Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Mikroreaktor für die Biodieselherstellung mit überkritischem Methanol

  • Ansprechpartner:

    Rinke, Günter

  • Förderung:

    DBU

  • Starttermin: 2015
  • Endtermin:

    2017

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung  eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Biodiesel aus Altspeiseöl mit Hilfe von überkritischem Methanol (T > 240 °C, P > 80bar).

Projektbeschreibung

Die theoretischen Vorteile des Verfahrens liegen im Einsatz von kostengünstigeren Rohstoffen mit höherem Gehalt an freien Fettsäuren (FFA) , der Kombination von Umesterung und Veresterung in einem Reaktionsschritt und der Reduktion von möglichen Nebenprodukten. Dem gegenüber steht jedoch ein deutlich höherer Energieaufwand zum Erreichen der überkritischen Reaktionsvariablen. Dies soll durch die Nutzung mehrerer sich ergebender Vorteile des Verfahrens kompensiert werden, u. a. durch Einsatz der Mikroverfahrenstechnik und Energierückgewinnung.

Diese Forschungsarbeiten werden in Kooperation mit der Biowerk Sohland GmbH und Unterstützung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt durchgeführt.

Für die Versuche wurden verschiedene Rohstoffe von handelsüblichen Altspeisefetten, Rapsfettsäuren mit Gehalt an freien Fettsäuren bis 65 % und Mischprodukten als Nebenströme der klassischen Biodieselproduktion ausgewählt. Es wurden zwei elektrisch beheizte Mikroreaktoren entwickelt, die zum einen tolerant gegenüber den überkritischen Reaktionsbedingungen sind und im zweiten Schritt auch eine in-situ-Untersuchung der Reaktionen durch optische Methoden zulassen.

Öl und Methanol werden über HPLC-Pumpen gefördert, auf 100 bar gebracht und über einen Mischer in den Mikroreaktor geführt. Die folgende Abbildung zeigt einen Mikroreaktor mit 6 Saphir-Fenstern. Er besteht aus zwei Edelstahlplatten, wobei in die untere ein mäanderförmiger Mikrokanal gefräst wurde. Er hat eine Breite von 1,2 mm, eine Tiefe von 1,5 mm und eine Länge von 2000 mm. Beide Platten werden miteinander bei hoher Temperatur diffusionsverschweißt. Mit diesem Mikroreaktor wurde eine Umesterung und Veresterung von verschiedenen Rohstoffen durchgeführt und der Umsatz zunächst mittels offline-Analytik (GC) bestimmt.

Zusätzlich kann das Phasenverhalten im Mikroreaktor visuell mit einer Blitzlampe und CCD-Kamera beobachtet werden. Um auch in-situ die Konzentrationen der Edukte und Produkte im Mikroreaktor zu bestimmen, kann mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser in den Mikrokanal fokussiert und das entstehende Raman-Streulicht gemessen werden.   

Die Wirtschaftlichkeit des neuen Verfahrens wurde zum einen für einen autarken Prozess betrachtet als auch für ein integriertes Verfahren, bei dem Mischprodukte aus dem bestehenden Prozess oder zusätzliche Rohstoffe mit hohem Gehalt an freien Fettsäuren ergänzend eingesetzt werden können. Nach dem aktuellen Stand lässt das integrierte Verfahren eine wirtschaftliche Produktion von Biodiesel aus Altspeiseölen mit hohem FFA-Gehalt erwarten.

Veröffentlichungen / Tagungsbeiträge:

 

New process to produce biodiesel of waste cooking oil with supercritical methanol in a microreactor,

G. Rinke, J. Kiehl, F. Rinkewitz, R. Dittmeyer, C. Protze, H. Holpe. 2nd Green & Sustainable Chemistry Conference, 14. – 17. Mai 2017, Berlin

 

Influence of hydrodynamics on reaction progress of CO2 absorption in caustic soda in Taylor flow regime in microchannels by means of spatially and temporally resolved in-situ laser Raman spectroscopy,

D. Schurr, D. Rieder, G. Rinke, R. Dittmeyer, 10th World Congress of Chemical Engineering, Barcelona, Spain, 1st - 5th October, 2017

 

Spektroskopische in-situ-Messtechniken und Anwendungen in der Mikroverfahrenstechnik

G. Rinke, D. Schurr, R. Dittmeyer.,Colloquium of Optical Spectrometry (COSP) 2017,Berlin, 27th to 29th November 2017

 

Characterization of a Raman spectroscopy and holographic system for gas-liquid flows in microchannels

D. Schurr, J. Guhathakurta, S. Simon, G. Rinke, R. Dittmeyer, Chemical Engineering & Technology 2017, 40(8), 1400–1407

 

Simultaneous in situ characterisation of bubble dynamics and a spatially resolved concentration profile: a combined Mach–Zehnder holography and confocal Raman-spectroscopy sensor system,

J. Guhathakurta, D. Schurr, G. Rinke, R. Dittmeyer, S. Simon,  J. Sens. Sens. Syst. 2017, 6, 223-236

 

Laser-spektroskopische Methoden zur Konzentrationsbestimmung unter Prozessbedingungen

G. Rinke, D. Schurr, R. Dittmeyer., Jahrestreffen Reaktionstechnik, Würzburg, 2.-4. Mai 2016

 

Application of spatially resolved in-situ laser Raman spectroscopy to measure the concentration in the liquid slugs of Taylor flows

D. Schurr, G. Rinke,R. Dittmeyer.,14th International Conference on MicroReaction Technology, Sept. 12-14, 2016, Beijing, China

Local concentration measurements in the wake of bubbles based on in-situ Raman spectroscopy and statistical analysis

D. Schurr, J. Guhathakurta, Y. Baroud, S. Simon, G. Rinke, R. Dittmeyer., 9th International Conference on Multiphase Flow, May 22nd –27th 2016, Firenze, Italy

 

Mikroreaktor Biodiesel aus Altspeisefetten mit überkritischem Methanol

Franz-Georg ElpersDeutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Pressestelle, 15.05.2015, idw-online.de/de/news631084

 

Biodiesel aus Altspeiseöl. Kommt Biodiesel bald aus dem Mikroreaktor?

M.A. Manja Wühr (Redakteur), Process Chemie Pharma Verfahrenstechnik (online Magazin), 19.05.15, www.process.vogel.de/kommt-biodiesel-bald-aus-dem-mikroreaktor-a-489697/

 

In-situ Messung von Konzentrationen in Mikroreaktoren unter Prozessbedingungen mit Laser-Raman-Spektroskopie

G. Rinke, D. Schurr, R. Dittmeyer, Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mikroverfahrenstechnik, Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Mikroverfahrenstechnik, DECHEMA, 14.9.2015, Frankfurt, www.dechema.de/mikro2015.html