел) и глицерин. Глицерин се може одвојити таложењем или центрифугирањем.
• Ултразвучно произведен биодизел је високог квалитета и произведен је брзо, енергетски ефикасно и економично штедећи метанол и катализатор.

Реакција трансестерификације помоћу базног катализатора:
Уље / маст + алкохол → биодизел + глицерол

Употреба метанола & Опоравак метанола

Метанол је кључна компонента током производње биодизела. Ултразвучна конверзија биодизела омогућава значајно смањену употребу метанола. Ако сада размишљате „Није ме брига за моју употребу метанола, пошто га ионако опорављам“, можете поново размислити и узети у обзир претерано висок трошак енергије који важи за корак испаравања (нпр. коришћење колоне за дестилацију), који неопходно је одвојити и рециклирати метанол.
Метанол се обично уклања након што се биодизел и глицерин раздвоје у два слоја, спречавајући преокрет реакције. Метанол се затим чисти и рециклира назад на почетак процеса. Производњом биодизела путем ултразвучне естерификације и трансестерификације, у могућности сте да драматично смањите употребу метанола, чиме се смањује претерано висока потрошња енергије за опоравак метанола. Употреба Хиелсцхер ултразвучних реактора смањује потребну количину вишка метанола до 50%. Моларни однос између 1:4 или 1:4,5 (уље : метанол) је довољан за већину сировина, када се користи Хиелсцхер ултразвучно мешање.

Ултразвучна повећана ефикасност конверзије биодизела – научно доказано

Бројне истраживачке групе су истраживале механизам и ефекте ултразвучне трансестерификације биодизела. На пример, истраживачки тим Себајана Дарвина показао је да ултразвучна кавитација повећава хемијску активност и брзину реакције што доводи до значајно повећане формације естара. Ултразвучна техника је смањила време реакције трансестерификације на 5 минута – у поређењу са 2 сата за механичку обраду мешањем. Конверзија триглицерида (ТГ) у ФАМЕ уз ултразвучну обраду добија 95,6929% теж. са моларним односом метанола и уља од 6:1 и 1% теж. натријум хидроксида као катализатора. (уп. Дарвин ет ал. 2010)

Ултрасоникатори средње величине и велике величине за обраду биодизела

Hielscher Ultrasonics’ испоручује мале до средње величине као и велике индустријске ултразвучне процесоре за ефикасну производњу биодизела у било којој количини. Нудећи ултразвучни систем у било којој скали, Хиелсцхер може понудити идеално решење за мале произвођаче и велике компаније. Ултразвучна конверзија биодизела може се радити као серија или као континуирани инлине процес. Инсталација и рад су једноставни, безбедни и дају поуздано високе резултате врхунског квалитета биодизела.
Испод ћете пронаћи препоручене поставке реактора за низ производних стопа.