Том 337 № 6 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5306
Течение реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла с использованием метода капельной микрофлюидики
Актуальность. Существует множество конфигураций микрофлюидных чипов, с помощью которых производится биотопливо из различных растительных масел. В исследованиях подобного рода уделяют недостаточно внимания гидродинамике взаимодействия реагирующих потоков в микромиксерах и микрореакторах. Выявление механизмов и характеристик формирования капель/снарядов дисперсной среды при движении по микроканалам и управление этим процессом может способствовать оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Объект. Процесс конверсии рапсового масла в метиловые эфиры жирных кислот через призму последствий микрогидродинамики двухфазного течения в микромиксере и микрореакторе. Цель. Определить и количественно охарактеризовать гидродинамические последствия взаимодействия потоков раствора гидроксида калия в метаноле и рапсового масла при микрофлюидном приготовлении эфиров жирных кислот с использованием чипа с конфигурацией на основе Т-образного микросмесителя и змеевикового микрореактора. Методы. Метод капельной микрофлюидики для организации течения жидкостей по микроканалам с целью переэтерификации рапсового масла, высокоскоростная видеорегистрация для детектирования последствий гидродинамического взаимодействия несмешивающихся жидкостей, метод аддитивного производства на основе цифровой модели по технологии Digital Light Processing для изготовления элементов микрофлюидной системы для переэтерификации. Результаты. В результате анализа экспериментальных данных о течении реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла выявлены границы режимов течения двухфазного потока (снарядный и неустойчивость Рэлея–Плато) и влияние нагрева жидкостей до 55 °С на эти границы при сравнении со случаем без принудительного нагрева. Среди установленных режимов течения предпочтительным является снарядный, поскольку позволяет контролировать и охарактеризовать конверсию масла. Сформулированы практические рекомендации для оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Показано, как при рациональном анализе влияния объёмных расходов реагирующих жидкостей и их соотношения на гидродинамические последствия может быть определен характер двухфазного потока, его количественные параметры, а также связанные с ними характеристики конверсии. Продемонстрирован подход к контролю интенсификацией конверсии масла в микрореакторе за счет введения и отслеживания соотношения длины снарядов к расстоянию между соседними снарядами в результирующем потоке и его зависимости от расхода двухфазной жидкости. Чем ближе это соотношение к 0, тем интенсивнее конверсия и потенциально выше выход эфиров жирных кислот. Установлено, что размер снарядов и расстояние между ними являются ощутимо чувствительными к температуре взаимодействующих жидкостей из-за изменяющегося межфазного натяжения между ними.
Для цитирования: Зеленцов Д.О., Пискунов М.В., Чоботова В.М., Хомутов Н.А. Течение реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла с использованием метода капельной микрофлюидики. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 6, С. 133-144. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5306
Ключевые слова:
Двухфазный поток, переэтерификация, капельная микрофлюидика, конверсия растительного масла, микрореактор, микромиксер
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/ REFERENCES
1. Bisht G.S., Pandey S. Biofuels for a sustainable future: generations, technologies, and key challenges in renewable energy. Bioenergy Research, 2025, vol. 18, no. 1, pp. 43. DOI: 10.1007/s12155-025-10842-y.
2. Singh R., Gaur A., Soni P., Jain R., Pant G., Kumar D., Kumar G., Shamshuddin S.Z.M., Mubarak N.M., Dehghani M.H., Ansari Suhas K. A review of biofuels and bioenergy production as a sustainable alternative: opportunities, challenges and future perspectives. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2025, vol. 23, pp. 23. DOI: 10.1007/s40201-025-00946-0.
3. Ji X., Long X. A review of the ecological and socioeconomic effects of biofuel and energy policy recommendations. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 61, pp. 41–52. DOI: 10.1016/j.rser.2016.03.026.
4. Issariyakul T., Dalai A.K., Biodiesel from vegetable oils. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014. vol. 31, pp. 446–471. DOI: 10.1016/j.rser.2013.11.001.
5. Pattanaik L., Pattnaik F., Saxena D.K., Naik S.N. Biofuels from agricultural wastes. Second and Third Generation of Feedstocks, 2019, pp. 103–142. DOI: 10.1016/B978-0-12-815162-4.00005-7.
6. Lee S.Y., Hubbe M.A., Saka S. Prospects for biodiesel as a byproduct of wood pulping – a review. BioResources, 2006, vol. 1, no. 1, pp. 150–171. DOI: 10.15376/biores.1.1.150-171.
7. Angulo-Mosquera L.S., Alvarado-Alvarado A.A., Rivas-Arrieta M.J., Cattaneo C.R., Rene E.R., García-Depraect O. Production of solid biofuels from organic waste in developing countries: a review from sustainability and economic feasibility perspectives. Science of the Total Environment, 2021, vol. 795, pp. 148816. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.148816.
8. Barampouti E.M., Mai S., Malamis D., Moustakas K., Loizidou M. Liquid biofuels from the organic fraction of municipal solid waste: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, vol. 110, pp. 298–314. DOI: 10.1016/j.rser.2019.04.005.
9. Wen Z., Yu X., Tu S.-T., Yan J., Dahlquist E. Intensification of biodiesel synthesis using zigzag micro-channel reactors. Bioresource Technology, 2009, vol. 100, pp. 3054–3060. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.01.022.
10. Martinez Arias E.L. Continuous synthesis and in situ monitoring of biodiesel production in different microfluidic devices. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, vol. 51, pp. 10755–10767. DOI: 10.1021/ie300486v.
11. Yusuf H.A. Optimization of biodiesel production in a high throughput branched microreactor. Energy Nexus, 2024, vol. 13, pp. 100276. DOI: 10.1016/j.nexus.2024.100276.
12. Yusuf H.A. Fabrication of novel microreactors in-house and their performance analysis via continuous production of biodiesel. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2022, vol. 172, pp. 108792. DOI: 10.1016/j.cep.2022.108792.
13. Yusuf H.A. Experimental and CFD simulation studies of biodiesel production in an in-house Tesla-shaped microreactor. Cleaner Energy Systems, 2024, vol. 7, pp. 100098. DOI: 10.1016/j.cles.2023.100098.
14. Natarajan Y., Nabera A., Salike S., Tamilkkuricil V.D., Pandian S., Karuppan M., Appusamy A. An overview on the process intensification of microchannel reactors for biodiesel production. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2019, vol. 136, pp. 163–176. DOI: 10.1016/j.cep.2018.12.008.
15. Yuan S., Jiang B., Peng T., Zhou M., Drummer D. Investigation of efficient mixing enhancement in planar micromixers with short mixing length. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 2022, vol. 171, pp. 108747. DOI: 10.1016/j.cep.2021.108747.
16. Ehrfeld W., Hessel V., Haverkamp V. Microreactors. Ullmann’s encyclopedia of industrial chemistry. Wiley Online Library, 2000. DOI: 10.1002/14356007.b16_b37.
17. Kashid M.N., Kiwi-Minsker L. Microstructured reactors for multiphase reactions: state of the art. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, vol. 48, no. 14, pp. 6465–6485. DOI: 10.1021/ie8017912.
18. Dai J.-Y., Li D.-Y., Zhao Y.-C., Xiu Z.-L. Statistical optimization for biodiesel production from soybean oil in a microchannel reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, vol. 53, pp. 9325–9330. DOI: 10.1021/ie4037005.
19. Costa Junior J.M. Innovative metallic microfluidic device for intensified biodiesel production. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, vol. 59, no. 1, pp. 389–398. DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04892.
20. Aghel B., Mohadesi M., Sahraei S., Shariatifar M. New heterogeneous process for continuous biodiesel production in microreactors. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2017, vol. 95, pp. 1280–1287. DOI: 10.1002/cjce.22763.
21. Jachuck R., Pherwani G., Gorton S.M. Green engineering: continuous production of biodiesel using an alkaline catalyst in an intensified narrow channel reactor. Journal of Environmental Monitoring, 2009, vol. 11, no. 3, pp. 642–647. DOI: 10.1039/B807390M.
22. Rahimi M. Transesterification of soybean oil in four-way micromixers for biodiesel production using a cosolvent. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2016, vol. 64, pp. 203–210. DOI: 10.1016/j.jtice.2016.04.023.
23. Sun P. Fast synthesis of biodiesel at high throughput in microstructured reactors. Industrial & engineering chemistry research, 2010, vol. 49, no. 3, pp. 1259–1264. DOI: 10.1021/ie901320s.
24. Sharma Y.C., Singh B., Upadhyay S.N. Advancements in development and characterization of biodiesel: a review. Fuel, 2008, vol. 87, no. 12, pp. 2355–2373. DOI: 10.1016/j.fuel.2008.01.014.
25. Aghel B., Rahimi M., Sepahvand A., Alitabar M., Ghasempour H.R. Using a wire coil insert for biodiesel production enhancement in a microreactor. Energy Conversion and Management, 2014, vol. 84, pp. 541–549. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.05.009.
26. Freedman B., Pryde E.H., Mounts T.L. Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils. Journal of the American Oil Chemists Society, 1984, vol. 61, pp. 1638–1643. DOI: 10.1007/BF02541649.
27. Leung D.Y.C., Guo Y. Transesterification of neat and used frying oil: Optimization for biodiesel production. Fuel Processing Technology, 2006, vol. 87, no. 10, pp. 883–890. DOI: 10.1016/j.fuproc.2006.06.003.
28. Alalwan H.A., Alminshid A.H., Aljaafari H.A.S. Promising evolution of biofuel generations. Subject review. Renewable Energy Focus, 2019, vol. 28, pp. 127–139. DOI: 10.1016/j.ref.2018.12.006.
29. Hoekman S.K., Broch A., Robbins C., Ceniceros E., Natarajan M. Review of biodiesel composition, properties, and specifications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, vol. 16, pp. 143–169. DOI: 10.1016/j.rser.2011.07.143.
30. Paiz S. Experimental parametric analysis of biodiesel synthesis in microreactors using waste cooking oil (WCO) in ethilic route. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2022, vol. 44, no. 5, pp. 179. DOI: 10.1007/s40430-022-03476-0.
31. Qiao S., Chen W., Zheng X., Ma L. Preparation of pH-sensitive alginate-based hydrogel by microfluidic technology for intestinal targeting drug delivery. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, vol. 254, pp. 127649. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.127649.
