Từ UCO đến diesel sinh học bằng thiết bị phản ứng siêu âm

Dầu ăn đã qua sử dụng (UCO) đã trở thành một trong những nguyên liệu đầu vào hấp dẫn nhất cho sản xuất diesel sinh học bền vững. Chuyển đổi UCO thành diesel sinh học, hay metyl este từ dầu ăn đã qua sử dụng, giúp giảm chất thải, giảm chi phí nguyên liệu và hỗ trợ nền kinh tế nhiên liệu có tính tuần hoàn cao hơn. Đối với các nhà sản xuất diesel sinh học đang tìm kiếm công nghệ xử lý hiệu quả, thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất diesel sinh học của Hielscher mang đến một giải pháp mạnh mẽ để tăng cường các quá trình trao đổi este và este hóa.

Thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất diesel sinh học của Hielscher được sử dụng rộng rãi để cải thiện quá trình chuyển đổi dầu và mỡ giá rẻ thành diesel sinh học chất lượng cao. Bằng cách tạo ra sự trộn mạnh ở cấp độ vi mô, hiện tượng xâm thực siêu âm đẩy nhanh các phản ứng hóa học, cải thiện sự truyền khối giữa các pha không hòa tan lẫn nhau và giúp các nhà sản xuất thực hiện sản xuất diesel sinh học nhanh chóng, đáng tin cậy và có khả năng mở rộng quy mô.

UCOME – Diesel sinh học từ dầu thải

UCOME là viết tắt của metyl este từ dầu ăn đã qua sử dụng. Đây là nhiên liệu diesel sinh học được sản xuất bằng cách chuyển đổi dầu ăn thải thành metyl este của axit béo thông qua phản ứng hóa học với metanol. Vì UCO là nguyên liệu đầu vào tái chế, UCOME đặc biệt hấp dẫn xét trên cả phương diện kinh tế và môi trường.
So với dầu thực vật nguyên sinh, UCO có lợi thế rõ rệt về chi phí nhưng cũng đặt ra những thách thức trong quá trình xử lý. Dầu ăn đã qua sử dụng thường chứa:

• Axit béo tự do (FFA)
• Nước
• Cặn thực phẩm và tạp chất
• Các sản phẩm oxy hóa
• Thành phần thay đổi tùy theo nguồn gốc và lịch sử sử dụng

Những yếu tố này khiến hiệu quả của quá trình và hiệu năng của thiết bị phản ứng trở nên đặc biệt quan trọng. Đây chính là điểm mà thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất diesel sinh học mang lại những lợi thế đáng kể.

 

Trong video hướng dẫn này, chúng tôi giới thiệu cơ sở khoa học về cách thiết bị phản ứng siêu âm giúp cải thiện đáng kể quá trình sản xuất diesel sinh học. Thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher dùng cho diesel sinh học đã được khẳng định là công cụ mạnh mẽ để nâng cao hiệu quả quy trình sản xuất diesel sinh học. Trong hướng dẫn này, chúng tôi trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động và giới thiệu các cấu hình siêu âm khác nhau phù hợp với mọi quy mô sản xuất. Nâng cao hiệu quả sản xuất và hiệu quả chi phí, đồng thời thu được nhiều diesel sinh học chất lượng cao hơn nhờ quá trình chuyển hóa nhanh. Đồng thời, thiết bị phản ứng siêu âm dùng cho diesel sinh học cho phép sử dụng dầu chất lượng thấp như dầu thực vật thải hoặc mỡ nấu ăn đã qua sử dụng, đồng thời giúp tiết kiệm methanol và chất xúc tác, góp phần sản xuất diesel sinh học bền vững và thân thiện với môi trường.

 

Thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất diesel sinh học cải thiện quá trình chuyển đổi UCO thành UCOME như thế nào

Sản xuất diesel sinh học truyền thống thường dựa vào khuấy cơ học và nhiệt để đưa dầu, cồn và chất xúc tác tiếp xúc với nhau. Vì dầu và metanol không trộn lẫn tốt với nhau, các thiết bị phản ứng thông thường có thể gặp phải tốc độ phản ứng chậm, chuyển đổi không hoàn toàn, mức tiêu thụ hóa chất cao hơn và thời gian lưu dài hơn.
Thiết bị phản ứng siêu âm của Hielscher sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tạo ra hiện tượng xâm thực trong chất lỏng. Hiện tượng xâm thực tạo ra các vùng trộn vi mô với lực cắt cực kỳ cao. Điều này phân tán metanol thành những giọt rất mịn trong pha dầu và tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha lớn hơn nhiều cho phản ứng.

Kết quả là một quá trình sản xuất diesel sinh học được tăng cường mạnh mẽ với những lợi ích quan trọng:

• Trao đổi este và este hóa nhanh hơn
• Cải thiện hiệu suất chuyển đổi
• Sử dụng metanol và chất xúc tác hiệu quả hơn
• Giảm thời gian phản ứng
• Khả năng xử lý liên tục trên đường ống
• Dễ dàng mở rộng quy mô từ sản xuất thử nghiệm đến sản xuất công nghiệp

Đối với nguyên liệu UCO có hàm lượng FFA cao, siêu âm đặc biệt có lợi vì tăng cường cả bước este hóa có xúc tác axit và bước trao đổi este có xúc tác bazơ.

Từ UCO đến diesel sinh học: Tổng quan quy trình

Quá trình chuyển đổi dầu ăn đã qua sử dụng thành diesel sinh học thường bao gồm nhiều công đoạn. Thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất diesel sinh học của Hielscher có thể được tích hợp vào các thiết kế quy trình một bước hoặc hai bước tùy theo chất lượng nguyên liệu đầu vào.

Một quy trình chuyển đổi UCO thành diesel sinh học điển hình bao gồm:

• Thu gom và lưu trữ dầu ăn đã qua sử dụng
• Lọc để loại bỏ chất rắn và các hạt thực phẩm
• Sấy hoặc tách nước để giảm độ ẩm
• Phân tích FFA để xác định lộ trình phản ứng cần thiết
• Este hóa axit béo tự do khi hàm lượng FFA cao
• Trao đổi este với metanol để tạo thành metyl este
• Tách diesel sinh học và glycerol
• Rửa hoặc tinh chế khô diesel sinh học
• Tinh chế lần cuối để đạt các chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu

Khi hàm lượng FFA cao, bước tiền xử lý bằng este hóa thường được sử dụng để chuyển đổi axit béo tự do thành este trước bước trao đổi este chính. Xử lý bằng siêu âm có thể đẩy nhanh cả hai giai đoạn và cải thiện năng suất tổng thể của nhà máy. Đọc thêm về quá trình chuyển đổi hai giai đoạn để sản xuất diesel sinh học có hỗ trợ siêu âm!

Vì sao các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher rất phù hợp để sản xuất diesel sinh học UCOME

Các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher được thiết kế để xử lý chất lỏng trong công nghiệp và đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng sản xuất diesel sinh học mà quá trình trộn lỏng–lỏng chi phối tốc độ phản ứng. Thay vì chỉ phụ thuộc vào việc khuấy trộn toàn khối, siêu âm tạo ra năng lượng cục bộ mạnh mẽ ngay tại nơi cần thiết.
Điều này mang lại cho nhà sản xuất nhiều lợi ích thiết thực.

• Trộn dầu và methanol vượt trội
  Một trong những hạn chế chính trong sản xuất diesel sinh học là khả năng hòa trộn kém giữa dầu và methanol. Các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher tạo ra nhũ tương rất mịn, giúp cải thiện đáng kể sự tiếp xúc giữa các chất phản ứng. Tiếp xúc tốt hơn đồng nghĩa với động học phản ứng nhanh hơn và mức độ chuyển hóa cao hơn.
• Hiệu suất cao với nguyên liệu khó xử lý
  UCO không phải là nguyên liệu đồng nhất. Hàm lượng nước, hàm lượng FFA và lượng tạp chất có thể thay đổi giữa các mẻ. Các thiết bị phản ứng Hielscher giúp bù đắp những biến động này bằng cách tăng cường môi trường phản ứng, giúp quá trình vận hành ổn định hơn và có khả năng thích ứng tốt hơn.
• Thời gian lưu ngắn hơn
  Vì siêu âm đẩy nhanh quá trình este hóa và trao đổi este, các nhà sản xuất thường có thể đạt mức độ chuyển hóa mục tiêu trong thời gian ngắn hơn so với các hệ thống khuấy thông thường. Điều này có thể giảm yêu cầu về thể tích thiết bị phản ứng và tăng năng suất xử lý.
• Vận hành liên tục trên dây chuyền
  Các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher dùng trong sản xuất diesel sinh học là lựa chọn lý tưởng cho quá trình xử lý liên tục. Cấu hình thiết bị phản ứng trên dây chuyền hỗ trợ sản xuất ở trạng thái ổn định với chất lượng có thể tái lập, mang lại giá trị lớn cho các nhà máy diesel sinh học thương mại.
• Mở rộng quy mô đơn giản
  Một ưu điểm lớn của công nghệ Hielscher là khả năng mở rộng quy mô tuyến tính. Các thông số quy trình được xác lập qua thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc ở quy mô thí điểm có thể được chuyển sang các hệ thống sản xuất lớn hơn với khả năng dự đoán tốt hơn. Điều này giảm rủi ro trong quá trình phát triển và đơn giản hóa việc lập kế hoạch mở rộng.
• Độ tin cậy trong công nghiệp
  Các hệ thống Hielscher được thiết kế để đáp ứng yêu cầu vận hành công nghiệp khắt khe. Đối với các nhà sản xuất diesel sinh học, điều này có nghĩa là hiệu suất thiết bị phản ứng đáng tin cậy, kết quả có thể tái lập và khả năng tương thích với các dây chuyền xử lý tự động.
• Sản xuất diesel sinh học theo ASTM D6751 và EN 14214
  Các nhà sản xuất diesel sinh học thương mại thường hướng tới các tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu như ASTM D6751 và EN 14214. Các tiêu chuẩn này quy định những đặc tính quan trọng, bao gồm hàm lượng este, độ nhớt, điểm chớp cháy, trị số axit, hàm lượng nước, độ ổn định oxy hóa, giới hạn tạp chất và hàm lượng glycerin.

 
Đọc về cách diesel sinh học được sản xuất bằng siêu âm hoạt động trong động cơ đốt trong diesel!

Các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher được sử dụng trong các quy trình sản xuất diesel sinh học được thiết kế để đạt chất lượng nhiên liệu phù hợp với ASTM D6751 và EN 14214. Trong nghiên cứu công bố năm 2020, Bastante-Saez và các đồng nghiệp đã chứng minh rằng diesel sinh học được sản xuất từ mỡ thải kebab bằng thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher cho hiệu suất thu metyl este axit béo (FAME) cao. FAME đạt mức cao hơn (97,42% w/w đối với mỡ gà và 96,98 đối với mỡ bò–cừu) so với ngưỡng tối thiểu được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu EN 14214 (tức là tối thiểu 96,5% w/w).

 

 

Sản xuất diesel sinh học quy mô nhỏ cho trang trại và người dùng ngoài lưới điện

Ở một số quốc gia hoặc khu vực, các quy định về diesel sinh học còn hạn chế hoặc không được thực thi đối với người dùng tư nhân quy mô nhỏ. Nông dân và chủ sở hữu thiết bị có thể sản xuất diesel sinh học với số lượng nhỏ hơn từ dầu ăn đã qua sử dụng để dùng tại chỗ cho máy kéo, máy phát điện, thiết bị sưởi hoặc các thiết bị nông nghiệp chạy bằng diesel khác.
Trong những trường hợp này, mục tiêu thường là thay thế nhiên liệu trong thực tế thay vì bán thương mại có chứng nhận. Các thiết bị phản ứng siêu âm dùng trong sản xuất diesel sinh học cũng có thể là lựa chọn hấp dẫn cho hình thức sản xuất phân tán này vì chúng mang lại:

• Thời gian phản ứng ngắn
• Chuyển hóa hiệu quả với thiết bị nhỏ gọn
• Khả năng thích ứng tốt với nguyên liệu dầu thải có đặc tính biến động
• Giảm sự phụ thuộc vào các bồn khuấy lớn
• Tiềm năng triển khai các hệ thống xử lý dạng mô-đun

Đồng thời, cần nêu rõ rằng biodiesel không đạt quy cách kỹ thuật có thể không phù hợp với tất cả các động cơ, có thể không đáp ứng các yêu cầu pháp lý tại địa phương và có thể gây ra các vấn đề về bảo quản, tính tương thích của vật liệu, khí thải hoặc bảo hành động cơ. Tại những nơi có tiêu chuẩn về biodiesel, nhiên liệu cần được kiểm nghiệm và sản xuất theo các tiêu chuẩn đó trước khi sử dụng trong các ứng dụng thuộc phạm vi quản lý hoặc phương tiện giao thông đường bộ.

 

 

Lợi ích kinh tế của việc sản xuất biodiesel từ UCO bằng siêu âm

Chi phí nguyên liệu là một trong những biến số lớn nhất trong bài toán kinh tế của biodiesel. Vì dầu ăn đã qua sử dụng thường có giá thấp hơn dầu thực vật tinh luyện, loại nguyên liệu này có tiềm năng tiết kiệm chi phí đáng kể. Tuy nhiên, khoản tiết kiệm này có thể mất đi nếu quá trình diễn ra chậm, sử dụng hóa chất kém hiệu quả hoặc không thể xử lý sự biến động của nguyên liệu.
Các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel của Hielscher giúp duy trì khả năng sinh lời bằng cách cải thiện hiệu quả phản ứng và năng suất nhà máy. Các lợi ích kinh tế tiềm năng bao gồm:

• Tận dụng tốt hơn nguồn nguyên liệu UCO chi phí thấp
• Tăng năng suất xử lý
• Giảm thời gian phản ứng
• Giảm nhu cầu năng lượng cho quá trình trộn so với các trường hợp khuấy trộn toàn khối kém hiệu quả
• Cải thiện tính ổn định của quá trình
• Dễ dàng tích hợp hơn vào dây chuyền sản xuất liên tục

Đối với các nhà sản xuất muốn mở rộng quy mô sản xuất biodiesel từ dầu thải, sự kết hợp giữa tính linh hoạt về nguyên liệu và khả năng tăng cường quá trình này có thể mang lại giá trị rất lớn.

Chuyển hóa hiệu quả UCO thành biodiesel UCOME bằng thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher!

Chuyển hóa dầu ăn đã qua sử dụng thành UCOME là một cách thông minh để tạo ra nhiên liệu tái tạo từ chất thải, đồng thời nâng cao tính bền vững và giảm chi phí nguyên liệu. Vì UCO thường khó xử lý hơn dầu nguyên sinh, công nghệ thiết bị phản ứng đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất biodiesel hiệu quả và đáng tin cậy.
Các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel của Hielscher tăng cường phản ứng giữa dầu và metanol thông qua quá trình trộn và truyền khối do hiện tượng xâm thực tạo ra. Nhờ đó, quá trình este hóa và trao đổi este diễn ra nhanh hơn, xử lý tốt hơn nguồn nguyên liệu UCO có đặc tính biến động và cho phép sản xuất biodiesel trực tiếp trong dòng chảy với khả năng mở rộng quy mô.
Đối với các nhà sản xuất thương mại, hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng trong các quy trình sản xuất biodiesel được thiết kế để tạo ra nhiên liệu đáp ứng ASTM D6751 và EN 14214. Đối với nông dân và người sử dụng quy mô nhỏ tại các quốc gia chưa có quy định về biodiesel, thiết bị phản ứng siêu âm cũng có thể hỗ trợ sản xuất lượng biodiesel nhỏ bằng hệ thống gọn nhẹ để sử dụng cho thiết bị tại địa phương, đồng thời cần nhận thức rằng nhiên liệu không đạt quy cách kỹ thuật phải được sử dụng thận trọng, phù hợp với các yêu cầu tại địa phương và tính tương thích của động cơ.
Nếu mục tiêu của bạn là sản xuất UCOME từ UCO một cách hiệu quả, các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel của Hielscher cung cấp một nền tảng công nghệ mạnh mẽ và có khả năng mở rộng quy mô cho quá trình sản xuất biodiesel hiện đại.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel của Hielscher:

Lưu lượng	Công suất
20 – 100L/hr	1kW
80 – 400L/hr	4x1kW
0,3 – 1,5m³/hr	4x4kW
2 – 10m³/hr	6x16kW
20 – 100m³/hr	62x16kW

Vì sao Hielscher là lựa chọn hàng đầu cho các nhà sản xuất biodiesel?

Hielscher được biết đến với công nghệ siêu âm công nghiệp được thiết kế cho các ứng dụng xử lý thực tế. Trong sản xuất biodiesel, các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher cung cấp một phương thức thiết thực để tăng cường quá trình chuyển hóa UCO, cải thiện việc trộn metanol với dầu và hỗ trợ sản xuất hiệu quả biodiesel từ dầu và mỡ thải.

Những lý do chính khiến các nhà sản xuất lựa chọn Hielscher bao gồm:

• Chuyên môn về siêu âm đã được kiểm chứng
• Thiết kế thiết bị phản ứng trực tiếp trong dòng chảy để sản xuất biodiesel liên tục
• Phù hợp cho quá trình este hóa và trao đổi este
• Lộ trình mở rộng quy mô vững chắc từ phòng thí nghiệm đến sản xuất
• Thiết bị bền bỉ cho môi trường công nghiệp
• Xử lý hiệu quả các nguyên liệu khó xử lý như dầu ăn đã qua sử dụng

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn cao nhất về chất lượng và thiết kế. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

---

---

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• J. Sáez-Bastante, M. Carmona-Cabello, S. Pinzi, M.P. Dorado (2020): Recycling of kebab restoration grease for bioenergy production through acoustic cavitation. Renewable Energy, Volume 155, 2020. 1147-1155.
• M. Maghami, S.M. Sadrameli, B. Ghobadian (2015): Production of biodiesel from fishmeal plant waste oil using ultrasonic and conventional methods. Applied Thermal Engineering, Volume 75,
  2015. 575-579.
• Veera Gnaneswar Gude, Georgene Elizabeth Grant (2013): Biodiesel from waste cooking oils via direct sonication. Applied Energy, Volume 109, 2013. 135-144.
• Medeiros, Eliane; Vieira, Bruno; Pereira, Cláudio; Nadaleti, Willian; Quadro, Maurizio; Andreazza, Robson (2019): Production of biodiesel using oil obtained from fish processing residue by conventional methods assisted by ultrasonic waves: Heating and stirring. Renewable Energy 2019.
• 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.
• Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).