ไบโอดีเซลจากเอสเทอริฟิเคชันและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราโซนิก

ไบโอดีเซลสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเบส อย่างไรก็ตาม หากใช้วัตถุดิบ เช่น น้ำมันพืชใช้แล้วคุณภาพต่ำที่มีปริมาณกรดไขมันอิสระสูง จำเป็นต้องมีขั้นตอนปรับสภาพเบื้องต้นทางเคมีด้วยปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรด การใช้อัลตราโซนิกและผลทางโซโนเคมีและโซโนกลศาสตร์มีส่วนช่วยในปฏิกิริยาทั้งสองประเภท และเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลอย่างมาก การผลิตไบโอดีเซลด้วยอัลตราโซนิกเร็วกว่าการสังเคราะห์ไบโอดีเซลแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ ให้ผลได้และคุณภาพไบโอดีเซลสูงกว่า และประหยัดสารที่ใช้ในปฏิกิริยา เช่น เมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา

การเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลโดยใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง

สำหรับไบโอดีเซล เอสเทอร์ของกรดไขมันผลิตโดยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชและไขมันสัตว์ (เช่น ไขมันวัว) ระหว่างปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน องค์ประกอบกลีเซอรอลจะถูกแทนที่ด้วยแอลกอฮอล์ชนิดอื่น เช่น เมทานอล วัตถุดิบที่มีปริมาณกรดไขมันอิสระสูง เช่น น้ำมันพืชใช้แล้ว (WVO) ต้องผ่านการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยเอสเทอริฟิเคชันที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดสบู่ กระบวนการที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ช้ามากเมื่อดำเนินการด้วยวิธีแบบแบตช์ดั้งเดิม วิธีเร่งกระบวนการเอสเทอริฟิเคชันที่ช้านี้คือการใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง การใช้อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มความเร็วของปฏิกิริยา การเปลี่ยนวัตถุดิบ และผลได้ไบโอดีเซลอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากผลทางโซโนเคมีของอัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยส่งเสริมและเพิ่มความเข้มข้นของการเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกให้แรงทางโซโนกลศาสตร์ ได้แก่ การผสมด้วยแรงเฉือนสูง รวมทั้งพลังงานทางโซโนเคมี ผลกระทบจากอัลตราโซนิกทั้งสองประเภทนี้ (โซโนกลศาสตร์และโซโนเคมี) ทำให้เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยากลายเป็นปฏิกิริยาที่รวดเร็วและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาน้อยลง

การเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลด้วยอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร?

การใช้อัลตราโซนิกระหว่างเฟสต่าง ๆ ในทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (บางครั้งเรียกว่าแอลกอฮอลิซิส) และเอสเทอริฟิเคชันอาศัยการเพิ่มประสิทธิภาพการผสม รวมทั้งการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและมวล การผสมด้วยอัลตราโซนิกอาศัยหลักการคาวิเทชันทางเสียง ซึ่งเกิดจากการยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองสุญญากาศในของเหลว คาวิเทชันทางเสียงมีลักษณะเด่นคือแรงเฉือนสูงและความปั่นป่วน รวมทั้งความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก แรงเหล่านี้ส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีของทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน / เอสเทอริฟิเคชัน และเพิ่มการถ่ายเทมวลและความร้อน จึงช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาการเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลอย่างมีนัยสำคัญ

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไตรกลีเซอไรด์เป็นไบโอดีเซล (FAME) โดยใช้อัลตราโซนิกทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

การใช้อัลตราโซนิกระหว่างการเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลได้รับการพิสูจน์ทั้งทางวิทยาศาสตร์และในภาคอุตสาหกรรมว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการนี้เป็นผลจากการลดการใช้พลังงานและต้นทุนการดำเนินงาน การลดการใช้แอลกอฮอล์ (ได้แก่ เมทานอล) การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาน้อยลง และการลดเวลาปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ ต้นทุนพลังงานสำหรับการให้ความร้อนถูกกำจัดไปเนื่องจากไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนจากภายนอก นอกจากนี้ การแยกเฟสระหว่างไบโอดีเซลกับกลีเซอรอลทำได้ง่ายขึ้นและใช้เวลาแยกเฟสสั้นลง ปัจจัยสำคัญสำหรับการใช้อัลตราซาวนด์ในการผลิตไบโอดีเซลเชิงพาณิชย์คือการขยายขนาดสู่ปริมาตรใด ๆ ได้อย่างง่ายดาย การทำงานที่เชื่อถือได้และปลอดภัย ตลอดจนความทนทานและความเชื่อถือได้ของอุปกรณ์อัลตราโซนิก (มาตรฐานอุตสาหกรรม สามารถทำงานต่อเนื่อง 24/7/365 ภายใต้ภาระเต็มพิกัด)

ระบบอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมพร้อมเซลล์การไหลสำหรับเอสเทอริฟิเคชันและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไบโอดีเซลแบบอินไลน์

การเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลสองขั้นตอนโดยใช้อัลตราโซนิกช่วยร่วมกับขั้นตอนปฏิกิริยาที่ใช้กรดและเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

สำหรับวัตถุดิบที่มีปริมาณ FFA สูง การผลิตไบโอดีเซลดำเนินการเป็นปฏิกิริยาที่ใช้กรดหรือเบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการสองขั้นตอน อัลตราซาวนด์มีส่วนช่วยในปฏิกิริยาทั้งสองประเภท ได้แก่ เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา:

เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้อัลตราซาวนด์

การจัดการกรดไขมันอิสระส่วนเกินในวัตถุดิบจำเป็นต้องใช้กระบวนการเอสเทอริฟิเคชัน โดยทั่วไปใช้กรดซัลฟิวริกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยากรด

• เตรียมวัตถุดิบด้วยการกรองและทำให้บริสุทธิ์เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนและน้ำ
• ละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งคือกรดซัลฟิวริก ในเมทานอล ป้อนกระแสตัวเร่งปฏิกิริยา/เมทานอลและวัตถุดิบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องผสมแบบสถิตเพื่อให้ได้ส่วนผสมเบื้องต้นที่ผสมอย่างหยาบ
• ส่วนผสมเบื้องต้นของตัวเร่งปฏิกิริยาและวัตถุดิบเข้าสู่ห้องปฏิกิริยาอัลตราโซนิกโดยตรง ซึ่งการผสมอย่างละเอียดมากและโซโนเคมีจะออกฤทธิ์ และกรดไขมันอิสระจะถูกเปลี่ยนเป็นไบโอดีเซล
• สุดท้าย กำจัดน้ำออกจากผลิตภัณฑ์และป้อนเข้าสู่ขั้นตอนที่สอง – ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิก เมทานอลที่มีน้ำปนและเป็นกรดจะพร้อมนำกลับมาใช้ใหม่หลังจากนำกลับคืน กำจัดน้ำ และทำให้เป็นกลาง
• สำหรับวัตถุดิบที่มีปริมาณ FFA สูงมาก อาจจำเป็นต้องจัดระบบหมุนเวียนกลับเพื่อลด FFA ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมก่อนขั้นตอนทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน

 
ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรด:
FFA + แอลกอฮอล์ → เอสเทอร์ + น้ำ
 

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอสเทอริฟิเคชันของ FFA ที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราโซนิก!
 
 

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้เบสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้อัลตราซาวนด์

วัตถุดิบซึ่งขณะนี้มี FFA เพียงเล็กน้อยสามารถป้อนเข้าสู่ขั้นตอนทรานส์เอสเทอริฟิเคชันได้โดยตรง โดยทั่วไปนิยมใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (NaOH, KOH) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเบส

• ละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งคือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ในเมทานอล และป้อนกระแสตัวเร่งปฏิกิริยา/เมทานอลและวัตถุดิบที่ผ่านการปรับสภาพเบื้องต้นผ่านเครื่องผสมแบบสถิตเพื่อให้ได้ส่วนผสมเบื้องต้นที่ผสมอย่างหยาบ
• ป้อนส่วนผสมเบื้องต้นเข้าสู่ห้องปฏิกิริยาอัลตราโซนิกโดยตรงเพื่อผสมด้วยแรงเฉือนสูงจากคาวิเทชันและบำบัดด้วยโซโนเคมี ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานี้คือแอลคิลเอสเทอร์ (ได้แก่ ไบโอดีเซล) และกลีเซอรีน สามารถแยกกลีเซอรีนได้โดยปล่อยให้ตกแยกชั้นหรือโดยการปั่นเหวี่ยง
• ไบโอดีเซลที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิกมีคุณภาพสูงและผลิตได้อย่างรวดเร็ว ประหยัดพลังงานและต้นทุนด้วยการประหยัดเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเบส:
น้ำมัน / ไขมัน + แอลกอฮอล์ → ไบโอดีเซล + กลีเซอรอล

การใช้เมทานอลและการนำเมทานอลกลับคืน

เมทานอลเป็นองค์ประกอบสำคัญระหว่างการผลิตไบโอดีเซล การเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดการใช้เมทานอลได้อย่างมีนัยสำคัญ หากขณะนี้คุณคิดว่า “ฉันไม่กังวลเรื่องการใช้เมทานอล เพราะอย่างไรก็นำกลับคืนอยู่แล้ว” คุณอาจต้องคิดใหม่และพิจารณาต้นทุนพลังงานที่สูงอย่างยิ่งสำหรับขั้นตอนการระเหย (เช่น การใช้หอกลั่น) ซึ่งจำเป็นต่อการแยกและนำเมทานอลกลับมาใช้ใหม่
โดยทั่วไป เมทานอลจะถูกกำจัดออกหลังจากไบโอดีเซลและกลีเซอรีนแยกเป็นสองชั้นแล้ว เพื่อป้องกันปฏิกิริยาย้อนกลับ จากนั้นเมทานอลจะถูกทำให้บริสุทธิ์และนำกลับไปใช้ที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการ การผลิตไบโอดีเซลผ่านเอสเทอริฟิเคชันและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้คุณลดการใช้เมทานอลได้อย่างมาก จึงลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่สูงอย่างยิ่งสำหรับการนำเมทานอลกลับคืน การใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ลดปริมาณเมทานอลส่วนเกินที่จำเป็นได้สูงสุดถึง 50% อัตราส่วนโมลระหว่าง 1:4 ถึง 1:4.5 (น้ำมัน : เมทานอล) เพียงพอสำหรับวัตถุดิบส่วนใหญ่เมื่อใช้การผสมด้วยอัลตราโซนิกของ Hielscher

การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลด้วยอัลตราโซนิก – พิสูจน์แล้วทางวิทยาศาสตร์

กลุ่มนักวิจัยจำนวนมากได้ศึกษากลไกและผลของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไบโอดีเซลด้วยอัลตราโซนิก ตัวอย่างเช่น ทีมวิจัยของ Sebayan Darwin แสดงให้เห็นว่าคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกเพิ่มกิจกรรมทางเคมีและอัตราปฏิกิริยา ส่งผลให้การเกิดเอสเทอร์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เทคนิคอัลตราโซนิกลดเวลาปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเหลือ 5 นาที – เทียบกับ 2 ชั่วโมงสำหรับกระบวนการกวนเชิงกล การเปลี่ยนไตรกลีเซอไรด์ (TG) เป็น FAME ภายใต้การใช้อัลตราโซนิกได้ 95.6929%wt โดยมีอัตราส่วนโมลเมทานอลต่อน้ำมัน 6:1 และใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ 1%wt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ดู Darwin et al. 2010)

เครื่องอัลตราโซนิกขนาดกลางและขนาดใหญ่สำหรับการแปรรูปไบโอดีเซล

Hielscher Ultrasonics จัดหาเครื่องแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกขนาดเล็กถึงขนาดกลาง รวมทั้งขนาดใหญ่ระดับอุตสาหกรรม สำหรับการผลิตไบโอดีเซลอย่างมีประสิทธิภาพในทุกปริมาตร ด้วยการนำเสนอระบบอัลตราโซนิกในทุกขนาด Hielscher สามารถนำเสนอโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับทั้งผู้ผลิตรายเล็กและบริษัทขนาดใหญ่ การเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นไบโอดีเซลด้วยอัลตราโซนิกสามารถดำเนินการแบบแบตช์หรือเป็นกระบวนการอินไลน์ต่อเนื่องได้ การติดตั้งและการใช้งานง่าย ปลอดภัย และให้ปริมาณผลผลิตสูงอย่างเชื่อถือได้พร้อมคุณภาพไบโอดีเซลที่เหนือกว่า
ด้านล่างคือรูปแบบการจัดเครื่องปฏิกรณ์ที่แนะนำสำหรับอัตราการผลิตต่าง ๆ