Ultrasound-assisted biodiesel production
Producción de biodiesel asistida por ultrasonidos
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Author
Sáez Bastante, Javier
Director/es
Dorado, M.P.Pinzi, Sara
Publisher
Universidad de Córdoba, UCOPressDate
2015Subject
Combustibles fósilesFossil fuel
Biodiesel
Reacción de Transesterificación
Transesterification requires
Ultrasounds
Ultrasonidos
Ahorro de energía
Energy saving
METS:
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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.