Biodiesel via ultraljudsförbättrad (trans-)förestring
Biodiesel syntetiseras via transesterifiering med hjälp av en baskatalysator. Men om råvaran, t.ex. lågkvalitativt grönsaksavfall med hög halt av fria fettsyror, används, krävs ett kemiskt förbehandlingssteg med förestring med hjälp av en syrakatalyst. Ultraljud och dess sonokemiska och sonomekaniska effekter bidrar till både reaktionstyper och ökar effektiviteten i biodiesel omvandling dramatiskt. Ultraljud biodiesel produktion är betydligt snabbare än den konventionella biodiesel syntesen, resulterar i högre biodiesel utbyte och kvalitet och sparar reagenser som metanol och katalysator.
Biodiesel omvandling med hjälp av Power Ultrasound
För biodiesel produceras fettsyraestrar genom transesterifiering av vegetabiliska oljor och animaliska fetter (t.ex. talg). Under transesterifieringsreaktionen ersätts glycerolkomponenten med en annan alkohol, såsom metanol. Råvaror med ett högt innehåll av fria fettsyror, t.ex. vegetabiliska avfallsoljor (WVO), kräver en förbehandling av syraförestring för att undvika tvålbildning. Denna syrakatalysprocess är en mycket långsam reaktion när den utförs som konventionell satsmetod. Lösningen för att påskynda den långsamma förestringsprocessen är applicering av kraftultraljud. Ultraljudsbehandling uppnår en betydande förbättring av reaktionshastigheten, omvandlingen och biodieselutbytet eftersom de sonokemiska effekterna av ultraljud med hög effekt främja och intensifiera syrakatalysen. Ultraljudskavitation ger sonomekaniska krafter, dvs blandning med hög skjuvning, samt sonokemisk energi. Dessa båda typer av ultraljudspåverkan (sonomekanisk och sonokemisk) förvandlar den syrakatalyserade förestringen till en snabb reaktion som kräver mindre katalysator.

Ultraljudsblandning förbättrar omvandlingshastigheten för biodiesel, ökar avkastningen och sparar överskott av metanol och katalysator. Bilden visar installationen av 3x UIP1000hdT (varje 1 kW ultraljudseffekt) för inline-bearbetning.
Hur fungerar ultraljud biodiesel konvertering?
Ultraljud mellan olika faser i transesterifiering (även ibland kallad alkoholys ) och förestring bygger på förbättring av blandning samt på en ökad värme och massa överföring. Ultraljudsblandning är baserad på principen om akustisk kavitation, som uppstår som ett resultat av imploderande vakuumbubblor i vätskan. Akustisk kavitation kännetecknas av höga skjuvkrafter och turbulens, samt mycket höga tryck- och temperaturskillnader. Dessa krafter främjar den kemiska reaktionen av transesterifiering / förestring och intensifierar massa och värmeöverföring, vilket förbättrar reaktionen av biodieselomvandling avsevärt.

Transesterifiering av triglycerider till biodiesel (FAME) med hjälp av ultraljudsbehandling resulterar i accelererad reaktion och betydligt högre effektivitet.
Tillämpningen av ultraljud under biodiesel omvandling har vetenskapligt och industriellt visat sig förbättra processeffektiviteten. Förbättringen av processeffektiviteten kan tillskrivas minskad energiförbrukning och driftskostnader, och den minskade användningen av alkohol (dvs. metanol), mindre katalysator och avsevärt förkortad reaktionstid. Energikostnaden för uppvärmning elimineras eftersom det inte finns något behov av extern uppvärmning. Dessutom är fasseparationen mellan biodiesel och glycerol enklare med en kortare fasseparationstid. En viktig faktor för kommersiell användning av ultraljud i biodieselproduktion är den enkla uppskalningen till vilken volym som helst, den pålitliga och säkra driften samt robustheten och tillförlitligheten hos ultraljudsutrustningen (industriell standard, som kan köras kontinuerligt 24/7/365 under full belastning).

Ultraljudsförestring och transesterifiering kan köras som batch eller kontinuerlig inline-process. Diagrammet visar ultraljud inline-processen för biodiesel (FAME) transesterfiering.

Ultraljudsförestring och transesterifiering kan köras som batch eller kontinuerlig inline-process. Detta diagram visar ultraljudsbatchprocessen för biodieselkonvertering.
Ultraljudsassisterad tvåstegs biodieselomvandling med tillämpning av syra- och baskatalyserade reaktionssteg
För råvaror med hög FFA-halt utförs biodieselproduktionen som syra- eller baskatalyserad reaktion i en tvåstegsprocess. Ultraljud bidrar med två båda typerna av reaktioner, den syrakatalyserade förestringen samt den baskatalyserade transesterifieringen:
Syrakatalyserad förestring med hjälp av ultraljud
För att behandla ett överskott av fria fettsyror i råvaran behövs förestringsprocessen. Svavelsyra används ofta som syrakatalysator.
- Förbered råmaterial genom filtrering och raffinering från föroreningar och vatten.
- Lös upp katalysatorn, nämligen svavelsyra, i metanol. Mata in katalysatorn/metanolen och råvaran genom en värmeväxlare och en statisk blandare för att erhålla en rå förblandning.
- Förblandningen av katalysator och råvara går direkt in i ultraljudsreaktionkammaren, där den ultrafina blandningen och sonokemin träder i kraft och de fria fettsyrorna omvandlas till biodiesel.
- Slutligen avvattnar du produkten och matar den till det andra steget – ultraljudstransesterifieringen. Den sura våtmetanolen är efter återvinning, torkning och neutralisering klar för återanvändning.
- För råvaror som innehåller mycket hög FFA kan en recirkulationsinställning krävas för att sänka FFA till en rimlig nivå före transesterifieringssteget.
Förestringsreaktion med hjälp av en syrakatalysator:
FFA + Alkohol → Ester + Vatten
Baskatalyserad transesterifiering med hjälp av ultraljud
Råvaran, som nu endast har små mängder FFA, kan matas direkt till transesterifieringssteget. Oftast används natriumhydroxid eller kaliumhydroxid (NaOH, KOH) som baskatalysator.
- Lös upp katalysatorn, dvs. kaliumhydroxid, i metanol och mata strömmarna av katalysator/metanol och förbehandlat råmaterial genom en statisk blandare för att erhålla en rå förblandning.
- Mata in förblandningen direkt i ultraljudsreaktionkammaren för kavitationell högskjuvning blandning och sonokemisk behandling. Produkterna av denna reaktion är alkylestrar (dvs. biodiesel) och glycerin. Glycerinet kan separeras genom sedimentering eller genom centrifugering.
- Den ultraljudsproducerade biodieseln är av hög kvalitet och tillverkas snabbt, energieffektivt och kostnadseffektivt genom att spara metanol och katalysator.
Transesterifieringsreaktion med hjälp av en baskatalysator:
Olja / Fett + Alkohol → Biodiesel + Glycerol
Användning av metanol & Återvinning av metanol
Metanol är en nyckelkomponent vid biodieselproduktion. Den ultraljudsdrivna biodieselomvandlingen möjliggör en avsevärt minskad användning av metanol. Om du nu tänker "Jag bryr mig inte om min metanolanvändning, eftersom jag återvinner den ändå", kanske du tänker om och överväger den orimliga höga energikostnaden som gäller för indunstningssteget (t.ex. med hjälp av en destillationskolonn), som är nödvändig för att separera och återvinna metanolen.
Metanol avlägsnas vanligtvis efter att biodieseln och glycerinet har separerats i två lager, vilket förhindrar att reaktionen vänds. Metanolen renas sedan och återvinns tillbaka till början av processen. Genom att producera biodiesel via ultraljudsdriven förestring och transesterifiering kan du minska din metanolanvändning dramatiskt och därmed minska den orimliga höga energiförbrukningen för metanolåtervinning. Användningen av Hielscher ultraljudsreaktorer minskar den nödvändiga mängden överskott av metanol med upp till 50%. Ett molförhållande mellan 1:4 eller 1:4.5 (olja: metanol) är tillräckligt för de flesta råvaror, när man använder Hielscher ultraljudsblandning.

Ultraljud förestring är en förbehandling steg, vilket minskade lågkvalitativt råmaterial med hög halt av FFA till estrar. I det 2: a steget av ultraljud transesterifiering omvandlas triglyceriderna till biodiesel (FAME).
Ultraljud ökad biodiesel omvandling effektivitet – Vetenskapligt bevisad
Ett flertal forskargrupper har undersökt mekanismen och effekterna av ultraljudstransesterifiering av biodiesel. Till exempel visade forskargruppen av Sebayan Darwin att ultraljud kavitation ökade den kemiska aktiviteten och reaktionshastigheten vilket resulterade i en signifikant ökad esterbildning. Ultraljudstekniken minskade reaktionstiden för transesterifiering till 5 minuter – i jämförelse med 2 timmar för mekanisk omrörningsbearbetning. Omvandling av triglycerid (TG) till FAME under ultraljud erhållen 95,6929% wt med ett metanol till oljemolarförhållande på 6:1 och 1% wt natriumhydroxid som katalysator. (jfr Darwin et al. 2010)
Medelstora och storskaliga ultraljudsapparater för biodieselbearbetning
Hielscher Ultrasonics’ Levererar små till medelstora samt storskaliga industriella ultraljudsprocessorer för effektiv produktion av biodiesel i alla volymer. Hielscher erbjuder ultraljudssystem i alla skalor och kan erbjuda den perfekta lösningen för både små producenter och stora företag. Ultraljud biodiesel konvertering kan drivas som batch eller som kontinuerlig inline process. Installationen och driften är enkel, säker och ger tillförlitligt höga effekter av överlägsen biodieselkvalitet.
Nedan hittar du rekommenderade reaktoruppställningar för en rad olika produktionshastigheter.
ton/hr
|
gal/hr
|
|
---|---|---|
1x UIP500hdT |
00,25 till 0,5
|
80 till 160
|
1x UIP1000hdT |
00,5 till 1,0
|
160 till 320
|
1x UIP1500hdT |
00,75 till 1,5
|
240 till 480
|
2 gånger UIP1000hdT |
1,0 till 2,0
|
320 till 640
|
2 gånger UIP1500hdT |
1,5 till 3,0
|
480 till 960
|
4 gånger UIP1500hdT |
3,0 till 6,0
|
960 till 1920
|
6 gånger UIP1500hdT |
4,5 till 9,0
|
1440 till 2880
|
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
Fakta som är värda att veta
Produktion av biodiesel
Biodiesel produceras när trigycerider omvandlas till fri fettmetylester (FAME) via en kemisk reaktion som kallas transesterifiering. Under reaktionen av transesterifiering reagerar trigylcerider i vegetabiliska oljor eller animaliska fetter i närvaro av en katalysator (t.ex. kaliumhydroxid eller natriumhydroxid) med en primär alkohol (t.ex. metanol). I denna reaktion bildas alkylestrar från råvaran av vegetabilisk olja eller animaliskt fett. Triglycerider är glycerider, där glycerolen är förestrad med långkedjiga syror, så kallade fettsyror. Dessa fettsyror finns rikligt i vegetabiliska oljor och animaliska fetter. Eftersom biodiesel kan framställas av olika råvaror, t.ex. jungfruliga vegetabiliska oljor, vegetabiliska avfallsoljor, använda frityroljor, animaliska fetter som talg och ister, kan mängden fria fettsyror (FFA) variera kraftigt. Andelen fria fettsyror i triglyceriderna är en avgörande faktor som påverkar biodieselproduktionsprocessen och den resulterande biodieselkvaliteten drastiskt. En stor mängd fria fettsyror kan störa omvandlingsprocessen och försämra den slutliga biodieselkvaliteten. Det största problemet är att fria fettsyror (FFA) reagerar med alkalikatalysatorer, vilket resulterar i bildandet av tvål. Tvålbildning orsakar därefter problem med glycerolseparation. Därför kräver råvaror som innehåller stora mängder FFA oftast en förbehandling (en så kallad förestringsreaktion), under vilken FFA omvandlas till estrar. Ultraljud främjar både reaktioner, transesterifiering och förestring.
Kemisk reaktion av förestring
Förestring är processen att kombinera en organisk syra (RCOOH) med en alkohol (ROH) för att bilda en ester (RCOOR) och vatten.
Användning av metanol vid sur förestring
När sur förestring används för att minska FFA i råmaterial är det omedelbara energibehovet relativt lågt. Emellertid skapas vatten under förestringsreaktionen – skapar våt, sur metanol, som måste neutraliseras, torkas och återvinnas. Denna process för återvinning av metanol är dyr.
Om de nya råvarorna har 20–40 % eller ännu högre procentandelar FFA kan det krävas flera åtgärder för att få ner dem till acceptabla nivåer. Detta innebär att ännu surare, våt metanol skapas. Efter att ha neutraliserat den sura metanolen kräver torkning flerstegsdestillation med betydande återflödeshastigheter, vilket resulterar i mycket hög energianvändning.
Vilka oljor används för biodieselproduktion?
Oljor som används för biodieselproduktion inkluderar vegetabiliska oljor, såsom sojabönor, raps (raps), solros, palmolja och olja från förbrukad kaffesump, samt animaliska fetter som talg och ister. Spilloljor, inklusive använd matolja och oljor som utvinns ur förbrukad kaffesump, används också ofta. Dessa oljor, som huvudsakligen består av triglycerider, genomgår transesterifiering med alkohol för att producera fettsyrametylestrar (FAME), de kemiska föreningar som bildar biodiesel. Ultraljudsbehandling förbättrar biodieselomvandlingen av spilloljor genom att förbättra transesterifieringsprocessen genom tillämpning av högintensiva ultraljudsvågor. I spilloljor, som ofta har föroreningar och högre innehåll av fria fettsyror, hjälper ultraljudsbehandling till att bryta ner dessa föroreningar och förbättrar blandningen av reaktanter. Detta resulterar i snabbare reaktionshastigheter, minskade reaktionstider och högre biodieselutbyte, även med råvaror av lägre kvalitet. Ultraljudsbehandling möjliggör också minskad katalysatoranvändning och lägre energiförbrukning, vilket gör omvandlingen av spilloljor till biodiesel mer effektiv och kostnadseffektiv.
Läs mer hur ultraljudsbehandling intensifierar utvinningen av oljor från förbrukad kaffesump och transesterifiering av dessa oljor till biodiesel!

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.