Biodieselproduktion med överlägsen process- och kostnadseffektivitet

Ultraljudsblandning är den överlägsna tekniken för högeffektiv och kostnadseffektiv biodieselproduktion. Ultraljudskavitation förbättrar massöverföringen drastiskt och minskar därmed produktionskostnaderna och bearbetningstiden. Samtidigt kan oljor och fetter av låg kvalitet (t.ex. spilloljor) användas, och biodieselns kvalitet förbättras. Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande, robusta ultraljudsreaktorer för blandning i alla produktionsskalor. Läs mer om hur din biodieselproduktion gynnas av ultraljudsbehandling!

Fördelar med ultraljud vid biodieselproduktion

Biodiesel (fettsyrametylester, förkortat FAME) är produkten av en transesterifieringsreaktion mellan en lipidråvara (triglycerider, t.ex. vegetabilisk olja, använda matoljor, animaliska fetter, algolja) och alkohol (metanol, etanol) med hjälp av en katalysator (t.ex. kaliumhydroxid KOH).
Problemet: Vid konventionell omvandling till biodiesel med konventionell omrörning leder de båda reaktanternas oblandbarhet i transesterifieringsreaktionen mellan olja och alkohol till låg massöverföringshastighet, vilket resulterar i ineffektiv biodieselproduktion. Denna ineffektivitet kännetecknas av långa reaktionstider, högre molförhållanden mellan metanol och olja, stort katalysatorbehov, höga processtemperaturer och höga omrörningshastigheter. Dessa faktorer är betydande kostnadsdrivare som gör konventionell biodieseltillverkning till en dyr process.
Lösningen: Ultraljudsblandning emulgerar reaktanterna på ett mycket effektivt, snabbt och billigt sätt, så att förhållandet mellan olja och metanol kan förbättras, katalysatorbehovet minskas och reaktionstiden och reaktionstemperaturen sänks. Därmed sparas såväl resurser (dvs. kemikalier och energi) som tid, bearbetningskostnaderna minskar och biodieselns kvalitet och produktionens lönsamhet förbättras avsevärt. Dessa fakta gör ultraljudsblandning till den föredragna tekniken för effektiv biodieseltillverkning.
Forskning och industriella biodieselproducenter bekräftar att ultraljudsblandning är ett mycket kostnadseffektivt sätt att producera biodiesel, även när oljor och fetter av låg kvalitet används som råvara. Processintensifiering med ultraljud förbättrar omsättningsgraden avsevärt och minskar användningen av överskott av metanol och katalysator, vilket gör det möjligt att producera biodiesel som uppfyller kvalitetskraven i specifikationerna ASTM D6751 och EN 14212. (jfr Abdullah et al., 2015)

Transesterifiering av triglycerider till biodiesel (FAME) med ultraljudsbehandling ger en snabbare reaktion och avsevärt högre effektivitet.

Många fördelar med ultraljudsblandning vid biodieselproduktion

Ultraljudsreaktorer för blandning kan enkelt integreras i alla nya installationer och eftermonteras i befintliga biodieselanläggningar. Integrering av en ultraljudsblandare från Hielscher förvandlar varje biodieselanläggning till en högpresterande produktionsanläggning. Enkel installation, robusthet och användarvänlighet (ingen särskild utbildning krävs för drift) gör det möjligt att uppgradera varje anläggning till en högeffektiv biodieselanläggning. Nedan presenterar vi vetenskapligt belagda resultat som visar fördelar dokumenterade av oberoende tredje parter. Siffrorna bevisar att ultraljudsblandning vid biodieselproduktion är överlägsen alla konventionella omrörningstekniker.

Flödesschemat visar stegen i biodieselproduktionen, inklusive ultraljudsblandning för förbättrad processeffektivitet.

Jämförelse av effektivitet och kostnader: ultraljud kontra mekanisk omrörning

Gholami et al. (2021) presenterar i sin jämförande studie fördelarna med transesterifiering med ultraljud jämfört med mekanisk omrörning (dvs. bladblandare, omrörarhjul, högskjuvningsblandare).

Låga investeringskostnader:
Ultraljudsprocessorn och reaktorn UIP16000 kan producera 192–384 t biodiesel/d med en golvyta på endast 1,2m x 0,6m. Vid mekanisk omrörning (MS) krävs däremot en mycket större reaktor på grund av den långa reaktionstiden vid mekanisk omrörning, vilket gör att reaktorkostnaden ökar avsevärt. (jfr Gholami et al., 2020)
Låga bearbetningskostnader:
Bearbetningskostnaderna för biodieselproduktion med ultraljud är 7,7% lägre än för omrörningsprocessen, främst på grund av den lägre totala investeringen för ultraljudsbehandlingen. Kostnaden för kemikalier (katalysator, metanol/alkohol) är den tredje största kostnadsdrivaren i båda processerna, ultraljudsbehandling och mekanisk omrörning. Vid biodieselomvandling med ultraljud är kemikaliekostnaderna dock avsevärt lägre än vid mekanisk omrörning. Kemikaliernas kostnadsandel utgör cirka 5% av den slutliga biodieselkostnaden. På grund av den lägre förbrukningen av metanol, natriumhydroxid och fosforsyra är kemikaliekostnaderna i biodieselprocessen med ultraljud 2,2% lägre än i processen med mekanisk omrörning.

Minskade energikostnader:
Energiförbrukningen i ultraljudsblandningsreaktorn är ungefär tre gånger lägre än i den mekaniska omröraren. Denna betydande minskning av energiförbrukningen beror på den intensiva mikroblandningen och den förkortade reaktionstiden som följer av att otaliga kaviteter bildas och kollapsar, vilket kännetecknar fenomenet akustisk kavitation / ultraljudskavitation (Gholami et al., 2018). Jämfört med den konventionella omröraren minskar dessutom energiförbrukningen för metanolåtervinning och biodieselrening under ultraljudsblandningsprocessen med 26,5% respektive 1,3%. Denna minskning beror på de mindre mängder metanol som tillförs dessa två destillationskolonner i omförestringsprocessen med ultraljud.

Kraftigt minskade kostnader för avfallshantering:
Tekniken med ultraljudskavitation minskar också kostnaderna för avfallshantering påtagligt. Denna kostnad vid ultraljudsbehandlingen är ungefär en femtedel av motsvarande kostnad vid omrörningsprocessen, vilket beror på den betydande minskningen av avfallsproduktionen till följd av högre omsättning i reaktorn och mindre mängder förbrukad alkohol.
Läs mer om biodieselomvandling med ultraljud av oljor från använd kaffesump!

Förbättrad miljövänlighet:
Tack vare den mycket höga totala effektiviteten, den minskade kemikalieförbrukningen, det lägre energibehovet och den minskade avfallsmängden är biodieselproduktion med ultraljud avsevärt miljövänligare än konventionella processer för biodieseltillverkning.

Slutsats – ultraljud förbättrar effektiviteten i biodieselproduktionen

Den vetenskapliga bedömningen visar de tydliga fördelarna med ultraljudsblandning jämfört med konventionell mekanisk omrörning vid biodieselproduktion. Fördelarna med ultraljudsbehandling vid biodieselproduktion omfattar den totala kapitalinvesteringen, den totala produktkostnaden, nettonuvärdet och internräntan. Den totala investeringen i processen med ultraljudskavitation visade sig vara cirka 20,8% lägre än för den andra processen. Användningen av ultraljudsreaktorer minskade produktkostnaderna med 5,2% – vid användning av jungfrulig rapsolja. Eftersom ultraljudsbehandling även möjliggör bearbetning av använda oljor (t.ex. använda matoljor) kan produktionskostnaderna sänkas betydligt ytterligare. Gholami et al. (2021) drar slutsatsen att processen med ultraljudskavitation, tack vare ett positivt nettonuvärde, är det bättre valet av blandningsteknik för biodieselproduktion.
Ur teknisk synvinkel omfattar de viktigaste effekterna av ultraljudskavitation den betydande processeffektiviteten och minskningen av reaktionstiden. Bildandet och kollapsen av ett stort antal vakuumbubblor – känt som akustisk kavitation / ultraljudskavitation – minskar reaktionstiden från flera timmar i en omrörd tankreaktor till några sekunder i en ultraljudskavitationsreaktor. Denna korta uppehållstid möjliggör biodieselproduktion i en genomströmningsreaktor med litet ytbehov. Ultraljudskavitationsreaktorn har också gynnsamma effekter på energi- och materialbehovet genom att minska energiförbrukningen till nästan en tredjedel av förbrukningen i en omrörd tankreaktor och minska metanol- och katalysatorförbrukningen med 25%.
Ur ekonomisk synvinkel är den totala investeringen i processen med ultraljudskavitation lägre än i processen med mekanisk omrörning, främst på grund av att reaktorkostnaden och kostnaden för metanoldestillationskolonnen minskar med nästan 50% respektive 11,6%. Processen med ultraljudskavitation minskar också kostnaden för biodieselproduktion tack vare 4% lägre rapsoljeförbrukning, lägre total investering, 2,2% lägre kemikalieförbrukning och 23,8% lägre behov av försörjningsmedier. Till skillnad från processen med mekanisk omrörning är ultraljudsbehandlingen en godtagbar investering tack vare sitt positiva nettonuvärde, kortare återbetalningstid och högre internränta. Utöver de tekniska och ekonomiska fördelarna med processen med ultraljudskavitation är den mer miljövänlig än processen med mekanisk omrörning. Ultraljudskavitation leder till en minskning av avfallsströmmarna med 80% tack vare den högre omvandlingsgraden i reaktorn och den minskade alkoholförbrukningen i denna process. (jfr Gholami et al., 2021)

Omvandla råvaror av låg kvalitet till ren biodiesel!

Ultraljudsbehandling gör det möjligt att bearbeta råvaror av låg kvalitet, såsom vegetabiliska spilloljor, använda frityrfetter, talg eller fiskoljor, mer effektivt eftersom ultraljudskavitation tvingar fram mycket bättre kontakt mellan de oblandbara olje- och alkoholfaserna, vilket kraftigt förbättrar blandningen samt värme- och massöverföringen. Den påskyndar också reaktionskinetiken, så att även svårbearbetade råvaror med varierande egenskaper kan omvandlas snabbare och mer fullständigt.
Akustisk kavitation intensifierar reaktionsmiljön och kan främja bildandet av mycket reaktiva radikaler, vilket ytterligare stöder snabb transesterifiering och bidrar till att övervinna de vanliga bearbetningsnackdelarna med råvaror av låg kvalitet.
Läs hur ultraljudsbehandling omvandlar spilloljor och spillfetter till biodiesel!

Använd den katalysator du föredrar

Ultraljudsprocessen för transesterifiering vid biodieselproduktion har visat sig vara effektiv med såväl alkaliska som basiska katalysatorer. Shinde och Kaliaguine (2019) jämförde exempelvis effektiviteten hos ultraljudsblandning och mekanisk bladblandning med olika katalysatorer, nämligen natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH), (CH₃ONa), tetrametylammoniumhydroxid och fyra guanidiner (propyl-2,3-dicyklohexylguanidin (PCHG), 1,3-dicyklohexyl-2-n-oktylguanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametylguanidin (TMG), 1,3-difenylguanidin (DPG)). Ultraljudsblandning (vid 35º) har visat sig vara överlägsen för biodieselproduktion och överträffar mekanisk blandning (vid 65º) genom högre utbyten och högre omvandlingsgrad. Den effektiva massöverföringen i ultraljudsfältet ökade transesterifieringsreaktionens hastighet jämfört med mekanisk omrörning. Ultraljudsbehandling överträffade mekanisk omrörning för alla testade katalysatorer. Att genomföra transesterifieringsreaktionen med ultraljudskavitation är ett energieffektivt och industriellt gångbart alternativ för biodieselproduktion. Utöver de allmänt använda katalysatorerna KOH och NaOH har båda guanidinkatalysatorerna, propyl-2,3-dicyklohexylguanidin (PCHG) och 1,3-dicyklohexyl-2-n-oktylguanidin (DCOG), visat sig vara intressanta alternativ för biodieselomvandling.
Mootabadi et al. (2010) undersökte ultraljudsassisterad biodieselsyntes från palmolja med olika alkaliska metalloxidkatalysatorer såsom CaO, BaO och SrO. Katalysatorns aktivitet vid ultraljudsassisterad biodieselsyntes jämfördes med den traditionella processen med magnetomrörning, och man fann att ultraljudsprocessen gav ett utbyte på 95,2% med BaO inom en reaktionstid på 60 min, vilket annars tar 3–4 h med den konventionella omrörningsprocessen. För ultraljudsassisterad transesterifiering under optimala förhållanden krävdes 60 min för att uppnå ett utbyte på 95%, jämfört med 2–4 h med konventionell omrörning. Dessutom ökade utbytena som uppnåddes med ultraljud på 60 min från 5,5% till 77,3% med CaO som katalysator, från 48,2% till 95,2% med SrO som katalysator och från 67,3% till 95,2 med BaO som katalysator.

Biodieselproduktion med olika guanidiner (3% mol) som katalysator. (A) Satsreaktor med mekanisk omrörning: (metanol:rapsolja) 4:1, temperatur 65ºC; (B) Satsreaktor med ultraljud: ultraljudsapparaten UP200St, (metanol:rapsolja) 4:1, 60% ultraljudsamplitud, temperatur 35ºC. Ultraljudsdriven blandning överträffar mekanisk omrörning med stor marginal.
(Studie och diagram: Shinde och Kaliaguine, 2019)

Högpresterande ultraljudsreaktorer för överlägsen biodieselbearbetning

Hielscher Ultrasonics erbjuder högpresterande ultraljudsprocessorer och reaktorer för förbättrad biodieselproduktion som ger högre utbyten, förbättrad kvalitet, kortare bearbetningstid och lägre produktionskostnader.

Biodieselreaktorer för liten och medelstor skala

För biodieselproduktion i liten och medelstor skala på upp till 9ton/hr (2900 gal/hr) erbjuder Hielscher UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) och UIP2000hdT (2000 watt) som modeller av ultraljudsblandare med hög skjuvning. Dessa fyra ultraljudsreaktorer är mycket kompakta och enkla att integrera eller eftermontera. De är byggda för krävande drift i tuffa miljöer. Nedan hittar du rekommenderade reaktorkonfigurationer för olika produktionshastigheter.

Industriella biodieselreaktorer med mycket hög genomströmningskapacitet

För biodieselanläggningar med industriell bearbetning erbjuder Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) och UIP16000hdT (16kW) ultraljudshomogenisatorer! Dessa ultraljudsprocessorer är utformade för kontinuerlig bearbetning vid höga flöden. UIP4000hdT, UIP6000hdT och UIP10000 kan integreras i standardcontainrar för sjöfrakt. Alternativt finns alla fyra processormodellerna i skåp av rostfritt stål. En stående installation kräver minimalt med utrymme. Nedan hittar du rekommenderade konfigurationer för typiska industriella bearbetningskapaciteter.