Βιώσιμη παραγωγή χημικών ουσιών προστιθέμενης αξίας από γλυκερόλη βιοντίζελ
Η βιομηχανία βιοντίζελ αναπτύσσεται σημαντικά σε όλο τον κόσμο και δεδομένων των αυξανόμενων απαιτήσεων για ανανεώσιμες πηγές ντίζελ, αναμένεται περαιτέρω ανάπτυξη. Σε σύγκριση με το ορυκτό ντίζελ, το βιοντίζελ προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα, όπως βιοδιασπασιμότητα, μη τοξικό, καθώς και ασφαλή αποθήκευση και χειρισμό. Επιπλέον, η καύση του συνδέεται με σημαντικά μειωμένες εκπομπές ρύπων.
Μαζί με το βιοντίζελ, γνωστό και ως αλκυλεστέρες λιπαρών οξέων μακράς αλυσίδας (C14-C24), παράγεται επίσης μεγάλη ποσότητα γλυκερίνης ως υποπροϊόν, που τυπικά αντιστοιχεί στο 10% του συνολικού όγκου παραγωγής. Εάν δεν αντιμετωπιστεί σωστά ή, με καλύτερα λόγια, εάν καταλήξει ως απόβλητο, μια τέτοια τεράστια ροή οργανικών αποβλήτων θα μπορούσε σε κάποιο βαθμό να θέσει σε κίνδυνο τη φιλική προς το περιβάλλον φύση της όλης διαδικασίας. Υπό αυτό το πρίσμα, καταβλήθηκαν προσπάθειες για τη μετατροπή της γλυκερίνης βιοντίζελ σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας, όχι μόνο για την αντιμετώπιση της προαναφερθείσας πρόκλησης αλλά και για την ενίσχυση της οικονομικής βιωσιμότητας της διαδικασίας.
Μεταξύ των προϊόντων προστιθέμενης αξίας, η οξική γλυκερόλη (επίσης γνωστή ως ακετίνες) έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των ποικίλων βιομηχανικών εφαρμογών της (όπως κρυογονικά, καλλυντικά και πρόσθετα καυσίμων) και παράγεται μέσω της εστεροποίησης της γλυκερίνης με οξικό. Αυτή η αντίδραση είναι αναστρέψιμη και πολλαπλών σταδίων και ένας αριθμός παραγόντων όπως οι υψηλότερες θερμοκρασίες αντίδρασης και οι μοριακές αναλογίες οξικού οξέος προς γλυκερίνη θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε υψηλότερες αποδόσεις του προϊόντος, δηλ. ακετίνες. Ωστόσο, οι συνθήκες που οδηγούν σε υψηλότερες αποδόσεις δεν είναι απαραιτήτως οι πιο φιλικές προς το περιβάλλον, οι πιο αποδοτικές ως προς τους πόρους και οι πιο οικονομικές. Ευτυχώς, μέσω της εφαρμογής προηγμένων μηχανικών εργαλείων, όπως η εξεργειακή ανάλυση, αυτό το μειονέκτημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί σε μεγάλο βαθμό. Με καλύτερα λόγια, οι πτυχές της μη αναστρεψιμότητας των διαδικασιών μετατροπής ενέργειας και υλικών μπορούν να εντοπιστούν και να ποσοτικοποιηθούν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας την ανάλυση εξεργίας.
Σε μια πρόσφατα δημοσιευμένη εργασία, πραγματοποιήσαμε μια λεπτομερή ανάλυση εξεργίας ενός συνεχούς αντιδραστήρα που αναπτύξαμε για την αξιοποίηση της γλυκερίνης μέσω εστεροποίησης με οξικό οξύ. Όλες οι ασκητικές αναλύσεις βασίστηκαν στα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν. Χρησιμοποιήσαμε επίσης τη μεθοδολογία επιφάνειας απόκρισης (RSM) για την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων για τρεις κύριες εξεργετικές παραμέτρους, δηλαδή κανονικοποιημένη καταστροφή εξεργίας, καθολική ενεργητική απόδοση και λειτουργική ενεργητική απόδοση με βάση τέσσερις ανεξάρτητες μεταβλητές, όπως ο ρυθμός ροής τροφοδοσίας, ο μοριακός λόγος οξικού οξέος προς γλυκερόλη, η θερμοκρασία αντίδρασης και πίεση. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε τα αναπτυγμένα μοντέλα για να βελτιστοποιήσουμε τις συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα μεγιστοποιώντας την καθολική και λειτουργική ενεργειακή απόδοση και ελαχιστοποιώντας την κανονικοποιημένη καταστροφή εξεργίας. Ελήφθησαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα τα οποία συνοψίζονται εδώ.
Πιο συγκεκριμένα, η κανονικοποιημένη καταστροφή εξεργίας της διεργασίας μειώθηκε σημαντικά αυξάνοντας τον ρυθμό ροής τροφοδοσίας. Αντίθετα, η αύξηση τόσο της μοριακής αναλογίας οξικού οξέος προς γλυκερίνη όσο και της θερμοκρασίας αντίδρασης οδήγησε σε αυξημένη κανονικοποιημένη καταστροφή εξεργίας της διαδικασίας. Στην περίπτωση της καθολικής ενεργητικής αποτελεσματικότητας της διεργασίας, αυτή η παράμετρος αυξήθηκε με αύξηση του ρυθμού ροής τροφοδοσίας, ενώ παρατηρήθηκε αρνητική συσχέτιση μεταξύ αυτού του δείκτη και της μοριακής αναλογίας οξικού οξέος προς γλυκερίνη και της θερμοκρασίας αντίδρασης. Η λειτουργική ενεργητική αποτελεσματικότητα της διαδικασίας μειώθηκε ανυψώνοντας και τις τέσσερις ανεξάρτητες παραμέτρους που αναφέρονται παραπάνω.
Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι το RSM μπορούσε να προβλέψει επαρκώς τις παραμέτρους ενεργειακής απόδοσης του αντιδραστήρα (R> 0,98). Αντίστοιχα, οι πιο θερμοδυναμικά ευνοϊκές συνθήκες για εστεροποίηση γλυκερόλης με οξικό οξύ βρέθηκαν να είναι η θερμοκρασία αντίδρασης 117 °C, ο ρυθμός ροής τροφοδοσίας 0,6 mL/min, η μοριακή αναλογία οξικού οξέος προς γλυκερίνη 1,1 και πίεση 1 bar. Υπό αυτές τις συνθήκες, η κανονικοποιημένη καταστροφή εξεργίας, η καθολική εξεργητική απόδοση και η λειτουργική εξεργητική απόδοση ήταν 3,1, 37,5% και 20,8% αντίστοιχα.
Συνολικά και με βάση τα ευρήματα αυτής της μελέτης, συνιστάται ιδιαίτερα η χρήση της εξεργειακής ανάλυσης για τον εντοπισμό και τον ποσοτικό προσδιορισμό της εξάντλησης των πόρων που σχετίζεται με τις διαδικασίες παραγωγής χημικών από ανανεώσιμες πηγές. Επιπλέον, προκειμένου να επιτευχθούν οι πιο οικονομικές και φιλικές προς το περιβάλλον συνθήκες παραγωγής ανανεώσιμων χημικών ουσιών όπως οι ασετίνες, η μελλοντική έρευνα θα πρέπει επίσης να λάβει υπόψη τις οικονομικές και περιβαλλοντικές πτυχές χρησιμοποιώντας εξωοικονομικές και εξωπεριβαλλοντικές προσεγγίσεις.
Αυτά τα ευρήματα παρουσιάζονται και συζητούνται στο άρθρο με τίτλο Βελτιστοποίηση συνεχούς αντιδραστήρα βάσει ενέργειας που εφαρμόζεται για την παραγωγή χημικών προστιθέμενης αξίας από γλυκερίνη μέσω εστεροποίησης με οξικό οξύ, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Energy . Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν ο Mortaza Aghbashlo από το Πανεπιστήμιο της Τεχεράνης και ο Meisam Tabatabaei από την Ερευνητική Ομάδα Βιοκαυσίμων (BRTEam) /Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran (ABRII). Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε επίσης την Elena Valijanian από το ABRII καθώς και τους Hajar Rastegari και Hassan S. Ghaziaskar από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ισφαχάν.
* Πηγή:https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.02.151; Οι απαραίτητες άδειες έχουν αποκτηθεί από την Elsevier. Πνευματικά δικαιώματα 2018© Αριθμός άδειας:4324990009317.
