Ultrasoon geassisteerde bereiding van biodieselproducten uit plantaardige oliën
Summary
Een veilige ultrasone omesteringsmethode voor plantaardige oliën met behulp van een alkalische katalysator wordt hier gepresenteerd. De methode is snel en efficiënt voor het bereiden van zuivere biodieselproducten.
Abstract
Door gebruik te maken van plantaardige olie als duurzame grondstof, presenteert deze studie een innovatieve benadering van ultrasone geassisteerde omestering voor biodieselsynthese. Deze alkaline-gekatalyseerde procedure maakt gebruik van ultrageluid als een krachtige energie-input, waardoor de snelle omzetting van extra vierge olijfolie in biodiesel wordt vergemakkelijkt. In deze demonstratie wordt de reactie gedurende 15 minuten in een ultrasoon bad onder omgevingsomstandigheden uitgevoerd, waarbij een molaire verhouding van 1:6 extra vierge olijfolie tot methanol en een minimale hoeveelheid KOH als katalysator nodig is. De fysiochemische eigenschappen van biodiesel worden ook gerapporteerd. Deze methode benadrukt de opmerkelijke voordelen van ultrasone geassisteerde omestering en vertoont opmerkelijke verminderingen van de reactie- en scheidingstijden, waardoor een bijna perfecte zuiverheid (~100%), hoge opbrengsten en een verwaarloosbare afvalproductie worden bereikt. Belangrijk is dat deze voordelen worden bereikt binnen een kader dat prioriteit geeft aan veiligheid en ecologische duurzaamheid. Deze overtuigende bevindingen onderstrepen de effectiviteit van deze aanpak bij het omzetten van plantaardige olie in biodiesel, waardoor het wordt gepositioneerd als een haalbare optie voor zowel onderzoek als praktische toepassingen.
Introduction
Biodiesel, afgeleid van gewone, plantaardige oliën en vetten, komt naar voren als een duurzame oplossing om de afhankelijkheid van aardolie teverminderen. Deze hernieuwbare vervanger toont een verminderde uitstoot van broeikasgassen, met name kooldioxide, terwijl het vertrouwt op duurzame hulpbronnen. Bovendien biedt biodiesel duidelijke voordelen ten opzichte van petroleumdiesel, gekenmerkt door zijn zwavelvrije samenstelling, niet-toxische aard en biologische afbreekbaarheid. Als alternatief voor conventionele fossiele brandstoffen sluit biodiesel aan bij het Net Zero-beleid van de Verenigde Naties (VN) door onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen te verminderen en de nadelige effecten van klimaatverandering te verzachten. Biodiesel biedt een veelbelovende weg om aan de huidige energiebehoeften te voldoen, waardoor het een krachtige keuze is voor een groenere toekomst2.
De overheersende methode die wordt gebruikt voor de productie van biodiesel is omestering, een chemisch proces waarbij triglyceriden in oliën en vetten reageren met een alcohol, meestal methanol of ethanol, in aanwezigheid van een katalysator onder verhoogde temperatuuromstandigheden 1,2,3,4. Deze reactie levert vetzuuralkylesters op, het hoofdbestanddeel van biodiesel. Verschillende soorten plantaardige oliën dienen als primaire grondstoffen voor de productie van biodiesel, waaronder zowel eetbare5 (bijv. extra vierge olijfolie en maïsolie) als niet-eetbare oliën 6,7,8 (bijv. kappertjeszaadolie), evenals afgewerkte olie9. Methanol wordt het meest gebruikt voor dit omesteringsproces, omdat het een relatief goedkope alcohol is. Bovendien kan een reeks katalysatoren zoals zwavelzuur, fosforzuur, kaliumhydroxide, natriumhydroxide of enzymen zoals lipase worden gebruikt om het omesteringsproces te versnellen 1,2,3,4. Traditioneel wordt het reactiemengsel gedurende langere perioden onder reflux verwarmd, meestal 30 minuten of langer. Verwarming is niet zo energiezuinig als ultrasoonbehandeling, terwijl het ook veiligheidsrisico’s met zich meebrengt5. Daarom is er behoefte aan een veiliger, sneller en energiezuiniger omesteringsproces.
Ultrasone bestraling komt naar voren als een superieur alternatief voor conventionele energiebronnen zoals warmte, licht en elektriciteit, voornamelijk vanwege het fenomeen van akoestische cavitatie10. Dit fenomeen, gekenmerkt door de vorming, uitzetting en gewelddadige ineenstorting van bellen, waardoor gelokaliseerde hotspots ontstaan met temperaturen tot ongeveer 5000 K en een druk van 1000 atm. Dergelijke extreme omstandigheden, in combinatie met snelle verwarmings- en afkoelsnelheden (meer dan 1010 K/s), leveren de energie die nodig is om een breed scala aan chemische reacties efficiënt te laten plaatsvinden bij kamertemperatuur, inclusief die welke voorheen onbereikbaar werden geacht met conventionele middelen10. Ultrasone synthese wint snel terrein in diverse onderzoeksgebieden. Met name de belangstelling voor ultrasone geassisteerde synthese in organische synthese en vastestofmaterialen wordt gedreven door het milieuvriendelijke karakter, de energie-efficiëntie en de verkorte reactietijden onder omgevingsomstandigheden 5,11,12,13,14,15,16 . Hier wordt een snelle en effectieve techniek geïntroduceerd voor veilige, ultrasoon geassisteerde omestering van plantaardige oliën met behulp van een alkalische katalysator, waardoor binnen een kort tijdsbestek zuivere biodieselproducten worden verkregen. Hoewel extra vierge olijfolie in deze studie als demonstratiemedium dient, is het absoluut noodzakelijk op te merken dat de ultrasone methode toepasbaar is op een spectrum van plantaardige oliën 5,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze demonstratie wordt een ultrasoon geassisteerde methode voor de productie van biodiesel op basis van elektriciteit toegelicht voor een optimale werkzaamheid. Voor een optimaal resultaat moet de centrifugebuis in een bekerglas met water worden geplaatst en vervolgens moet het bekerglas in het ultrasoonbad worden geplaatst. Deze ondergedompelde configuratie garandeert een grondige blootstelling van het reactiemengsel aan de ultrasone behandeling, waardoor de effectiviteit ervan wordt gemaximaliseerd. Indien gewenst …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk werd ondersteund door het start-upfonds van Author YL en de Pedagogy Enhancement Award (PEA) aan de California State University, Sacramento.
Materials
| Chloroform-d | Fisher Scientific | 865-49-6 | • Harmful if swallowed. • Causes skin irritation. • Causes serious eye irritation. • Toxic if inhaled. • Suspected of causing cancer. • Suspected of damaging fertility or the unborn child. • Causes damage to organs through prolonged or repeated exposure |
| Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic | Branson | 89375-492 | |
| Methanol | Fisher Scientific Company | 67-56-1 | Highly flammable liquid and vapor. Toxic if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes damage to organs (Eyes). |
| Potassium hydroxide | Fisher Scientific Company | 1310-58-3 | May be corrosive to metals. Harmful if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. Causes serious eye damage |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | Not hazardous |
| Vegetable oils | A commonly consumed food with a long history of safe use in pesticides. |
References
- Mishra, V. K., Goswami, R. A review of production, properties and advantages of biodiesel. Biofuels. 9 (2), 273-289 (2018).
- Talha, N. S., Sulaiman, S. Overview of catalysts in biodiesel production. ARPN J Eng Appl Sci. 11 (1), 439-442 (2016).
- Kalita, P., Basumatary, B., Saikia, P., Das, B., Basumatary, S. Biodiesel as renewable biofuel produced via enzyme-based catalyzed transesterification. Ener Nex. 6, 100087 (2022).
- Norjannah, B., Ong, H. C., Masjuki, H. H., Juan, J. C., Chong, W. T. Enzymatic transesterification for biodiesel production: A comprehensive review. RSC Adv. 6 (65), 60034-60055 (2016).
- Wang, X., Chrzanowski, M., Liu, Y. Ultrasonic-assisted transesterification: A green miniscale organic laboratory experiment. J Chem Edu. 97 (4), 1123-1127 (2020).
- Duarte, M. P., Hamilton, A., Naccache, R. . Biomass to bioenergy. , (2024).
- Munir, M., et al. Biodiesel production from novel non-edible caper (Capparis L.) seeds oil employing Cu-Ni doped ZrO2 catalyst. Renew Sus Ener Rev. 138, 110558 (2021).
- Munir, M., et al. Cleaner production of biodiesel from novel non-edible seed oil (Carthamus lanatus L.) via highly reactive and recyclable green nano CoWO3@rGO composite in context of green energy adaptation. Fuel. 332, 126265 (2023).
- Rocha-Meneses, L., et al. Recent advances on biodiesel production from waste cooking oil (WCO): A review of reactors, catalysts, and optimization techniques impacting the production. Fuel. 348, 128514 (2023).
- Suslick, K. S., Nyborg, W. L. Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects. J Acoust Soc Am. 87, 919-920 (1990).
- Afreen, S., Muthoosamy, K., Manickam, S. Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrason Sonochem. 51, 451-461 (2019).
- Babu, S. G., Neppolian, B., Ashokkumar, M. Ultrasound-assisted synthesis of nanoparticles for energy and environmental applications. Handbook Ultrason Sonochem. 2, 1-34 (2015).
- Banerjee, B. Recent developments on ultrasound assisted catalyst-free organic synthesis. Ultrason Sonochem. 35, 1-14 (2017).
- Bang, J. H., Suslick, K. S. Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials. Adv Mater. 22 (10), 1039-1059 (2010).
- Kaur, N. Ultrasound-assisted green synthesis of five-membered O- and S-heterocycles. Syn Comm. 48 (14), 1715-1738 (2018).
- Liu, Y., Myers, E. J., Rydahl, S. A., Wang, X. Ultrasonic-assisted synthesis, characterization, and application of a metal-organic framework: A green general chemistry laboratory project. J Chem Edu. 96 (10), 2286-2291 (2019).
- Tan, S. X., Lim, S., Ong, H. C., Pang, Y. L. State of the art review on development of ultrasound-assisted catalytic transesterification process for biodiesel production. Fuel. 235, 886-907 (2019).
- Mahamuni, N. N., Adewuyi, Y. G. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) method to monitor soy biodiesel and soybean oil in transesterification reactions, petrodiesel− biodiesel blends, and blend adulteration with soy oil. Ener Fuels. 23 (7), 3773-3782 (2009).
- Castejón, D., Fricke, P., Cambero, M. I., Herrera, A. Automatic 1H-NMR screening of fatty acid composition in edible oils. Nutrients. 8 (2), 93 (2016).
- Doudin, K. I. Quantitative and qualitative analysis of biodiesel by NMR spectroscopic methods. Fuel. 284, 119114 (2021).
- Prat, D., et al. Chem21 selection guide of classical-and less classical-solvents. Green Chem. 18 (1), 288-296 (2016).
- Ameen, M., et al. Prospects of catalysis for process sustainability of eco-green biodiesel synthesis via transesterification: A state-of-the-art review. Sustainability. 14 (12), 7032 (2022).
- Malek, M. N. F. A., et al. Ultrasonication: A process intensification tool for methyl ester synthesis: A mini review. Biomass Conv Bioref. 13, 1457-1467 (2023).
