Üstün Proses ve Maliyet Verimliliğiyle Biyodizel Üretimi

Ultrasonik karıştırma, son derece verimli ve uygun maliyetli biyodizel üretimi için üstün teknolojidir. Ultrasonik kavitasyon, kütle transferini büyük ölçüde iyileştirerek üretim maliyetlerini ve işlem süresini azaltır. Aynı zamanda düşük kaliteli sıvı ve katı yağlar (örneğin atık yağlar) kullanılabilir ve biyodizel kalitesi iyileşir. Hielscher Ultrasonics, her üretim ölçeği için yüksek performanslı, sağlam ultrasonik karıştırma reaktörleri sunar. Biyodizel üretiminizin sonikasyondan nasıl yararlanacağı hakkında daha fazla bilgi edinin!

Ultrason Kullanımının Biyodizel Üretimine Sağladığı Faydalar

Biyodizel (yağ asidi metil esteri, kısaltması FAME), bir katalizör (örneğin potasyum hidroksit KOH) kullanılarak lipit hammaddesinin (trigliseritler, örneğin bitkisel yağ, kullanılmış yemeklik yağlar, hayvansal yağlar, alg yağı) alkolle (metanol, etanol) transesterifikasyon reaksiyonuna girmesiyle elde edilen üründür.
Sorun: Geleneksel karıştırmanın kullanıldığı geleneksel biyodizel dönüşümünde, yağ ve alkol arasındaki transesterifikasyon reaksiyonunun iki reaktanının birbiriyle karışmaması, düşük kütle transfer hızına yol açarak verimsiz bir biyodizel üretimiyle sonuçlanır. Bu verimsizlik; uzun reaksiyon süreleri, daha yüksek metanol-yağ molar oranları, yüksek katalizör gereksinimleri, yüksek proses sıcaklıkları ve yüksek karıştırma hızlarıyla karakterize edilir. Bu faktörler, geleneksel biyodizel üretimini pahalı bir proses hâline getiren önemli maliyet etkenleridir.
Çözüm: Ultrasonik karıştırma, reaktanları son derece verimli, hızlı ve düşük maliyetli bir şekilde emülsifiye ederek yağ-metanol oranının iyileştirilmesini, katalizör gereksinimlerinin azaltılmasını, reaksiyon süresinin kısaltılmasını ve reaksiyon sıcaklığının düşürülmesini sağlar. Böylece kaynaklardan (yani kimyasallardan ve enerjiden) ve zamandan tasarruf edilir, işlem maliyetleri azalır, biyodizel kalitesi ve üretim kârlılığı ise önemli ölçüde iyileşir. Bu olgular, ultrasonik karıştırmayı etkili biyodizel üretimi için tercih edilen teknoloji hâline getirir.
Araştırmalar ve endüstriyel biyodizel üreticileri, hammadde olarak düşük kaliteli sıvı ve katı yağlar kullanıldığında bile ultrasonik karıştırmanın biyodizel üretmek için son derece uygun maliyetli bir yöntem olduğunu doğrulamaktadır. Ultrasonik proses yoğunlaştırma, dönüşüm oranını önemli ölçüde artırarak fazla metanol ve katalizör kullanımını azaltır ve ASTM D6751 ve EN 14212 spesifikasyonlarının kalite standardını karşılayan biyodizel üretimine olanak tanır. (bkz. Abdullah et al., 2015)

Trigliseritlerin sonikasyon kullanılarak biyodizele (FAME) transesterifikasyonu, reaksiyonun hızlanması ve önemli ölçüde daha yüksek verimlilikle sonuçlanır.

Biyodizel Üretiminde Ultrasonik Karıştırmanın Çok Sayıda Avantajı

Ultrasonik karıştırma reaktörleri, herhangi bir yeni kuruluma kolayca entegre edilebilir ve mevcut biyodizel tesislerine de sonradan eklenebilir. Bir Hielscher ultrasonik karıştırıcısının entegrasyonu, herhangi bir biyodizel tesisini yüksek performanslı bir üretim tesisine dönüştürür. Kolay kurulum, sağlamlık ve kullanıcı dostu kullanım (işletim için özel eğitim gerekmez), herhangi bir tesisin son derece verimli bir biyodizel tesisine dönüştürülmesine olanak tanır. Aşağıda, bağımsız üçüncü taraflarca belgelenmiş avantajlara ilişkin bilimsel olarak kanıtlanmış sonuçları sunuyoruz. Sayılar, ultrasonik biyodizel karıştırmanın tüm geleneksel karıştırma tekniklerine üstünlüğünü kanıtlamaktadır.

Akış şeması, proses verimliliğini iyileştirmek için ultrasonik karıştırma da dâhil olmak üzere biyodizel üretim adımlarını göstermektedir.

Verimlilik ve Maliyet Karşılaştırması: Ultrasonik Yöntem ve Mekanik Karıştırma

Gholami et al. (2021), karşılaştırmalı çalışmalarında ultrasonik transesterifikasyonun mekanik karıştırmaya (yani bıçaklı karıştırıcı, çarklı karıştırıcı, yüksek kesmeli karıştırıcı) göre avantajlarını sunmaktadır.

Düşük Yatırım Maliyetleri:
UIP16000 ultrasonik işlemcisi ve reaktörü, yalnızca 1,2m x 0,6m yer kaplayarak 192–384 t biyodizel/d üretebilir. Buna karşılık mekanik karıştırma (MS), mekanik karıştırma prosesindeki uzun reaksiyon süresi nedeniyle çok daha büyük bir reaktör gerektirir ve bu da reaktör maliyetini önemli ölçüde artırır. (bkz. Gholami et al., 2020)
Düşük İşlem Maliyetleri:
Ultrasonik biyodizel üretiminin işlem maliyetleri, esas olarak sonikasyon prosesi için gereken toplam yatırımın daha düşük olması nedeniyle karıştırma prosesininkinden %7,7 daha düşüktür. Kimyasalların (katalizör, metanol/alkol) maliyeti, hem sonikasyon hem de mekanik karıştırma prosesinde üçüncü en büyük maliyet etkenidir. Ancak ultrasonik biyodizel dönüşümünde kimyasal maliyetleri, mekanik karıştırmadakinden önemli ölçüde daha düşüktür. Kimyasalların maliyet payı, nihai biyodizel maliyetinin yaklaşık %5’ini oluşturur. Metanol, sodyum hidroksit ve fosforik asit tüketiminin daha düşük olması nedeniyle ultrasonik biyodizel prosesindeki kimyasal maliyeti, mekanik karıştırma prosesindekinden %2,2 daha düşüktür.

Azaltılmış Enerji Maliyetleri:
Ultrasonik karıştırma reaktörünün tükettiği enerji, mekanik karıştırıcının tükettiğinin yaklaşık üçte biridir. Enerji tüketimindeki bu önemli azalma, akustik / ultrasonik kavitasyon olgusunu karakterize eden sayısız boşluğun oluşması ve çökmesi sonucunda ortaya çıkan yoğun mikro karıştırma ve kısalmış reaksiyon süresinden kaynaklanır (Gholami et al., 2018). Ayrıca geleneksel karıştırıcıya kıyasla ultrasonik karıştırma prosesindeki metanol geri kazanımı ve biyodizel saflaştırma aşamalarının enerji tüketimi sırasıyla %26,5 ve %1,3 azalır. Bu azalma, ultrasonik transesterifikasyon prosesinde bu iki damıtma kolonuna giren metanol miktarlarının daha düşük olmasından kaynaklanır.

Büyük Ölçüde Azaltılmış Atık Bertaraf Maliyetleri:
Ultrasonik kavitasyon teknolojisi, atık bertaraf maliyetini de kayda değer ölçüde azaltır. Sonikasyon prosesindeki bu maliyet, daha yüksek reaktör dönüşümü ve daha düşük alkol tüketimi nedeniyle atık üretiminin önemli ölçüde azalması sonucunda, karıştırma prosesindekinin yaklaşık beşte biri kadardır.
Kullanılmış kahve telvesinden elde edilen yağların ultrasonik yöntemle biyodizele dönüştürülmesi hakkında daha fazla bilgi edinin!

İyileştirilmiş Çevre Dostluğu:
Çok yüksek genel verimlilik, azaltılmış kimyasal tüketimi, daha düşük enerji gereksinimleri ve azaltılmış atık nedeniyle ultrasonik biyodizel üretimi, geleneksel biyodizel üretim proseslerinden önemli ölçüde daha çevre dostudur.

Sonuç – Ultrasonik Yöntem Biyodizel Üretim Verimliliğini Artırır

Bilimsel değerlendirme, biyodizel üretiminde ultrasonik karıştırmanın geleneksel mekanik karıştırmaya göre belirgin avantajlarını göstermektedir. Ultrasonik biyodizel işlemenin avantajları; toplam sermaye yatırımı, toplam ürün maliyeti, net bugünkü değer ve iç kârlılık oranını kapsar. Ultrasonik kavitasyon prosesindeki toplam yatırım tutarının, diğer prosesinkinden yaklaşık %20,8 daha düşük olduğu bulunmuştur. Ultrasonik reaktörlerin kullanılması, kullanılmamış kanola yağı kullanıldığında ürün maliyetlerini %5,2 azaltmıştır. Sonikasyon, kullanılmış yağların da (örneğin kullanılmış yemeklik yağların) işlenmesine olanak tanıdığından üretim maliyetleri önemli ölçüde daha da azaltılabilir. Gholami et al. (2021), pozitif net bugünkü değer nedeniyle ultrasonik kavitasyon prosesinin biyodizel üretimi için daha iyi bir karıştırma teknolojisi seçeneği olduğu sonucuna varmaktadır.
Teknik açıdan ultrasonik kavitasyonun en önemli etkileri, belirgin proses verimliliğini ve reaksiyon süresindeki azalmayı kapsar. Akustik / ultrasonik kavitasyon olarak bilinen çok sayıda vakum kabarcığının oluşması ve çökmesi, karıştırmalı tank reaktöründeki birkaç saatlik reaksiyon süresini ultrasonik kavitasyon reaktöründe birkaç saniyeye indirir. Bu kısa kalış süresi, az yer kaplayan bir akışlı reaktörde biyodizel üretimine olanak tanır. Ultrasonik kavitasyon reaktörü, enerji tüketimini bir karıştırmalı tank reaktörünün tüketiminin yaklaşık üçte birine, metanol ve katalizör tüketimini ise %25 azaltarak enerji ve malzeme gereksinimleri üzerinde de olumlu etkiler gösterir.
Ekonomik açıdan ultrasonik kavitasyon prosesinin toplam yatırımı, esas olarak reaktör maliyetindeki yaklaşık %50’lik ve metanol damıtma kolonu maliyetindeki %11,6’lık azalma nedeniyle mekanik karıştırma prosesininkinden daha düşüktür. Ultrasonik kavitasyon prosesi; kanola yağı tüketiminde %4 azalma, daha düşük toplam yatırım, %2,2 daha düşük kimyasal tüketimi ve %23,8 daha düşük yardımcı işletme gereksinimleri sayesinde biyodizel üretim maliyetini de azaltır. Mekanik karıştırmalı prosesin aksine ultrasonik işleme, pozitif net bugünkü değeri, daha kısa geri ödeme süresi ve daha yüksek iç kârlılık oranı nedeniyle kabul edilebilir bir yatırımdır. Ultrasonik kavitasyon prosesi, sağladığı teknoekonomik faydalara ek olarak mekanik karıştırma prosesinden daha çevre dostudur. Ultrasonik kavitasyon, bu proseste reaktördeki daha yüksek dönüşüm ve azaltılmış alkol tüketimi nedeniyle atık akımlarında %80 azalma sağlar. (bkz. Gholami et al., 2021)

Düşük Kaliteli Hammaddeyi Tertemiz Biyodizele Dönüştürün!

Sonikasyon; atık bitkisel yağlar, kullanılmış kızartma yağları, donyağı veya balık yağları gibi düşük kaliteli hammaddelerin daha etkili işlenmesine olanak tanır, çünkü ultrasonik kavitasyon birbiriyle karışmayan yağ ve alkol fazları arasında çok daha iyi temas oluşturarak karıştırmanın yanı sıra ısı ve kütle transferini de büyük ölçüde iyileştirir. Ayrıca reaksiyon kinetiğini hızlandırır; böylece işlenmesi zor, değişken hammaddeler bile daha hızlı ve daha eksiksiz dönüştürülebilir.
Akustik kavitasyon, reaksiyon ortamını yoğunlaştırır ve son derece reaktif radikallerin oluşumunu destekleyebilir; bu da hızlı transesterifikasyonu daha da destekler ve düşük kaliteli hammaddelerin olağan işleme dezavantajlarının aşılmasına yardımcı olur.
Sonikasyonun atık sıvı ve katı yağları biyodizele nasıl dönüştürdüğünü okuyun!

İstediğiniz Katalizörü Kullanın

Biyodizelin ultrasonik transesterifikasyon prosesinin hem alkali hem de bazik katalizörlerle verimli olduğu kanıtlanmıştır. Örneğin Shinde ve Kaliaguine (2019), çeşitli katalizörler kullanarak ultrasonik karıştırma ile mekanik bıçaklı karıştırmanın verimliliğini karşılaştırmıştır; bu katalizörler sodyum hidroksit (NaOH), potasyum hidroksit (KOH), (CH₃ONa), tetrametil amonyum hidroksit ve dört guanidindir (Propil-2,3-disikloheksil guanidin (PCHG), 1,3-disikloheksil 2 n-oktil guanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidin(TMG), 1,3-difenil guanidin (DPG)). Ultrasonik karıştırmanın (35º’de), daha yüksek verimler ve dönüşüm oranıyla mekanik karıştırmayı (65º’de) geride bırakarak biyodizel üretiminde üstün olduğu gösterilmiştir. Ultrason alanındaki kütle transferi verimliliği, mekanik karıştırmaya kıyasla transesterifikasyon reaksiyonunun hızını artırmıştır. Sonikasyon, test edilen tüm katalizörlerde mekanik karıştırmayı geride bırakmıştır. Transesterifikasyon reaksiyonunun ultrasonik kavitasyonla yürütülmesi, biyodizel üretimi için enerji verimli ve endüstriyel açıdan uygulanabilir bir alternatiftir. Yaygın olarak kullanılan KOH ve NaOH katalizörlerinin yanı sıra, iki guanidin katalizörünün de, propil-2,3 disikloheksilguanidin (PCHG) ve 1,3-disikloheksil 2 n-oktilguanidinin (DCOG), biyodizel dönüşümü için ilgi çekici alternatifler olduğu gösterilmiştir.
Mootabadi et al. (2010), CaO, BaO ve SrO gibi çeşitli alkali metal oksit katalizörleri kullanarak palm yağından ultrasonik destekli biyodizel sentezini incelemiştir. Ultrasonik destekli biyodizel sentezindeki katalizör aktivitesi geleneksel manyetik karıştırma prosesiyle karşılaştırılmış ve ultrasonik prosesin BaO kullanılarak 60 min reaksiyon süresinde %95,2 verim sağladığı, bunun ise geleneksel karıştırma prosesinde 3–4 h sürdüğü bulunmuştur. Optimum koşullarda ultrasonik destekli transesterifikasyonda %95 verime ulaşmak için 60 min gerekirken geleneksel karıştırmada 2–4 h gerekmiştir. Ayrıca ultrasonla 60 min içinde elde edilen verimler, katalizör olarak CaO kullanıldığında %5,5’ten %77,3’e, SrO kullanıldığında %48,2’den %95,2’ye ve BaO kullanıldığında %67,3’ten 95,2’ye yükselmiştir.

Katalizör olarak çeşitli guanidinler (%3 mol) kullanılarak biyodizel üretimi. (A) Mekanik karıştırmalı kesikli reaktör: (metanol:kanola yağı) 4:1, sıcaklık 65ºC; (B) Ultrasonlu kesikli reaktör: UP200St sonikatörü, (metanol:kanola yağı) 4:1, %60 US genliği, sıcaklık 35ºC. Ultrasonla gerçekleştirilen karıştırma, mekanik karıştırmayı açık ara geride bırakır.
(Çalışma ve grafikler: Shinde ve Kaliaguine, 2019)

Üstün Biyodizel İşleme için Yüksek Performanslı Ultrasonik Reaktörler

Hielscher Ultrasonics, daha yüksek verimler, iyileştirilmiş kalite, kısaltılmış işlem süresi ve daha düşük üretim maliyetleriyle sonuçlanan iyileştirilmiş biyodizel üretimi için yüksek performanslı ultrasonik işlemciler ve reaktörler sunar.

Küçük ve Orta Ölçekli Biyodizel Reaktörleri

Hielscher, 9ton/hr (2900 gal/hr) değerine kadar küçük ve orta ölçekli biyodizel üretimi için size UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) ve UIP2000hdT (2000 watt) ultrasonik yüksek kesmeli karıştırıcı modellerini sunar. Bu dört ultrasonik reaktör çok kompakttır; kolayca entegre edilebilir veya sonradan eklenebilir. Zorlu ortamlarda ağır hizmet koşullarında çalışmak üzere üretilmiştir. Aşağıda çeşitli üretim hızları için önerilen reaktör düzenlerini bulabilirsiniz.

Çok Yüksek İşleme Kapasiteli Endüstriyel Biyodizel Reaktörleri

Hielscher, endüstriyel işleme yapan biyodizel üretim tesisleri için UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ve UIP16000hdT (16kW) ultrasonik homojenizatörlerini sunar! Bu ultrasonik işlemciler, yüksek debilerde sürekli işleme için tasarlanmıştır. UIP4000hdT, UIP6000hdT ve UIP10000, standart deniz taşımacılığı konteynerlerine entegre edilebilir. Alternatif olarak dört işlemci modelinin tümü paslanmaz çelik kabinlerde sunulmaktadır. Dikey kurulum minimum alan gerektirir. Aşağıda tipik endüstriyel işleme hızları için önerilen düzenleri bulabilirsiniz.