Ultrasound-assisted biodiesel production

Abstract

The continuous increase of fossil fuel prices has raised interest in searching for new forms of energy to power internal combustion engines. Among the most promising options is biodiesel. According to ASTM (American Society for Testing and Materials Standard) specifications, biodiesel is described as monoalkyl esters of long chain fatty acids derived from renewable lipids such as vegetable oils or animal fats used in ignition engines. The process leading to biodiesel is called transesterification and involves the reaction between two immiscible phases (triglycerides and short-chain alcohol). Transesterification requires both heating and vigorous stirring to provide sufficient mass transfer to achieve significant conversions that meet international biodiesel quality standards. This thesis focuses on assessing an alternative energy for biodiesel production, namely ultrasound than enhances mass transfer without the need of heating and stirring. It has been widely shown that the use of ultrasound implies energy and reaction parameters savings, i.e. reaction time and amount of catalyst. In the first chapter of this thesis, an assessment of global biodiesel production is performed with emphasis on the European, Spanish and Andalusian context, along with a description of the regulations governing biodiesel worldwide, with mention of the most important features. In the second chapter, a review about new technologies to enhance mass transfer, thus biodiesel production, is performed, evaluating both the advantages and disadvantages of each one with a particular emphasis on ultrasound. The third and fourth sections of this thesis assess ultrasound-assisted biodiesel synthesis by an ultrasonic probe in batch mode at a fixed frequency, with both edible and non-edible oils. Optimization of the conventional parameters of transesterification reaction (methanol-to-oil molar ratio and amount of catalyst) and physical characteristics of ultrasound (duty cycle and amplitude) is performed., Response surface method provides the optimum values of fatty acid methyl ester and glyceride concentration. In chapter 5, a two consecutive year agronomic study of the species Sinapis alba as futurible raw material for biodiesel production is performed. Two parameters are evaluated, namely nitrogen fertilizer dose and plant density. In addition, studies of conventional and sonicated transesterification are conducted to assess the convenience of using the crop as biodiesel raw material

El continuo incremento en los precios de los combustibles fósiles ha suscitado el interés de investigar nuevas formas de energía para alimentar los motores de combustión interna. Una de las opciones más prometedoras es el biodiésel, que según la especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard) se describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales que se emplean en motores de ignición. El proceso que da lugar al biodiésel se denomina reacción de transesterificación e implica la reacción entre dos fases inmiscibles (los triglicéridos y un alcohol de cadena corta). Este fenómeno es altamente dependiente de una adecuada transferencia de masa, lo que hace que se requiera calentamiento y agitación vigorosa, con tiempos de reacción relativamente altos, para llegar a conversiones que cumplan con las especificaciones que se recogen en los estándares internacionales de calidad del biodiésel. La presente tesis doctoral se centra en evaluar una energía alternativa que garantiza una transferencia de masa apropiada para la producción del biodiésel: los ultrasonidos. Se ha demostrado que el uso de los ultrasonidos supone un ahorro en energía y en parámetros de reacción como la duración y la cantidad de catalizador. En el primer capítulo de la tesis se realiza una evaluación sobre la producción mundial de biodiésel, haciendo un mayor énfasis en los contextos europeo, español y andaluz, además de una descripción de las normativas que regulan el biodiésel a nivel mundial, incidiendo en las características más importantes. En el segundo capítulo se realiza una revisión sobre nuevas tecnologías que mejoran la transferencia de masa, empleadas en la producción de biodiésel, evaluando tanto las ventajas como los inconvenientes de cada una de ellas, realizando un mayor hincapié en los ultrasonidos. El tercer y cuarto capítulos se centran en la producción de biodiésel asistida por ultrasonidos mediante una sonda ultrasónica en modo “batch” o lote, a una frecuencia fija, tanto de aceites comestibles como no comestibles, optimizando tanto los parámetros clásicos de la reacción de transesterificación (relación molar metanol:aceite y cantidad de catalizador) como las características físicas de los ultrasonidos (ciclo útil y amplitud). Mediante el método de superficie de respuesta se optimizan las concentraciones de los ésteres metílicos de ácidos grasos y de glicéridos. En el capítulo 5 se realiza un estudio agronómico de la especie Sinapis alba como futurible material de partida para la producción de biodiésel, evaluando dos parámetros: la dosis de nitrógeno fertilizante y la densidad de planta en un ensayo en campo de dos años consecutivos. Además, se incluyen estudios previos de transesterificación, tanto convencional como sonicada, para estudiar la conveniencia del empleo de dicho cultivo.