Cavitatie als spelbreker bij de productie van biodiesel

Biodiesel wordt algemeen erkend als een groenere vervanger voor fossiele brandstoffen, maar het bereiken van goedkope, stabiele en zeer efficiënte productie is nog steeds een grote hindernis. Een van de meest veelbelovende factoren voor vooruitgang is cavitatie. De RAPTECH cavitatietechnologie genereert microscopisch kleine dampbellen die met grote intensiteit in elkaar klappen, waardoor plaatselijke verhitting, schuifkrachten en krachtige micromengeling ontstaan. Dit eenvoudige fysische mechanisme heeft het potentieel om elke fase van de biodieselproductie drastisch te verbeteren.

• Voorbehandeling: Ontgommen en conditioneren

Plantaardige oliën en dierlijke vetten bevatten gewoonlijk gommen, wassen en fosforverbindingen die moeten worden verwijderd voordat ze worden omgezet in biodiesel. Deze onzuiverheden verlagen de brandstofkwaliteit en beschadigen de katalysatoren verderop in het proces. Cavitatie zorgt voor extreme menging en hoogenergetische zones ("hot spots") die de gomstructuren verstoren en gebonden fosfor vrijmaken. Dit vermindert de afhankelijkheid van toegevoegde chemicaliën of enzymen, wat leidt tot een schonere, snellere en kostenefficiëntere voorbehandelingsfase. [ Jiang et al., 2013]

• Verestering van oliën met een hoog vetzuurgehalte

Grondstoffen zoals afgewerkte bak- en braadolie of dierlijke vetten zijn goedkoop en duurzaam, maar bevatten vaak een hoog gehalte aan vrije vetzuren. Normaal gesproken vereisen ze een complexe voorbehandeling, wat de kosten verhoogt. Cavitatie versnelt de veresteringsreactie tussen FFA's en alcohol enorm, waardoor het FFA-gehalte binnen enkele minuten daalt. Dit maakt voorheen problematische of "laagwaardige" grondstoffen geschikt voor biodiesel, wat de weg vrijmaakt voor grootschalig hergebruik van afvalvetten. [ Supardan et al., 2012]

• Transesterificatie: De kernreactie

De kern van biodieselproductie is de omestering van triglyceriden in vetzuurmethylesters (FAME) en glycerol. Traditionele roertankmethoden nemen uren in beslag, gebruiken een overmaat aan methanol en katalysator en vereisen grote apparatuur. Cavitatie verbetert de massaoverdracht en menging, waardoor de reactietijd wordt teruggebracht tot slechts enkele minuten. Het minimaliseert ook het chemicaliënverbruik en maakt kleinere, continue stroomreactoren mogelijk, die de kosten verlagen, de schaalvergroting vereenvoudigen en de procesefficiëntie verbeteren. [ Ghayal et al., 2013; Supardan et al., 2012]

• Scheiding en zuivering

Nadat de reactie is voltooid, moet biodiesel worden gescheiden van glycerol en residuen. Standaardmethoden genereren vaak hardnekkige emulsies die de zuivering vertragen. Cavitatie vermindert nevenreacties, zeepvorming en emulsiestabiliteit, wat resulteert in een veel schonere scheiding. Dit verkort de zuiveringstijd, verlaagt het gebruik van hulpbronnen en levert biodiesel van hogere kwaliteit. [ Rathod et al., 2017]

Schema van een hydrodynamische cavitatiereactor, aangepast van Rathod et al,2017

• Opslag en stabiliteitZelfs

nadat biodiesel geproduceerd is, kan het te maken krijgen met problemen als scheiding van kleine componenten, instabiliteit en ongelijkmatige verbranding. Cavitatie biedt een puur fysieke manier om opgeslagen brandstof opnieuw te homogeniseren. Door te zorgen voor een dispersie op nanoschaal en een sterke micromengeling verbetert het de stabiliteit van het mengsel, verbetert het de verstuiving en vermindert het de hoeveelheid onverbrande koolwaterstoffen en deeltjes tijdens het gebruik van de motor. Onderzoek heeft aangetoond dat cavitatiebehandeling bijdraagt aan een meer uniforme brandstof en schonere verbranding. [Dziza et al., 2012]

Conclusie

Door cavitatietechnologie te integreren kunnen biodieselproducenten een hogere opbrengst, een grotere flexibiliteit van de grondstof, lagere productiekosten en een betere brandstofstabiliteit op lange termijn bereiken. Cavitatie is niet zozeer een incrementele verbetering van de efficiëntie, maar betekent een stap voorwaarts in de verwerking van biodiesel, waardoor hernieuwbare brandstoffen concurrerender, schaalbaarder en duurzamer worden voor de toekomst.

Auteur: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH

Geselecteerde referenties

• Ghayal, D., Pandit, A. B., Rathod, V. K. (2013). Optimalisatie van biodieselproductie in een hydrodynamische cavitatiereactor met behulp van gebruikte frituurolie.
• Ultrasonics Sonochemistry.
• Rathod, V. K., et al. (2017).
• Productie en zuivering van biodiesel uit afgewerkte frituurolie met behulp van hydrodynamische cavitatie.
• Supardan et al. (2012) "Biodiesel Production from Waste Cooking Oil Using Hydrodynamic Cavitation," Makara Journal of Technology: Vol. 16: Iss.
• 2, Artikel 10.
• Jiang, L., et al. (2013). Ultrasone enzymatische ontgassing van raapzaadolie.
• Ultrasonics Sonochemistry.
• Dziza, M., & Prusakiewicz, P. (2012). The influences of ultrasonic irradiation process on the oxidation stability of RME biodiesel blends. Research Journal of Agricultural Science, 44(1), 280-284.