Intensification and optimization of biodiesel production using ultrasound-assisted acid-organo-catalysed transesterification process

The growing demand for sustainable and eco-friendly energy alternatives has positioned biodiesel as a promising renewable fuel. However, conventional biodiesel production methods face challenges such as high energy consumption, prolonged reaction times, and difficulties in processing feedstocks with high free fatty acid (FFA) content. This study explores the intensification and optimization of biodiesel production using an ultrasound-assisted acid-organo catalyzed transesterification process. Dodecylbenzene Sulfonic acid (DBSA), an organic acid catalyst, was utilized in combination with ultrasound irradiation to enhance reaction kinetics and improve biodiesel yield. A central composite design (CCD) within the response surface methodology (RSM) framework was employed to evaluate and optimize key reaction parameters, including reaction temperature, catalyst-to-oil molar ratio, and methanol-to-oil molar ratio. The biodiesel yield was analyzed using proton nuclear magnetic resonance (¹H NMR) spectroscopy, ensuring accurate quantification of conversion efficiency. The findings demonstrated that ultrasound significantly enhanced mass transfer and reduced reaction time compared to conventional stirring methods. The optimized reaction conditions resulted in a high biodiesel yield, with improved energy efficiency and reduced catalyst consumption. Statistical analysis confirmed the reliability of the developed quadratic model in predicting biodiesel conversion, with a high coefficient of determination (R²). Furthermore, this study highlights the potential of integrating ultrasound technology with organic acid catalysis as a cost-effective and scalable solution for biodiesel production. Overall, this research contributes to the advancement of biodiesel technology by offering an efficient and environmentally friendly approach to biodiesel synthesis. The integration of ultrasound-assisted transesterification with organic acid catalysts presents a viable pathway for sustainable fuel production, addressing key challenges in biodiesel manufacturing and supporting the transition toward greener energy sources.

La crescente domanda di alternative energetiche sostenibili ed ecocompatibili ha reso il biodiesel un promettente combustibile rinnovabile. Tuttavia, i metodi convenzionali di produzione del biodiesel presentano sfide significative, come l’elevato consumo energetico, i lunghi tempi di reazione e le difficoltà nel trattamento di materie prime con un alto contenuto di acidi grassi liberi (FFA). Questo studio esplora l'intensificazione e l'ottimizzazione della produzione di biodiesel utilizzando un processo di transesterificazione catalizzato da acido organico e assistito dagli ultrasuoni. L'acido dodecilbenzensolfonico (DBSA), un catalizzatore organico acido, è stato impiegato in combinazione con l'irradiazione ultrasonica per migliorare la cinetica della reazione e aumentare la resa del biodiesel. È stata utilizzata una progettazione composita centrale (CCD) nell'ambito della metodologia delle superfici di risposta (RSM) per valutare e ottimizzare i principali parametri di reazione, tra cui la temperatura di reazione, il rapporto molare catalizzatore-olio e il rapporto molare metanolo-olio. La resa del biodiesel è stata analizzata mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del protone (¹H NMR), garantendo una quantificazione accurata dell'efficienza di conversione. I risultati hanno dimostrato che l'uso degli ultrasuoni ha migliorato significativamente il trasferimento di massa e ridotto i tempi di reazione rispetto ai metodi di agitazione convenzionali. Le condizioni di reazione ottimizzate hanno portato a un'elevata resa del biodiesel, con una maggiore efficienza energetica e un ridotto consumo di catalizzatore. L'analisi statistica ha confermato l'affidabilità del modello quadratico sviluppato nella previsione della conversione del biodiesel, con un elevato coefficiente di determinazione (R²). Inoltre, questo studio evidenzia il potenziale dell’integrazione della tecnologia a ultrasuoni con catalizzatori acidi organici come soluzione economicamente vantaggiosa e scalabile per la produzione di biodiesel. In conclusione, questa ricerca contribuisce all’avanzamento della tecnologia del biodiesel, proponendo un approccio efficiente ed ecocompatibile alla sintesi del biodiesel. L'integrazione della transesterificazione assistita dagli ultrasuoni con catalizzatori acidi organici rappresenta una strategia promettente per una produzione di combustibili sostenibili, affrontando le principali sfide nella manifattura del biodiesel e supportando la transizione verso fonti di energia più ecologiche.