(57)【要約】  本発明は、バイオ燃料の製造に多重周波数超音波エネルギーを用いる超音波装置及び処理である。この超音波装置は、反応物質流体を収納する処理タンクと処理タンクと連結した少なくとも２つのグループの超音波振動子とを具備し、各超音波振動子のグループは相異なる調波周波数を有する。植物油又は脂肪酸をエステル交換により脂肪酸アルキルエステルを生成する処理には、植物油又は脂肪酸をこの処理タンクに入れ、このタンク中の反応物質流体に、１５ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲の２つの別の周波数で超音波エネルギーを照射するステップが含まれる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
外壁面のある１以上の壁と出入り口を有する処理タンクであって、該処理タンクは処理すべき反応物質流体を収納するための内部を有することを特徴とする、処理タンクと、
前記処理タンクに取り付けられた少なくとも２つのグループの超音波振動子であって、該２つのグループの超音波振動子は相異なる調波周波数を有し、超音波振動子のグループは混じり合って取り付けられていることを特徴とする、２つのグループの超音波振動子と、
を具備することを特徴とする、処理装置。
【請求項２】
前記タンクに脂肪酸アルキルエステルを生成するためにエステル交換処理するための反応流体をさらに具備することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記タンク中の反応流体に超音波エネルギーを前記超音波振動子に供給させるために、該超音波振動子に駆動信号を供給する１以上の超音波発生装置をさらに具備することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項４】
前記タンクは、５つの長方形の側壁と２つの端部壁面を有する５面プリズムの形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項５】
前記タンクは、円筒状の側壁面と２つの端部壁面を有する円筒形状の有することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項６】
前記超音波振動子は前記タンクの外面の取り付け金具により処理タンクに取り付けられており、超音波エネルギーは前記超音波振動子から、前記壁面を通して前記タンク内の反応流体に照射されることを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項７】
前記超音波振動子のグループは前記タンクの少なくともいくつかの壁面上にグループ相互を一様に混じり合わせて取り付けられていることを特徴とする、請求項６に記載の処理装置。
【請求項８】
前記タンクは長方形の側壁を有し、前記超音波振動子のグループは、該長方形の側壁の端辺に平行な複数の列に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の処理装置。
【請求項９】
前記超音波振動子は、ヘッド質量と尾部質量との間に圧電層を持つ積層構造を有し、前記ヘッド質量は前記タンクに取り付けられていることを特徴とする、請求項６に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記ヘッド質量は、エポキシ接着剤で前記タンクに取り付けられていることを特徴とする、請求項９に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記超音波振動子は、前記タンクの内部に配置して前記タンクに取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記超音波振動子は、プッシュプル振動子であることを特徴とする、請求項１１に記載の処理装置。
【請求項１３】
超音波振動子の第１のグループは該第１のグループの第１調波周波数で動作し、超音波振動子の第２のグループは該第２のグループの第３調波周波数で動作することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項１４】
前記超音波振動子の第１のグループの前記第１調波周波数は約５８ｋＨｚであり、前記超音波振動子の第２のグループの前記第３調波周波数は約１９２ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１３に記載の処理装置。
【請求項１５】
植物油又は脂肪酸を脂肪酸アルキルエステルへエステル交換する処理であって、該処理は、
植物油又は脂肪酸を含む反応流体タンクに入れるステップと、
１５ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲の１つの別々の周波数で、前記タンク中の前記反応流体に超音波エネルギーを加えるステップと、
を具備することを特徴とする処理。
【請求項１６】
前記超音波エネルギーを加えるステップには、各グループが相異なる調波周波数を有する少なくとも２つの超音波振動子のグループに動力を供給するステップが含まれることを特徴とする請求項１５に記載の処理。
【請求項１７】
超音波振動子の第１のグループは該第１のグループの第１調波周波数で動作し、超音波振動子の第２のグループは該第２のグループの第３調波周波数で動作することを特徴とする、請求項１６に記載の処理。
【請求項１８】
前記超音波振動子の第１のグループの前記第１調波周波数は約５８ｋＨｚであり、前記超音波振動子の第２のグループの前記第３調波周波数は約１９２ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１７に記載の処理。
【請求項１９】
前記反応流体を前記タンクに連続的に供給し、前記タンク反応流体を連続的に取り出すステップをさらに具備することを特徴とする、請求項１５に記載の処理。
【請求項２０】
超音波エネルギーを２つの別々の周波数で加えるステップには同時に２つの周波数で加えるステップが含まれることを特徴とする、請求項１５に記載の処理。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００７年６月１３日出願、表題「バイオ燃料製造用多重周波数超音波装置及び処理」の米国暫定特許出願６０／９６６，５４５、及び、２００８年６月１０日出願、表題「バイオ燃料製造用多重周波数超音波装置及び処理」の米国特許出願１２／１３，６７４７に基づく権利を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、バイオディーゼルその他のバイオ燃料を製造するための処理装置及びそれに関する処理方法に関し、さらに詳細には二重周波数超音波エネルギーを用いた改良した処理方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
バイオディーゼルその他のバイオ燃料用の脂肪酸アルコールエステルの製造は、グリセロールから脂肪酸アルコールエステルを生成し、それに続いて脂肪酸アルコールエステルを分離する化学反応において超音波エネルギーを適用することの利点を利用するものである。本特許出願では、反応装置又は分離タンクの表面に、又は、反応装置又はタンクの内側に同軸状に１以上の超音波振動子を配置することを開示する。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、一般にバイオ燃料、具体的には脂肪酸アルコールエステルの製造に多重周波数超音波エネルギーを用いる超音波装置及び処理である。この処理では、エステル交換処理において反応物質に多重超音波周波数を照射することにより、植物油及び／又は脂肪酸の脂肪酸アルキルエステルへのエステル交換を加速する。多重超音波周波数は順番に又は同時に照射される。テストでは、５８ｋＨｚ及び１９２ｋＨｚの周波数で５０００ワットの電力の超音波エネルギーを照射することで、９８％の純度のアルキルエステルを毎分１ガロンの量で生成されることが確かめられた。
【０００５】
脂肪酸アルキルエステルの製造処理は以下のステップからなる。すなわち、（１）植物油又は脂肪酸、アルカリ性触媒、及びアルキルアルコールの乳濁液を準備する。（２）エステル交換処理を加速させるために多重周波数で動作する超音波源で、この乳濁液を超音波処理する。（３）エステル交換処理された乳濁液をグリセロール／グリセリンと脂肪酸アルキルエステル相に分離する。
【０００６】
植物油又は脂肪酸を脂肪酸アルキルエステルにエステル交換する処理は、少なくとも、植物油又は脂肪酸を含む反応流体をタンクに入れ、１５ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲の２つの別々の周波数でタンク中の反応流体に超音波エネルギーを加えるステップを具備する。
【０００７】
この処理により、グリセロール／グリセリンと、反応物質が最終的な平衡状態に到達した後エステル交換処理により生成された脂肪酸アルキルエステル相との分離が加速される。グリセロール／グリセリンの分離は、相分離ステップにおける脂肪酸アルキルエステル及び未反応化学種からグリセロール／グリセリンを分離することにより行われる。
【０００８】
この装置には、タンクの表面又はタンク内に装着された２以上の周波数の超音波振動子を有する処理タンクが含まれる。好ましい１実施の形態には、タンクの表面に装着された、各面に２つの周波数の超音波振動子をもつ４つの側面を有するチューブ又は５つの側面を有するチューブが含まれる。振動子は、タンク内部が両方の周波数にさらされるように低周波数の振動子と高低周波数の振動子とが交互になるような形で配置される。周波数は１５ｋＨから１．５ＭＨｚの間が好ましい。例えば、好ましい１実施の形態によれば、５８ｋＨの第１調波周波数を持つ第１グループの振動子と１９２ｋＨの第３調波周波数を持つ第２グループの振動子を具備する。５８ｋＨの振動子は、５８ｋＨで強い第１調波振動を有し、１９２ｋＨの振動子は、１９２ｋＨで強い第３調波振動を有する。両方のタイプの振動子は、本願に参照として組み込まれる、米国特許５，７４８，５６６、５，９９８，９０８、及び６，９２４，５８５、並びに米国特許出願番号１０／９３６，１０４（出願公開番号２００５−０１０９３６８Ａ１）により改良されている。
【０００９】
代替的に、これらの多重周波数超音波振動子を、タンク内に配置したプッシュプル振動子又は水につけることが可能な振動子、あるいは、部分的にタンクに挿入し、一部がタンク外になるように配置したプッシュプル振動子又は水につけることが可能な振動子とすることができる。
【００１０】
処理タンクの好ましい実施の形態では、反応物質を入れる管状のチャンバーを具備する。処理タンクは、貫流タンクの一方から連続的に反応物質が流入し反対側から反応生成物が連続的に流出する、連続フロー装置として動作することができる。代替的に、処理タンクは、反応物質を処理タンクに満たしバッチ処理することにより、連続的又は順番に多重周波数超音波振動子を動作させ、反応物質をエステル交換して反応生成物を生成させた後、この反応生成物タンクから取り出すこととするができる。
【００１１】
処理装置には、少なくとも、外壁面のある少なくとも一つの壁を持ち、出入り口を有する処理タンクを具備し、この処理タンクには、処理すべき反応物質流体を収納する内面と、処理タンクと連結した少なくとも２つのグループの超音波振動子とがあり、各超音波振動子のグループは相異なる調波周波数を有し、超音波振動子のグループは混じり合って取り付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超音波振動子が外壁面に取り付けられた、５つの側面を有するチューブの形をした、本願発明に係る反応タンクの透視図である。
【図２】図１の反応タンクの平面図である。
【図３】振動子を取り付けていない状態の図１の反応タンクの断面図である。
【図４】二重周波数プッシュプル振動子を内部に納めた、本願発明に係る円筒型反応タンクの透視図である。
【図５】図４の反応タンクの断面図である。
【図６】図４の反応タンクの断面透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明を実施するための最良の形態の詳細な説明
添付図は、発明を説明するためだけの目的で、本発明の好ましい実施の形態を示すものである。当業者であれば、ここに説明した発明の思想から逸脱することなく、ここに図解した構成と方法の代替的な実施の形態を採用することができるであろう。
【００１４】
本発明は、反応装置又は分離タンクに超音波エネルギーを照射する方法を改善することで、今までの処理装置を改良するものである。１実施の形態では、図１〜３に示すように、処理タンク１０は５つの平らな壁面１２を持つチューブである。各壁面には振動子１４，１６の列が取り付けられている。振動子１４は振動子１６より低い調波周波数を有する。各振動子の列では、低周波数振動子１４と高低周波数振動子１６とが交互に並んでいる。両方のタイプの振動子が実質的に同じ数だけあり、タンク１０の壁面に沿って均一に並んでいることが好ましい。超音波振動子は、チタン酸バリウム又はジルコン酸チタン酸鉛のような、圧電性結晶又は、圧電セラミックで構成されている圧電振動子（ＰＺＴｓ）であることが好ましい。振動子は、組み立て部の先端に端部質量部２２、圧電層２４、非圧電セラミック共振器２５、及び組み立て部の後端にヘッド質量部２６を有し、中心軸にある締め付けボルト２８で結合されている。各振動子１４，１６のヘッド質量部は壁面１２の表面に取り付けられている。振動子１４，１６はＳｕｐｒｅｍｅ１０ＡＯＨＴのようなエポキシポリマー接着剤でタンクに接着させてもよい。このエポキシには酸化アルミニウム（アルミナ）のセラミック充填材を含んでいる。これは高い剪断強度と高い剥離強度を有する熱処理したエポキシである。また、これは、熱伝導性があり厳しい温度サイクルに耐える。タンク１０には反応物質をタンク内に導くための入口カップリング１８がある。出口カップリング２０は、タンクの反対側にありこのカップリングを通して反応生成物がタンクから取り出される。タンク１０の側壁とエンドプレートは１４ゲージのステンレス鋼板で作られることが好ましい。他の金属材料又は非金属材料をこのタンクに使ってもよい。
【００１５】
振動子１４，１６の各グループは超音波発生装置（不図示）に接続されている。低い周波数の振動子１４は、振動子１４の基本周波数で交流駆動電流を供給する超音波発生装置に接続されている。同様に、高い周波数の振動子１６は、振動子１６の基本周波数で交流駆動電流を供給する超音波発生装置（不図示）に接続されている。周波数は１５ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲にすることが好ましい。例えば、５８ｋＨｚの低い周波数（第１調波周波数）と１９２ｋＨｚの高い周波数（第３調波周波数）を使うことができる。
【００１６】
交流駆動信号が超音波発生装置から振動子１４，１６のグループに供給されると、振動子は振動し超音波をタンク１０の壁１２に伝達する。この超音波は壁を通り抜けてタンク内の反応物質に伝達され、タンク内でのエステル交換処理と分離処理とを加速させる。
【００１７】
タンク１０は、図示したような５面の側壁を持つ必要はなく、密閉容器を形成するどのような形でもよい。例えば、タンクは、３面、４面、又は６面の長方形の側壁面と端部壁面を持つものとすることができる。また、タンクは円筒形とすることができ、この場合、振動子の表面に接触する面はタンクの外形に合致するような曲面とする。又は、タンクを全体として円筒形とし、振動子のための平坦な取り付け面を作るために軸方向に平面を作ったものとすることができる。分散させて振動子のグループを取り付けることができ、反応物質と反応生成物を収納する密閉容器を形成することができる限りにおいて、他の様々な形を用いることができる。
【００１８】
上述の処理タンクの他の代案では２以上の振動子のグループを具備する。例えば、処理タンクと一体となった振動子には、低周波数グループと中周波数グループと高低周波数グループとが含まれ、各グループからの振動子がタンクに均一に配置されている。
【００１９】
さらに他の代案では、タンク内に置き反応物質に浸した二重周波数プッシュプル振動子を通じて多重周波数の音響エネルギーをタンク内に供給する。これについては図４〜６に示されている。円筒形状のタンク４０には入口カップリング４２と出口カップリング４４とがある。タンク４０の内部には２つの低周波数プッシュプル振動子４６と２つの高周波数プッシュプル振動子４８とがある。振動子の端部には、高周波駆動信号により駆動する超音波振動数で振動する圧電装置がある。この実施例の実行形態において、低周波数プッシュプル振動子４６は２５ｋＨｚであり、高周波数プッシュプル振動子４８は４５ｋＨｚであり、両方とも第１調波周波数である。
【００２０】
他の代案では、２以上の周波数を有する水につけることが可能な振動子又は、プローブ振動子を用いる。
【図１】
2010530800.tif 000002
【図２】
2010530800.tif 000003
【図３】
2010530800.tif 000004
【図４】
2010530800.tif 000005
【図５】
2010530800.tif 000006
【図６】
2010530800.tif 000007
【国際調査報告】
2010530800.tif 000008