Verfahren zur Herstellung von Biodiesel durch Methanolveresterung mittels Ultraschall

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biodiesel durch Methanolveresterung mittels Ultraschall. Unter Verwendung verschiedener tierischer Abfallfette, Altspeiseölen aus der Gastronomie und Altspeiseölen als Rohstoffe beschleunigt das Verfahren die Methanolveresterung durch Kavitation, Erwärmung und hochfrequente Oszillationseffekte von Ultraschall zur Herstellung von Biodiesel. Zu den Vorteilen des Verfahrens gehört die Erhöhung der Aktivität der Reaktanten durch Anpassung der Ultraschallintensität und dadurch eine Verbesserung der Methanolumwandlungsrate; Verwendung verschiedener tierischer und pflanzlicher Abfallfette, Speiseölabfälle aus der Gastronomie und Speiseölabfälle als Rohstoffe, was zu niedrigen Kosten führt; und der Verzicht auf die Verwendung jeglichen Katalysators, wodurch eine Umweltverschmutzung vermieden wird, die durch die Handhabung des Katalysators verursacht wird. Es sind keine Änderungen oder Anpassungen an den bestehenden Biodiesel-Produktionsanlagen erforderlich, und während des Reaktionsprozesses sind keine Hochtemperatur- und Hochdruckanlagen erforderlich, was den Produktionsprozess vereinfacht und die Produktionskosten senkt.

Biodiesel ist ein neuartiger Kraftstoff, der aus tierischen und pflanzlichen Fetten hergestellt wird. Laut chemischer Analyse handelt es sich bei Biodiesel um ein Methan mit hohem Fettgehalt, das durch Zersetzung von Glyceriden mit ungesättigter Ölsäure C18 als Hauptbestandteil gewonnen wird. Im Vergleich zu herkömmlichem Diesel übertrifft Biodiesel herkömmlichen Diesel in Bezug auf den Verstopfungspunkt des Kaltfilters, den Flammpunkt, die Verbrennungseffizienz, den Schwefelgehalt, den Sauerstoffgehalt, den Verbrennungssauerstoffverbrauch und die Wasserverschmutzung, während andere Indikatoren vergleichbar sind. Aufgrund seiner beispiellosen Umweltleistung, seines hervorragenden Motorstartverhaltens bei niedrigen Temperaturen, seiner hervorragenden Schmierfähigkeit, Sicherheit, Kraftstoffeffizienz und seines erneuerbaren Charakters erfüllen mit Biodiesel betriebene Motoren nicht nur die aktuelle Abgasnorm Euro II, sondern auch die strengeren Euro III-Normen, die bald in Europa eingeführt werden. Da Biodiesel außerdem weit weniger Kohlendioxid ausstößt, als Pflanzen und Tiere während ihres Wachstums aufnehmen, trägt er zur globalen Erwärmung bei, einem großen Umweltproblem, das für die Menschheit schädlich ist. Daher ist Biodiesel ein wirklich umweltfreundlicher Diesel. In mehreren Ländern und Regionen in den Vereinigten Staaten, Europa und Asien wurden kommerzielle Biodiesel-Produktionsstandorte eingerichtet, und Biodiesel wird häufig als alternativer Kraftstoff verwendet.

Zu den gängigen Methoden zur Herstellung von Biodiesel gehören:

1. Pyrolyse: Diese Methode verwendet hohe Temperaturen, um die langkettigen Moleküle tierischer und pflanzlicher Öle in kürzere Moleküle aufzuspalten und so hochmolekulare organische Stoffe in relativ einfache Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Die Crackprodukte ähneln denen von herkömmlichem Diesel. Allerdings ist der Pyrolyseprozess komplex und erfordert sperrige Ausrüstung, was zu hohen Produktionskosten und einer begrenzten Kommerzialisierung führt.

2. Umesterung: Dies ist derzeit die am häufigsten verwendete Methode. Unter sauren (oder alkalischen) Katalysatoren und hohen Temperaturen (230–250 °C) gehen Alkohole wie Methanol oder Ethanol eine Umesterungsreaktion mit Triglyceriden ein, den Hauptbestandteilen natürlicher Pflanzenöle oder tierischer Fette. Methoxygruppen ersetzen Glycerylgruppen an langkettigen Fettsäuren, verringern die Viskosität des Öls und verbessern seine Fließfähigkeit und Verdampfungseigenschaften, wodurch die Anforderungen für die Verwendung als Kraftstoff erfüllt werden. Es bestehen jedoch folgende Nachteile: 

① Der saure (oder basische) Katalysator lässt sich nur schwer zurückgewinnen; 

② Der Gehalt an freien Fettsäuren und Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf die katalytische Reaktion der Säure (oder Base). 

③ Der Prozess ist komplex, erfordert einen Überschuss an Alkohol, erfordert in nachfolgenden Prozessen Geräte zur Alkoholrückgewinnung und führt zu einem hohen Energieverbrauch; 

④ Die Farbe ist dunkel, da ungesättigte Fettsäuren in Fetten bei hohen Temperaturen anfällig für Zersetzung sind; 

⑤ Das Veresterungsprodukt ist schwer zurückzugewinnen, was zu hohen Kosten führt; und ⑥ Der Produktionsprozess beinhaltet die Entsorgung von alkalischer Abfallflüssigkeit.

3. Überkritische Methanolveresterung ohne Katalysator: Bei dieser Methode wird Biodiesel durch einen katalysatorfreien Methanolveresterungsprozess bei einer überkritischen Temperatur von 350–400 °C und einem Druck von 45–65 MPa hergestellt. Während diese Methode die Schwierigkeit bei der Trennung der Produkte der herkömmlichen Umesterungsreaktion vereinfacht und die lange Reaktionszeit im Zusammenhang mit der herkömmlichen katalysatorfreien Methanolveresterung berücksichtigt, ist sie komplex, erfordert sperrige Ausrüstung und führt zu hohen Produktionskosten.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Mängel der oben genannten Verfahren zur Herstellung von Biodiesel nach dem Stand der Technik zu überwinden und dadurch ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Biodiesel durch Methanolveresterung unter Verwendung von Ultraschall bereitzustellen, das den Einsatz von Katalysatoren und organischen Lösungsmitteln überflüssig macht und eine hohe Methanolumwandlungsrate erreicht. 

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Biodiesel durch Methanolveresterung unter Verwendung von Ultraschall bereit. Das Verfahren nutzt verschiedene tierische Abfallfette, Altspeiseöle aus der Gastronomie und Altspeiseöl als Rohstoffe. Ultraschallkavitation, Erwärmung und Hochfrequenzoszillation beschleunigen die Methanolveresterung zur Herstellung von Biodiesel. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

1) Methanol und Rohöl werden in einem Molverhältnis von 20 bis 50:1 gemischt und eine Esteraustauschreaktion wird bei 40 °C bis 64 °C, einer Rührgeschwindigkeit von 1500 bis 2000 U/min, einer Ultraschallleistung von 2 kW bis 10 kW und einer Ultraschallfrequenz von 20 bis 60 kHz für nicht mehr als 2 Stunden durchgeführt.

Zu den Rohölen zählen verschiedene tierische Abfallfette, Altspeiseöle aus der Gastronomie und Altspeiseöle.

2) Die gemischte Lösung wird nach der Reaktion mindestens 8 Stunden lang stehen gelassen, sodass sich die gemischte Lösung in Schichten aufteilen und das Glycerin in der unteren Schicht abtrennen kann.

3) Die obere Schicht der gemischten Lösung wird bei 70 bis 100 °C destilliert, bis das gesamte Methanol zurückgewonnen ist. Das verbleibende Destillat ist der Biodiesel. Das hier bereitgestellte Verfahren zur Herstellung von Biodiesel durch Methanolveresterung unter Verwendung von Ultraschall nutzt die Kavitations-, Erwärmungs- und Hochfrequenzoszillationseffekte von Ultraschall während des Biodieselproduktionsprozesses. Mikroskopisch kleine Gaskeime (Kavitationskeime), die in der Methanol- und Rohölmischung vorhanden sind, durchlaufen unter dem Einfluss des Ultraschallfelds einen dynamischen Prozess aus hochfrequenter Vibration, Wachstum sowie Kollaps und Verschluss. Wenn die Kavitationsblasen kollabieren, erzeugen sie in dem sie umgebenden extrem kleinen Raum innerhalb kürzester Zeit lokal hohe Temperaturen und hohen Druck. Die hohe Temperatur erhöht die Aktivität der Reaktanten und fördert so die Bildung freier Radikale und das Auftreten von Crackreaktionen; Der hohe Druck erzeugt Stoßwellen und Mikrostrahlen, die zu intensiven Kollisionen zwischen Molekülen führen und dadurch die vollständige chemische Reaktion der Methanolveresterung zur Herstellung von Biodiesel beschleunigen. 

Im Vergleich zu bestehenden Technologien sind die Vorteile des durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Verfahrens:

1) Durch die Anpassung der vom Ultraschalloszillator erzeugten Ultraschallintensität wird die Aktivität der Reaktanten erhöht, wodurch die Bildung freier Radikale und das Auftreten von Crackreaktionen in den Reaktanten gefördert wird. Dadurch entstehen auch starke Kollisionen zwischen den Reaktantenmolekülen, wodurch die Methanolveresterung beschleunigt und die Methanolumwandlungsrate verbessert wird.

2) Die vorliegende Erfindung kann verschiedene tierische und pflanzliche Abfallöle, Speiseölabfälle aus der Gastronomie und Altöl wie Dachrinnenöl als Ausgangsmaterial verwenden, was zu niedrigen Kosten führt.

3) Die vorliegende Erfindung verwendet keine Katalysatoren und vermeidet somit eine Umweltverschmutzung, die durch die Handhabung des Katalysators verursacht wird.

4) Diese Methode erfordert keine Modifikation oder Anpassung bestehender Biodiesel-Produktionsanlagen und erfordert keine Hochtemperatur- und Hochdruckausrüstung während des Reaktionsprozesses, was den Produktionsprozess vereinfacht und die Produktionskosten senkt.