تطوير إنتاج الديزل الحيوي: ابتكار العمليات وتحسين المحفزات بقيادة شركة تري كيم

شهد إنتاج الديزل الحيوي تحولاً جذرياً مع انتقال صناعة الوقود المتجدد العالمية من الزيوت النباتية المكررة التقليدية إلى مواد أولية أكثر تعقيداً وتنوعاً وأقل تكلفة. وقد أدى التوسع في استخدام زيوت الطهي المستعملة، والزيوت الحمضية، والدهون الحيوانية، وشحوم المصائد، ومخلفات الدهون المختلطة إلى زيادة التحديات التقنية والفرص الاقتصادية المرتبطة بتصنيع الديزل الحيوي. توفر هذه المواد الأولية وفورات كبيرة في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وتتيح مسارات الاقتصاد الدائري التي تتماشى مع سياسات خفض الانبعاثات الكربونية الحديثة. مع ذلك، فإنها تُدخل أيضاً تقلبات في سلوك العملية، وأداء المحفزات، وعمليات الفصل اللاحقة. ونتيجة لذلك، أصبح الابتكار المنهجي في المعالجة المسبقة، والتحويل الإستري، واختيار المحفزات، وتكثيف العمليات، واستراتيجيات ضمان الجودة أمراً ضرورياً لاستقرار العمليات الصناعية.

برزت شركة Tree Chem كمورد تقني متخصص في المحفزات القائمة على البوتاسيوم، حيث تدمج خبرتها في التصنيع الكيميائي مع تحسين العمليات الهندسية. تُقدم هذه الورقة البحثية ملخصًا لأحدث الأبحاث الأكاديمية ودراسات الحالة الصناعية، بالإضافة إلى خبرة الشركة في دعم منتجي وقود الديزل الحيوي في مناطق متعددة. كما تُقدم منظورًا عصريًا يركز على الحلول لتحسين كفاءة إنتاج وقود الديزل الحيوي، لا سيما من خلال الانتقال من المحفزات القلوية التقليدية مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) إلى ميثوكسيد البوتاسيوم عالي الفعالية (KOMe).

1. مقدمة: تباين المواد الأولية وتأثيره على تصميم العملية

تُحدد جودة واتساق المواد الأولية لإنتاج الديزل الحيوي مدى تعقيد سلسلة الإنتاج بأكملها. فبينما تحتوي الزيوت النباتية المكررة عادةً على أقل من 0.51 من الأحماض الدهنية الحرة (FFA) مع نسبة رطوبة منخفضة وملوثات ضئيلة، قد تحتوي الزيوت المشتقة من النفايات على ما يلي:

• مستويات الأحماض الدهنية الحرة التي تتجاوز 10-30%
• تلوث المياه الناتج عن التحلل المائي أو التخزين غير السليم
• الدهون الثلاثية المبلمرة ونواتج التحلل التأكسدي
• محتوى عالٍ من المواد الصلبة والشوائب المعدنية
• الفوسفوليبيدات والصابون المتكونة من المعالجة السابقة

تشكل هذه التحديات تهديدين أساسيين لعملية التبادل الإستري القلوي:

1. التصبن, مما يؤدي إلى تكوين الصابون، والمستحلبات، وبطء الفصل، وفقدان المحصول
2. تعطيل المحفز, وخاصة في الأنظمة القائمة على الصوديوم

تُظهر الدراسات الأكاديمية (مثل فيسنتي وآخرون، 2021؛ شيتري وواتس، 2022) باستمرار أن المواد الخام ذات المحتوى العالي من الأحماض الدهنية الحرة لا يمكن معالجتها بشكل موثوق باستخدام طريقة قلوية أحادية الخطوة. ويعتمد القطاع الصناعي بشكل متزايد على التحفيز الحمضي للمعالجة المسبقة, ، متبوعًا بعملية تحويل الأسترة القلوية المُحسَّنة.

تدمج شركة Tree Chem هذه المبادئ العلمية مع التوصيات التي تم اختبارها ميدانياً لمساعدة العملاء على استقرار سير العمل بشكل عام، مع التركيز بشكل خاص على استخدام محفزات KOMe عالية الأداء بعد المعالجة المسبقة.

2. المعالجة المسبقة بالحمض: أساس عملية مستقرة

2.1 لمحة عامة عن عملية الأسترة لتقليل الأحماض الدهنية الحرة

تُعدّ عملية الأسترة الحمضية ضرورية عندما تتجاوز مستويات الأحماض الدهنية الحرة 2-3%. ويظل حمض الكبريتيك المحفز الرئيسي نظرًا لحموضته القوية، وفعاليته من حيث التكلفة، وقدرته العالية على تحويل الأحماض الدهنية الحرة إلى إسترات الميثيل. وتقوم آلية التفاعل بتحويل الأحماض الدهنية الحرة إلى إسترات مع استهلاك الميثانول وإنتاج الماء كمنتج ثانوي.

لكن تحقيق التحويل الأمثل يعتمد بشكل كبير على العديد من المعايير الهندسية:

• نسبة M/M (نسبة الميثانول إلى الأحماض الدهنية الحرة)
• شدة الخلط وتقليل حجم القطرات
• تركيز المحفز
• وقت التفاعل ودرجة الحرارة
• تجفيف المواد الأولية قبل عملية الأسترة

تشير الأبحاث إلى أن تكوّن الماء الزائد - الذي غالباً ما يتجاهله المنتجون على نطاق صغير - يتسبب في تثبيط التفاعل وتكوّن المستحلبات في المراحل اللاحقة. يجب أن تتكامل العمليات الصناعية التجفيف المباشر, خزانات التبخير الفراغي، أو وسائط الغسيل الجاف للحفاظ على مستوى الماء أقل من 0.2%.

تتعاون شركة Tree Chem بشكل متكرر مع منتجي وقود الديزل الحيوي لتقييم ما إذا كانت خطوط المعالجة المسبقة لديهم قادرة على خفض حموضة المواد الخام باستمرار إلى أقل من 1%. وعند دمجها مع ميثوكسيد البوتاسيوم في الخطوة القلوية، فإن هذا الاستقرار يحسن بشكل كبير من الفصل والإنتاجية.

2.2 تحسين عملية التعادل والغسيل

تواجه العديد من النباتات مشاكل أثناء الانتقال من المراحل الحمضية إلى القلوية. إذ يمكن لحمض الكبريتيك المتبقي أن يعطل عمل المحفزات القلوية ويزيد من تكوين الصابون.

تُظهر الأبحاث الميدانية التي أجرتها شركة Tree Chem أن استخدام عوامل معادلة تحتوي على البوتاسيوم (بدلاً من عوامل الصوديوم) يقلل من عدم التوافق في المراحل اللاحقة عند التحول إلى KOMe. ويتوافق هذا مع أبحاث الهندسة الكيميائية الحديثة التي تُظهر أن تذوب أملاح البوتاسيوم بشكل أكثر تجانسًا, مما يقلل من الترسيب وتكوين المستحلبات الدقيقة.

علاوة على ذلك، يجب التحكم في التفاعلات الجانبية المتضمنة في عملية التعادل لتجنب تكوين الملح الزائد، مما قد يزيد من اللزوجة ويخلق تحديات تشغيلية في المضخات.

3. الانتقال إلى عملية التبادل الإستري القلوية: لماذا لم يعد هيدروكسيد البوتاسيوم كافيًا؟

لطالما كان هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أكثر المحفزات القلوية استخدامًا في إنتاج الديزل الحيوي. فهو غير مكلف، ومتوفر بكثرة، ومفهوم جيدًا. ومع ذلك، فإن لهيدروكسيد البوتاسيوم عدة قيود جوهرية:

• يُكوّن الصابون بسهولة في وجود الماء أو الأحماض الدهنية الحرة المتبقية
• ينتج مستحلبات تبطئ من فصل الجلسرين
• يترك مستويات أعلى من الجلسرين المرتبط
• يؤدي إلى زيادة التلوث في وحدات استخلاص الميثانول
• يُظهر أداءً غير متسق مع المواد الأولية من زيوت النفايات.

تصبح هذه العيوب مشكلة خاصة في بيئات المواد الخام الحديثة حيث يمكن أن تتقلب مستويات الشوائب كل ساعة.

على النقيض من ذلك، أصبح ميثوكسيد البوتاسيوم (KOMe) المحفز المفضل لتصنيع وقود الديزل الحيوي عالي الأداء نظرًا لخصائصه التالية:

• نشاط تحفيزي أعلى
• قابلية ذوبان أفضل في الميثانول
• انخفاض تكوين الصابون
• فصل الجلسرين بشكل أنظف (واجهة حادة)
• تقليل عمليات إعادة المعالجة اللاحقة
• أداء مُحسّن باستخدام زيوت النفايات

تؤكد العديد من الدراسات أن تُنتج محفزات KOMe تحويلًا أعلى في ظل ظروف مماثلة مقارنةً بمحفزات KOH., وخاصة عندما تتقلب قيم الأحماض الدهنية الحرة.

لاحظت فرق الهندسة التطبيقية في شركة Tree Chem أن النباتات التي تتحول من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) إلى ميثوكسيد البوتاسيوم (KOMe) غالباً ما تُبلغ عن:

• 15–30% تحسين سرعة الفصل
• حتى زيادة في إنتاجية TP3T من 0.5 إلى 1.11
• انخفاض ملحوظ في استهلاك مياه الغسيل
• استخلاص الميثانول بشكل أكثر سلاسة
• انخفاض وتيرة الصيانة في أنظمة المبادلات الحرارية والمبخرات

4. هندسة التفاعلات: تحسين عملية التبادل الإستري القائمة على KOMe

4.1 المزايا الميكانيكية لـ KOMe

عملية تبادل الإسترات هي تفاعل مدفوع بالسطح البيني بين الميثانول والدهون الثلاثية. ويعتمد التفاعل التحفيزي بشكل كبير على:

• انحلال المحفز
• تقليل حجم القطرات تحت التحريك
• كفاءة نقل الكتلة
• توافر أيون الميثوكسيد
• تجانس درجة حرارة التفاعل

تُساهم قوة النواة المحبة للإلكترونات العالية لمركب KOMe وذوبانه الممتاز في خلق منطقة تفاعل أكثر تجانسًا، مما يُقلل فترة الحث ويُسرّع عملية التحويل. تشمل النتائج الهندسية الرئيسية ما يلي:

• تحويل أسرع للدهون الثلاثية إلى ثنائي الجليسريد وأحادي الجليسريد
• انخفاض مخلفات أحادي وثنائي الجليسريد في وقود الديزل الحيوي النهائي
• انخفاض جرعة المحفز المطلوبة لتحقيق تحويل مكافئ
• تشغيل أكثر استقرارًا في المفاعلات المستمرة (CSTR، PFR، الخلاطات الثابتة)

في المصانع ذات الإنتاجية العالية التي تعالج زيوت الطهي المستعملة أو الدهون الحيوانية، يعد هذا الاستقرار أمراً بالغ الأهمية لكفاءة التشغيل اليومي.

4.2 تحسين درجة الحرارة ووقت الإقامة

قد تتسبب تقلبات درجة الحرارة بمقدار ±5 درجات مئوية في مشاكل كبيرة عند استخدام المحفزات التقليدية. ومع ذلك، يظل KOMe نشطًا عبر نطاق أوسع من درجات الحرارة.

تستفيد العمليات المستمرة مما يلي:

• درجات حرارة تفاعل منخفضة
• مدة إقامة أقصر
• طاقة التحريك المنخفضة
• قدرة أكبر على تحمل كميات قليلة من الماء

تشير العديد من الدراسات الأكاديمية (مثل سانشيز وآخرون، 2023) إلى أن أنظمة KOMe يمكن أن تقلل من وقت بقاء عملية الأسترة التبادلية عن طريق حتى 40% في ظل ظروف معينة.

5. علم الفصل: كيف تُحسّن تحسينات العمليات سلوك طور الديزل الحيوي والجلسرين

لا يزال فصل الديزل الحيوي عن الجلسرين أحد أهم التحديات في إنتاج الديزل الحيوي الصناعي. وبغض النظر عن نوع المحفز، أو جودة المواد الأولية، أو تصميم المفاعل، فإن سلوك النظام ثنائي الطور بعد عملية الأسترة التبادلية هو ما يحدد ما إذا كان الإنتاج سيسير بسلاسة أم سيُثقل كاهله بإعادة المعالجة، وهدر الطاقة، وفترات التوقف. يجب على مصانع الديزل الحيوي الحديثة - وخاصة تلك التي تعالج زيوت الطهي المستعملة، أو الشحم، أو الدهون المختلطة منخفضة الجودة - أن تأخذ في الحسبان التفاعل المعقد بين الماء، والمستحلبات، وأحادي الجلسريد، وتكوين الصابون، وأنظمة الفصل الميكانيكي.

عند استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو ميثوكسيد الصوديوم (NaOMe)، تميل المواد الأولية الغنية بالأحماض الدهنية الحرة إلى إنتاج الصابون من خلال عملية التصبن، مما يُسبب مستحلبات دقيقة تحبس الجلسرين داخل طور إستر الميثيل. يؤدي هذا إلى وقود ديزل حيوي عكر، وترسيب بطيء، وفي النهاية إلى زيادة أحمال التنقية اللاحقة. في المقابل، يُثبط ميثوكسيد البوتاسيوم (KOMe) تكوين الصابون الزائد نظرًا لتوازنه الأيوني الأكثر ملاءمة وتوافر أيونات الميثوكسيد بشكل أفضل. والنتيجة هي حدود فصل أوضح وأكثر دقة, مما يسمح بالترسيب بفعل الجاذبية بشكل أسرع. وقد أظهرت الدراسات الصناعية مراراً وتكراراً أن طبقة الجلسرين تحت تأثير التفاعلات المحفزة بـ KOMe تترسب بشكل أسرع وبكمية أقل من المواد الصلبة العالقة.

لاحظ الفريق التقني لشركة Tree Chem تحسينات قابلة للقياس في المعايير التالية عند استخدام KOMe:

• لزوجة أقل للسطح البيني, مما يُسرّع من عملية التفاوت الطبقي
• مرحلة الجلسرين الأنظف, تحسين كفاءة استخلاص الميثانول
• انخفاض الحمل الطارد المركزي, مما يقلل من استهلاك الطاقة
• اختراق أسرع لمياه الغسيل, تقليل دورات إعادة الغسيل
• تقليل بقايا الصابون, تحسين استقرار الإستر

تتوافق هذه التأثيرات مع أساسيات علم الفصل: فكلما قلّ عدد الجسيمات المحبة للماء والدهون (مثل أحادي الجليسريد والصابون)، زاد الفرق في الكثافة بين الطورين، وأصبح سلوك الفصل أكثر قابلية للتنبؤ. وبالتالي، فإن تحسينات عملية تركيب المحفزات تمتد مباشرةً إلى الكفاءة الميكانيكية واقتصاديات التنقية.

6. استخلاص الميثانول وتحسين الطاقة

يشكل الميثانول عاملاً رئيسياً في تكلفة إنتاج الديزل الحيوي. ويُعدّ استخلاص الميثانول من الجلسرين والإستر أمراً بالغ الأهمية للامتثال البيئي وتحقيق أداء اقتصادي مستدام. غالباً ما تعاني المصانع التي تعالج مخلفات الدهون من معدلات عالية من التلوث في وحدات استخلاص الميثانول، ولا سيما المبخرات وأبراج التقطير، وذلك بسبب ترسب الصابون والتحلل الحراري للملوثات.

غالباً ما تُفاقم الأنظمة القائمة على هيدروكسيد البوتاسيوم مشكلة الترسيب بسبب بقاء أملاح الصوديوم والصابون الثقيل. أما ميثوكسيد البوتاسيوم، فيُنتج صابوناً قائماً على البوتاسيوم أكثر قابلية للذوبان وأقل عرضة للترسب على أسطح المبادلات الحرارية. وهذا يُقلل من الحاجة إلى الصيانة ويُطيل عمر أنظمة استخلاص الميثانول.

يدعم البحث الأكاديمي هذا التوجه الصناعي: فقد أظهرت دراسة أجراها لوبيز-أغيلار وآخرون (2022) أن التحول من NaOMe إلى KOMe يقلل من التلوث في مبخرات الميثانول بواسطة 20–35%, مما يزيد من كفاءة نقل الحرارة ويقلل من استهلاك البخار.

تدمج شركة Tree Chem هذه النتائج من خلال التوصية بأنظمة تعتمد على KOMe خصيصًا للمصنعين الذين يقومون بتشغيل:

• مواد خام غنية بالأحماض الدهنية الحرة
• زيت جوز الهند عالي المحتوى المائي
• زيوت النفايات المختلطة
• زيت حمضي يحتوي على ملوثات متنوعة

ونظرًا لأن هذه المواد الأولية تنتج بطبيعتها المزيد من الشوائب، فإن تحسين قابلية ذوبان أملاح البوتاسيوم يصبح ميزة حاسمة للتشغيل المستمر.

7. تحسين العمليات الرقمية: من منهجية سطح الاستجابة إلى الشبكات العصبية الاصطناعية والتحكم بمساعدة الذكاء الاصطناعي

يشهد قطاع إنتاج الديزل الحيوي تحولاً رقمياً سريعاً. وتعتمد المصانع بشكل متزايد على الأدوات الحاسوبية - مثل تصميم التجارب (DoE) ومنهجية سطح الاستجابة (RSM) والشبكات العصبية الاصطناعية (ANN) وضوابط العمليات القائمة على التعلم الآلي - لتحسين متغيرات التفاعل.

7.1 منهجية سطح الاستجابة لتحليل تفاعل المعلمات

تُستخدم منهجية سطح الاستجابة (RSM) على نطاق واسع لفهم كيفية تفاعل درجة الحرارة، وجرعة المحفز، ونسبة المعدن إلى الأكسجين، وزمن التفاعل. في الأنظمة التي تستخدم KOMe، تُظهر نماذج RSM غالبًا ما يلي:

• حساسية أعلى لتركيز الميثانول
• انخفاض الحساسية لوقت التفاعل بسبب سرعة الحركية
• تحسين التحويل عند درجات حرارة أقل قليلاً من أنظمة هيدروكسيد البوتاسيوم

تساعد شركة Tree Chem عملاءها بشكل متكرر على تطبيق التحسين القائم على منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتقليل استخدام الميثانول وتعزيز الأداء الاقتصادي العام.

7.2 نماذج الشبكات العصبية الاصطناعية لمراقبة الجودة التنبؤية

تستطيع الشبكات العصبية الاصطناعية (ANN) نمذجة العلاقات غير الخطية بكفاءة أعلى من الانحدار التقليدي. عند تدريبها على معايير جودة المواد الأولية - الأحماض الدهنية الحرة، والرطوبة، والكثافة، واللزوجة - يمكن لنماذج الشبكات العصبية الاصطناعية التنبؤ بما يلي:

• كفاءة التحويل المتوقعة
• احتمالية تكوين الصابون
• الجرعة المطلوبة من المحفز
• الوقت المقدر للانفصال

تُظهر دراسات مثل دراسة جوبال وآخرون (2023) أن التنبؤ القائم على الشبكات العصبية الاصطناعية يحسن بشكل كبير من استقرار النبات عندما تتقلب جودة المواد الخام يوميًا.

تساعد شركة Tree Chem العملاء في دمج أدوات الشبكات العصبية الاصطناعية في أنظمة SCADA أو DCS الخاصة بهم، مما يسمح بإجراء تعديلات تحفيزية في الوقت الفعلي على معدلات إضافة KOMe.

7.3 المستقبل: التحكم في العمليات بمساعدة الذكاء الاصطناعي

مع تطور الذكاء الاصطناعي، يمكن أن يتوقع إنتاج وقود الديزل الحيوي ما يلي:

• المفاعلات ذاتية التحسين
• تحديد جرعات المحفز التنبؤية
• الكشف عن الحالات الشاذة للتلوث وفشل الفصل
• التحكم الآلي في نسبة الميثانول إلى الزيت
• تصنيف المواد الأولية باستخدام الذكاء الاصطناعي (الصورة + التحليل الطيفي)

بدأ فريق الدعم الهندسي في شركة Tree Chem بتنفيذ استراتيجيات تجريبية للجرعات بمساعدة الذكاء الاصطناعي لأنظمة UCO عالية الأحماض الدهنية الحرة، مما أدى إلى تحسينات ملموسة في الفصل واستقرار الإنتاج.

8. الامتثال للمعيارين EN 14214 و ASTM D6751: لماذا يُعد اختيار المحفز أمرًا مهمًا؟

تفرض معايير جودة الوقود قيودًا صارمة على العديد من المعايير:

• إجمالي الجلسرين
• الجلسرين الحر
• أحادي الجليسريد
• محطة توليد الطاقة بالفحم
• قيمة الحموضة
• المعادن (البوتاسيوم، الصوديوم، الكالسيوم، المغنيسيوم)
• محتوى الماء
• ثبات الأكسدة

في العديد من العمليات الصناعية، ينتج فشل هذه المعايير عن مشاكل في أداء المحفزات في المراحل الأولية أو عن عدم كفاية الفصل.

تساعد الأنظمة القائمة على تقنية KOMe المنتجين على تلبية هذه المعايير باستمرار بفضل:

• مسارات تبادل الأسترة الأكثر اكتمالاً
• توزيع متجانس للمحفز
• فصل طوري أنظف
• انخفاض تكوين الجلسريدات الجزئية
• انخفاض انجراف مخلفات المحفز

وخاصة بالنسبة للمنتجين الذين يعتزمون التصدير إلى أوروبا أو تلبية لوائح كثافة الكربون المنخفضة، فإن الاتساق الذي توفره KOMe يعزز بشكل مباشر موثوقية الامتثال.

تقدم شركة Tree Chem أيضًا استشارات جودة روتينية، تساعد العملاء على تحليل ما يلي:

• تحليل مخلفات المحفز باستخدام مطياف الكتلة بالبلازما المقترنة حثيًا
• تحليل GC-MS للجلسرين المرتبط والحر
• الثبات التأكسدي (رانسيمات)
• التلوث المعدني الناتج عن المواد الأولية

من خلال هذا النهج المتكامل، تعزز شركة Tree Chem دورها ليس فقط كمورد للمحفزات ولكن كشريك تقني في ضمان الجودة.

الجدول 1: مقارنة معايير وقود الديزل الحيوي الموحدة

9. الهندسة واللوجستيات: دمج نظام إدارة العمليات (KOMe) في العمليات الصناعية

يتطلب الانتقال من استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو ميثوكسيد الصوديوم (NaOMe) إلى ميثوكسيد البوتاسيوم (KOMe) تكاملاً هندسياً دقيقاً. وتشمل عوامل النجاح الرئيسية ما يلي:

• خزانات محفزات مغلقة الدائرة مغطاة بالنيتروجين
• أنظمة النقل الجاف لمنع تسرب الرطوبة
• مضخات قياس دقيقة
• تكامل وحدة المحفز مع نظام التحكم الموزع/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة
• التوافق مع خطوط استخلاص الميثانول الحالية

يقدم مهندسو شركة Tree Chem إرشادات مصممة خصيصًا لكل تصميم مصنع، بما في ذلك:

• مواد الأنابيب الموصى بها
• بروتوكولات تفريغ المحفزات ذات التهوية
• استراتيجيات التحكم في الرطوبة
• متطلبات استقرار التخزين
• إجراءات تخفيف المحفز لتحقيق حركية تفاعل مثالية

إن التكامل السليم لا يحسن السلامة فحسب، بل يضمن أيضًا تحقيق المزايا التحفيزية لـ KOMe بشكل كامل.

الجدول 2 ملخص استراتيجية تحسين عملية إنتاج الديزل الحيوي من شركة تري كيم