تخليق الديستر بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مواد تشحيم حيوية عالية الأداء

يتسارع التحول من مواد التشحيم المشتقة من النفط إلى مواد التشحيم المتجددة والقابلة للتحلل الحيوي وعالية الأداء القائمة على الإستر في مختلف القطاعات الصناعية. ويتعرض مصنعو مواد التشحيم لضغوط متزايدة للحد من الأثر البيئي مع الحفاظ في الوقت نفسه على معايير الأداء الصارمة مثل مؤشر اللزوجة العالي، والتطاير المنخفض، وقدرة التشحيم الجيدة، والاستقرار الحراري، والأداء الموثوق به في درجات الحرارة المنخفضة. وفي هذا السياق، توفر عملية إعادة الأسترة بالموجات فوق الصوتية استراتيجية قوية لتكثيف العمليات من أجل تصنيع المواد الخام القائمة على الإستر المستخدمة في التركيبات الحديثة لمواد التشحيم الحيوية.

إعادة الإسترة بالموجات فوق الصوتية للديسترات المستخدمة في صناعة مواد التشحيم الحيوية

يُعد الاسترة بالموجات فوق الصوتية للزيوت والدهون النباتية تقنية مستدامة تعمل على تحسين إنتاجية الإسترات بشكل ملحوظ، وتقلل من قيود المعالجة، وتجعل مسار عملية الاسترة أكثر جاذبية لإنتاج مواد التشحيم الصناعية. تُستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار من شركة Hielscher لتخليق الإسترات بكفاءة في خط الإنتاج المباشر في ظل ظروف عملية خاضعة للرقابة.

تخليق مواد التشحيم الحيوية عن طريق عملية استبدال الإستر

تُعد الزيوت النباتية مواد خام جذابة لصناعة مواد التشحيم الحيوية، لأنها متجددة وقابلة للتحلل البيولوجي وتتمتع بقدرة تشحيم جيدة. ومع ذلك، غالبًا ما تعاني الزيوت النباتية غير المعالجة من استقرار أكسدي محدود وخصائص ضعيفة عند درجات الحرارة المنخفضة. وتتمثل إحدى الاستراتيجيات الشائعة للتغلب على هذه العيوب في تحويل استرات الميثيل المشتقة من الزيوت النباتية إلى استرات البوليول، مثل استرات البنتاإريثريتول، عن طريق عملية الاسترة التبادلية.
في الدراسة “التحسين القائم على خوارزمية RSM وCrow Search لمعلمات عملية التحويل الاستيريكي بالموجات فوق الصوتية في تصنيع مواد التشحيم الحيوية القائمة على إسترات البوليول” وفقًا لـ Arumugam وآخرين، تم أولاً تحويل زيت بذور اللفت إلى إستر ميثيل زيت بذور اللفت. وفي خطوة ثانية، تم تفاعل هذا الإستر الميثيلي مع البنتاإريثريتول في وجود محفز حمض p-تولوين سلفونيك والزيلين كمذيب. وكان المنتج المستهدف هو إستر البنتاإريثريتول المناسب كزيت أساسي لمواد التشحيم الحيوية. وتعتبر هذه التفاعل ذات أهمية كبيرة لمصنعي مواد التشحيم، حيث تُستخدم إسترات البوليول على نطاق واسع كمواد أساسية اصطناعية لمواد التشحيم في زيوت الضواغط، والسوائل الهيدروليكية، وزيوت التبريد، وغيرها من تطبيقات مواد التشحيم عالية الأداء.
يكمن التحدي الرئيسي في عملية الاسترة التقليدية في أن التفاعل غالبًا ما يكون محدودًا بسبب ضعف انتقال الكتلة بين المواد المتفاعلة. ولا تشكل استرات الميثيل والبوليولات والمحفزات دائمًا نظام تفاعل متجانسًا مثاليًّا. قد تتطلب عملية التحريك التقليدية أوقات تفاعل طويلة ودرجات حرارة عالية واستهلاكًا كبيرًا للطاقة، مع استمرار إنتاج عوائد متوسطة. وهنا تكمن الميزة الحاسمة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.

مخطط تدفق لعملية إعادة الأسترة بالموجات فوق الصوتية لإستر البنتاإريثريتول
الدراسة والرسم البياني: ©Arumugam وآخرون، 2019

كيف تعمل عملية إعادة الإسترة بالموجات فوق الصوتية على تعزيز تخليق الإسترات

تستخدم عملية الاسترة بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عالية الكثافة لإحداث تجويف صوتي في وسط التفاعل السائل. ويؤدي التجويف الصوتي إلى تكوين فقاعات مجهرية تنمو ثم تنهار بعنف. ويؤدي ذلك إلى توليد قوى قص محلية شديدة، ونفاثات دقيقة، وتدفق صوتي، واستحلاب دقيق.
فيما يتعلق بتخليق الإسترات، تُعد هذه التأثيرات ذات قيمة كبيرة لأنها:

• تقليل حجم القطرات وتحسين التلامس بين الطورين
• زيادة المساحة السطحية بين المواد المتفاعلة غير القابلة للامتزاج أو التي يصعب امتزاجها
• تعزيز إمكانية الوصول إلى المُحفز
• تسريع نقل الكتلة
• تحسين حركيات التفاعل
• تساعد على زيادة إنتاجية الإستر في ظل الظروف المُحسَّنة

توضح الدراسة أن الاضطراب الناتج عن التكهف والمستحلبات الدقيقة يتغلبان على قيود نقل الكتلة التي تعاني منها عملية الاسترة التقليدية. ونتيجة لذلك، يتم تشتيت المواد المتفاعلة بشكل أكثر فعالية، وتسير التفاعلات الحفازة بوتيرة أسرع وبشكل أكثر اكتمالاً.

نتائج الدراسة: زيادة إنتاجية الإستر باستخدام الموجات فوق الصوتية

قامت الدراسة بتحسين العملية المدعومة بالموجات فوق الصوتية باستخدام منهجية سطح الاستجابة وخوارزمية البحث عن الكرو. وكانت متغيرات العملية التي تم دراستها هي النبضة فوق الصوتية، وسعة الموجة فوق الصوتية، وتركيز المُحفز، ودرجة حرارة التفاعل.
وكانت شروط العملية بالموجات فوق الصوتية المُحسَّنة كما يلي:
نظام سونيكاتور: جهاز الموجات فوق الصوتية من طراز UP400St من شركة Hielscher ذو المسبار
النبضة فوق الصوتية: 15 ثانية
السعة بالموجات فوق الصوتية: 60%
تركيز المُحفز: واحد ونصف في المائة من الوزن
درجة حرارة رد الفعل: 100°C

في ظل هذه الظروف المُحسَّنة، حققت عملية الاسترة بمساعدة الموجات فوق الصوتية عائدًا من إستر البنتاإريثريتول بلغ حوالي 81.4%. وبالمقارنة، لم ينتج عن طريقة الاسترة المتبادلة التقليدية سوى عائد يبلغ حوالي 47٪ في ظل الظروف التي تم تقييمها في الدراسة. وهذا يعني أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية زادت من عائد الإستر بأكثر من 70٪ مقارنة بالطريقة التقليدية.
بالنسبة لمصنعي مواد التشحيم، تُعد هذه النتيجة ذات أهمية بالغة. فارتفاع العائد يعني استغلالًا أفضل للمواد الخام، وتقليل النواتج الجانبية، وتحسين الجدوى الاقتصادية للعملية، واحتمال انخفاض تكلفة الإنتاج لكل كيلوغرام من زيت الأساس الإستري.

تأكيد تكوّن الإستر

أكدت الدراسة التي أجراها أروموغام وآخرون (2019) تكوّن إستر البنتاإريثريتول باستخدام التحليل الطيفي FTIR والكروماتوغرافيا الغازية. وأظهر تحليل FTIR قممًا مميزة لكربونيل الإستر ورابطة C–O الخاصة بالإستر، في حين أيدت قمم إضافية وجود مجموعة البنتاإريثريتيل. كما أكد التحليل الكروماتوغرافي الغازي تركيب المنتج، بما في ذلك أجزاء أحادية الإستر وثنائية الإستر وثلاثية الإستر ورباعية الإستر.
يُعد هذا التأكيد التحليلي مهمًا في إنتاج مواد التشحيم الحيوية، لأن أداء مواد التشحيم يعتمد بشكل كبير على تركيبة الإسترات. وتوفر القدرة على تعزيز تكوين هياكل الإسترات المرغوبة من خلال عملية استبدال الإسترات بالموجات فوق الصوتية الخاضعة للرقابة أداة عملية للمصنعين لتحسين جودة الزيت الأساسي واتساق العملية.
 

الطيف FTIR لإستر البنتاإريثريتول الذي خضع لعملية استبدال الإستر بالموجات فوق الصوتية
الدراسة والرسم البياني: ©Arumugam وآخرون، 2019

مزايا أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher لمصنعي مواد التشحيم

تقدم شركة «هيلشر» مجموعة كاملة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بدءًا من R&من الوحدات من طراز D إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية الكاملة. وهذا يتيح تطوير عملية على نطاق مختبري ثم نقلها إلى نطاق تجريبي ونطاق الإنتاج باستخدام نفس المبادئ الأساسية للموجات فوق الصوتية.
تتميز جميع أجهزة الموجات فوق الصوتية التي تبلغ قوتها 200 واط أو أكثر بوجود تحكم رقمي، وإعدادات قابلة للبرمجة، والتشغيل عن بُعد عبر المتصفح، وتسجيل البيانات تلقائيًّا، وأجهزة استشعار قابلة للتوصيل لقياس درجة الحرارة والضغط، وغير ذلك الكثير، مما يضمن سهولة الاستخدام القصوى ونتائج قابلة للتكرار.
فيما يتعلق بإنتاج مواد التشحيم الصناعية، تشمل مجموعة منتجات شركة Hielscher أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية المدمجة لإجراء دراسات الجدوى، وأنظمة على نطاق تجريبي لتحسين العمليات، ومعالجات صناعية تعمل بالموجات فوق الصوتية مثل UIP500hdT وUIP1000hdT وUIP1500hdT، UIP2000hdT، وUIP4000hdT، وUIP16000hdT، بالإضافة إلى المنشآت متعددة الوحدات الأكبر حجمًا المخصصة للمعالجة المستمرة بكميات كبيرة.
تتيح المفاعلات ذات التدفق المباشر التحكم في زمن البقاء، والضغط من أجل تحقيق تجويف أكثر كثافة، وإدارة درجة الحرارة، والتكامل المباشر مع خطوط الإنتاج الحالية لعملية الأسترة أو إعادة الأسترة.

توفر معالجات «هيلشر» بالموجات فوق الصوتية مزايا مهمة في مجال تصنيع الإسترات ومواد التشحيم الحيوية:

• تحكم دقيق في السعة لضمان تكرار شدة التكهف
• نبضات قابلة للتعديل لتحسين استهلاك الطاقة وإدارة الحرارة
• التصويبة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار عالي الطاقة من أجل نقل الطاقة بشكل مباشر وفعال إلى وسط التفاعل
• التشغيل على دفعات والتشغيل بالتدفق المستمر من أجل تطوير عمليات مرنة
• قابلية التوسع الصناعي من مرحلة الاختبارات المعملية إلى التصنيع عالي الإنتاجية
• تصميم معدات متين مخصص لبيئات المعالجة الكيميائية الصعبة

 
 
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:

تخليق الديستر بالموجات فوق الصوتية كاستراتيجية تصنيع

يرتبط مبدأ عملية الاسترة بالموجات فوق الصوتية للزيوت والدهون ارتباطًا مباشرًا بتخليق ثنائي الإستر بالموجات فوق الصوتية، وبإنتاج مواد التشحيم الحيوية القائمة على الإسترات على نطاق أوسع. تُعدّ ثنائيات الإستر مواد أساسية مهمة في صناعة مواد التشحيم الاصطناعية، وذلك بفضل سلوكها الملائم من حيث اللزوجة ودرجة الحرارة، وقدرتها على التشحيم، وخصائصها في درجات الحرارة المنخفضة. وعلى غرار تفاعلات الأسترة والتحويل الإستري الأخرى، غالبًا ما يستفيد تخليق ثنائيات الإستر من تحسين التلامس بين المواد المتفاعلة، وتسريع نقل الكتلة، والاستخدام الأكثر فعالية للمحفز.
وبالتالي، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تُعد أداة عملية لتكثيف العمليات بالنسبة للمصنعين الذين ينتجون الإسترات من المواد الخام المتجددة، أو إسترات الميثيل للأحماض الدهنية، أو الكحولات، أو البوليولات، أو غيرها من سلائف الإسترات. وبدلاً من الاعتماد حصريًّا على الحرارة والتحريك الميكانيكي، توفر الموجات فوق الصوتية عملية خلط مدفوعة بالتجويف على المستوى المجهري، حيث تحدث بالفعل العديد من القيود التي تحد من التفاعل.

بالنسبة لمهندسي العمليات، يعني هذا أنه يمكن استخدام المفاعلات التي تعمل بالموجات فوق الصوتية لتحسين:

• معدل التفاعل
• معدل إنتاج الإستر
• كفاءة المُحفِّز
• مرحلة التشتت/li>
• الاتساق بين الدُفعات
• إيجاز العملية
• كفاءة الطاقة مقارنةً بالمعالجة التقليدية المطولة

تصل نسبة التحويل في عملية الاسترة بالموجات فوق الصوتية إلى حوالي 75% خلال أول 1.5 دقيقة، ثم تستقر عند حوالي 90% بعد 6 دقائق.
تُظهر الطريقة التقليدية معدل تحويل أبطأ بكثير، حيث يصل إلى حوالي 40% فقط من التحويل بعد 8 دقائق.
الدراسة والرسم البياني: ©Fayyazi وآخرون، 2014

من الدراسة المختبرية إلى الإنتاج الصناعي لمواد التشحيم الحيوية

تعد عملية الاسترة عبر الموجات فوق الصوتية طريقة مناسبة لإنتاج الإسترات المستخدمة في مواد التشحيم (مثل مواد التشحيم الحيوية القائمة على إسترات البنتاإريثريتول)، حيث توفر عائدًا محسّنًا وتقلل من شدة التفاعل مقارنة بالطريقة التقليدية. أفاد أروموغام وآخرون (2019) بزيادة العائد من 47% إلى حوالي 81.4%، مما يبرهن بوضوح على الأهمية التجارية لتكثيف العملية باستخدام الموجات فوق الصوتية.
بالنسبة لمصنعي مواد التشحيم، فإن الآثار المترتبة على ذلك واضحة: يمكن أن تساعد عملية الاسترة بالموجات فوق الصوتية في تحويل المواد الخام المتجددة إلى زيوت أساسية إسترية عالية القيمة بشكل أكثر كفاءة. وبفضل أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher، يمكن توسيع نطاق منصة التكنولوجيا نفسها المستخدمة في التحسين المختبري لتناسب التشغيل الصناعي المستمر. وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية ليست مجرد أداة بحثية فحسب، بل استراتيجية تصنيع قابلة للتطبيق لإنتاج مواد التشحيم الحيوية من الجيل التالي.
من خلال دمج مفاعلات Hielscher التي تعمل بالموجات فوق الصوتية في خطوط إنتاج الإسترات، يمكن للمصنعين تعزيز عملية الاسترة العكسية، وتحسين العائدات، وتطوير مواد أساسية أكثر استدامة لزيوت التشحيم من المواد الخام المشتقة من الزيوت النباتية. مع استمرار نمو الطلب على مواد التشحيم القابلة للتحلل الحيوي والمتجددة، يوفر تصنيع ديسترات وبوليول إستر بالموجات فوق الصوتية مسارًا قويًّا نحو إنتاج مواد تشحيم حيوية أنظف وأكثر كفاءة وتنافسية تجاريًّا.

الأدب / المراجع