تخليق ثنائيات الإستر بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مواد تشحيم حيوية عالية الأداء

يتسارع التحول من مواد التشحيم المشتقة من النفط إلى مواد تشحيم متجددة وقابلة للتحلل الحيوي وعالية الأداء قائمة على الإسترات في مختلف القطاعات الصناعية. ويواجه مصنعو مواد التشحيم ضغوطًا متزايدة للحد من الأثر البيئي مع الحفاظ على معايير أداء صارمة، مثل ارتفاع مؤشر اللزوجة، وانخفاض التطاير، وجودة خواص التشحيم، والثبات الحراري، والسلوك الموثوق عند درجات الحرارة المنخفضة. وفي هذا السياق، توفر الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية استراتيجية فعالة لتكثيف العمليات بهدف تخليق المواد الخام القائمة على الإسترات المستخدمة في تركيبات مواد التشحيم الحيوية الحديثة.

الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية لثنائيات الإستر المستخدمة في مواد التشحيم الحيوية

تُعد الأسترة التبادلية للزيوت النباتية والدهون بالموجات فوق الصوتية تقنية مستدامة تحسن مردود الإسترات بدرجة كبيرة، وتقلل قيود المعالجة، وتجعل مسار الأسترة التبادلية أكثر جاذبية لإنتاج مواد التشحيم صناعيًا. وتُستخدم أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتخليق الإسترات بكفاءة ضمن خطوط الإنتاج في ظل ظروف عملية مضبوطة.

تخليق مواد التشحيم الحيوية بالأسترة التبادلية

تُعد الزيوت النباتية مواد أولية جذابة لمواد التشحيم الحيوية لأنها متجددة وقابلة للتحلل الحيوي وتتمتع بخواص تشحيم جيدة. ومع ذلك، غالبًا ما تعاني الزيوت النباتية غير المعالجة من ثبات تأكسدي محدود وخواص ضعيفة عند درجات الحرارة المنخفضة. ومن الاستراتيجيات الشائعة للتغلب على هذه العيوب تحويل إسترات الميثيل المشتقة من الزيوت النباتية إلى إسترات البوليولات، مثل إسترات البنتا إريثريتول، عن طريق الأسترة التبادلية.
في دراسة «تحسين معلمات عملية الأسترة التبادلية المعالَجة بالموجات فوق الصوتية لتخليق مادة تشحيم حيوية قائمة على إسترات البوليولات باستخدام منهجية سطح الاستجابة RSM وخوارزمية بحث الغربان» التي أجراها Arumugam et al.، حُوِّل زيت بذور اللفت أولًا إلى إستر ميثيل زيت بذور اللفت. وفي خطوة ثانية، أُجري تفاعل هذا الإستر الميثيلي مع البنتا إريثريتول بوجود حمض بارا-تولوين سلفونيك بوصفه حفازًا والزيلين بوصفه مذيبًا. وكان المنتج المستهدف إستر البنتا إريثريتول المناسب للاستخدام كزيت أساس لمواد التشحيم الحيوية. ويكتسب هذا التفاعل أهمية كبيرة لدى مصنعي مواد التشحيم لأن إسترات البوليولات تُستخدم على نطاق واسع كزيوت أساس اصطناعية لزيوت الضواغط والسوائل الهيدروليكية وزيوت التبريد وغيرها من تطبيقات التشحيم عالية الأداء.
يتمثل التحدي الرئيسي في الأسترة التبادلية التقليدية في أن التفاعل غالبًا ما يكون مقيدًا بضعف انتقال الكتلة بين المواد المتفاعلة. فلا تشكل إسترات الميثيل والبوليولات والحفازات دائمًا نظام تفاعل متجانسًا مثاليًا. وقد يتطلب التحريك التقليدي أزمنة تفاعل طويلة ودرجات حرارة عالية ومدخلات طاقة مرتفعة، مع استمرار الحصول على مردود متوسط. وهنا توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية ميزة حاسمة.

مخطط تدفق عملية الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية لإستر البنتا إريثريتول
الدراسة والرسم: ©Arumugam et al,.2019

كيف تكثف الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية تخليق الإسترات

تستخدم الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عالية الشدة لإحداث التجويف الصوتي في وسط التفاعل السائل. ويولد التجويف فقاعات مجهرية تنمو وتنهار بعنف. وينتج عن ذلك قوى قص موضعية شديدة، ونفاثات دقيقة، وتيارات صوتية، واستحلاب دقيق.
وتكتسب هذه التأثيرات قيمة كبيرة في تخليق الإسترات لأنها:

• تقلل حجم القطرات وتحسن التلامس بين الأطوار
• تزيد المساحة البينية بين المواد المتفاعلة غير القابلة للامتزاج أو ضعيفة الامتزاج
• تعزز وصول المواد المتفاعلة إلى الحفاز
• تسرع انتقال الكتلة
• تحسن حركية التفاعل
• تدعم تحقيق مردود أعلى من الإسترات في ظل ظروف محسَّنة

توضح الدراسة أن الاضطراب والمستحلبات الدقيقة الناتجة عن التجويف يتغلبان على قيود انتقال الكتلة في الأسترة التبادلية التقليدية. ونتيجة لذلك، تتشتت المواد المتفاعلة بفاعلية أكبر، ويسير التفاعل الحفزي بسرعة أعلى وبصورة أكثر اكتمالًا.

نتائج الدراسة: مردود أعلى من الإسترات باستخدام الموجات فوق الصوتية

حسَّنت الدراسة العملية المدعومة بالموجات فوق الصوتية باستخدام منهجية سطح الاستجابة وخوارزمية بحث الغربان. وكانت متغيرات العملية المدروسة هي نبضة الموجات فوق الصوتية، وسعة الموجات فوق الصوتية، وتركيز الحفاز، ودرجة حرارة التفاعل.
وكانت ظروف العملية المحسَّنة بالموجات فوق الصوتية كما يلي:
نظام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية: جهاز Hielscher UP400St للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار
نبضة الموجات فوق الصوتية: 15 ثانية
سعة الموجات فوق الصوتية: 60%
تركيز الحفاز: 1.5 wt.%
درجة حرارة التفاعل: 100°C

في ظل هذه الظروف المحسَّنة، حققت الأسترة التبادلية المدعومة بالموجات فوق الصوتية مردودًا من إستر البنتا إريثريتول بلغ نحو 81.4%. وبالمقارنة، لم ينتج مسار الأسترة التبادلية التقليدية إلا مردودًا يبلغ نحو 47% في ظل الظروف التي قيَّمتها الدراسة. وهذا يعني أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية زادت مردود الإسترات بأكثر من 70% مقارنة بالمسار التقليدي.
وتُعد هذه النتيجة ذات أهمية كبيرة لمصنعي مواد التشحيم. فالمردود الأعلى يعني استغلالًا أفضل للمواد الخام، وتقليل التدفقات الجانبية، وتحسين اقتصاديات العملية، وربما خفض تكلفة الإنتاج لكل كيلوغرام من زيت الأساس الإسترِي.

تأكيد تكوُّن الإستر

أكدت دراسة Arumugam et al. (2019) تكوُّن إستر البنتا إريثريتول باستخدام مطيافية FTIR وكروماتوغرافيا الغاز. وأظهر تحليل FTIR قممًا مميزة لكربونيل الإستر وروابط C–O في الإستر، في حين دعمت قمم إضافية وجود مجموعة البنتا إريثريتيل. وأكدت كروماتوغرافيا الغاز كذلك تركيب المنتج، بما في ذلك الأجزاء المكوَّنة من أحادي الإستر وثنائي الإستر وثلاثي الإستر ورباعي الإستر.
ويكتسب هذا التأكيد التحليلي أهمية في إنتاج مواد التشحيم الحيوية لأن أداء مواد التشحيم يعتمد بدرجة كبيرة على تركيب الإسترات. وتمنح القدرة على تعزيز تكوُّن البنى الإسترية المطلوبة عبر الأسترة التبادلية المضبوطة بالموجات فوق الصوتية المصنعين أداة عملية لتحسين جودة زيت الأساس واتساق العملية.
 

طيف FTIR لإستر البنتا إريثريتول الناتج عن الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية
الدراسة والرسم: ©Arumugam et al., 2019

مزايا أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمصنعي مواد التشحيم

تقدم Hielscher مجموعة متكاملة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بدءًا من وحدات البحث والتطوير وصولًا إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية بالكامل. ويتيح ذلك تطوير العملية على النطاق المخبري ثم نقلها إلى النطاق التجريبي ونطاق الإنتاج باستخدام المبادئ الأساسية نفسها للموجات فوق الصوتية.
تتميز جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200 واط فأكثر بالتحكم الرقمي، والإعدادات القابلة للبرمجة، والتشغيل عن بُعد عبر المتصفح، والتسجيل الآلي للبيانات، ومستشعرات درجة الحرارة والضغط القابلة للتوصيل، وغير ذلك الكثير لتحقيق أعلى مستويات سهولة الاستخدام ونتائج قابلة للتكرار.
ولإنتاج مواد التشحيم صناعيًا، تشمل مجموعة Hielscher أجهزة مخبرية مدمجة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لدراسات الجدوى، وأنظمة على النطاق التجريبي لتحسين العمليات، ومعالجات صناعية بالموجات فوق الصوتية مثل UIP500hdT وUIP1000hdT وUIP1500hdT وUIP2000hdT وUIP4000hdT وUIP16000hdT، ومنشآت أكبر متعددة الوحدات للمعالجة المستمرة بكميات كبيرة.
تتيح مفاعلات التدفق المستمر ضبط زمن المكوث، ورفع الضغط لإحداث تجويف أشد، وإدارة درجة الحرارة، والدمج ضمن خطوط إنتاج الأسترة أو الأسترة التبادلية القائمة.

توفر معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية مزايا مهمة لتخليق الإسترات ومواد التشحيم الحيوية:

• تحكم دقيق في السعة لتحقيق شدة تجويف قابلة للتكرار
• تشغيل نبضي قابل للضبط لتحسين مدخلات الطاقة والإدارة الحرارية
• معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة باستخدام مسبار لنقل الطاقة مباشرة وبكفاءة إلى وسط التفاعل
• تشغيل على دفعات وبالتدفق المستمر لتطوير العمليات بمرونة
• قابلية التوسع الصناعي من الاختبارات المخبرية إلى التصنيع بمعدل معالجة مرتفع
• تصميم متين للمعدات يناسب بيئات المعالجة الكيميائية ذات المتطلبات الصعبة

 
 
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

تخليق ثنائيات الإستر بالموجات فوق الصوتية بوصفه استراتيجية تصنيع

يرتبط مبدأ عملية الأسترة التبادلية للزيوت والدهون بالموجات فوق الصوتية ارتباطًا مباشرًا بتخليق ثنائيات الإستر بالموجات فوق الصوتية وبإنتاج مواد التشحيم الحيوية القائمة على الإسترات على نطاق أوسع. وتُعد ثنائيات الإستر زيوت أساس اصطناعية مهمة لمواد التشحيم بسبب سلوكها الملائم من حيث العلاقة بين اللزوجة ودرجة الحرارة، وخواص التشحيم، وخواصها عند درجات الحرارة المنخفضة. ومثل تفاعلات الأسترة والأسترة التبادلية الأخرى، غالبًا ما يستفيد تخليق ثنائيات الإستر من تحسين التلامس بين المواد المتفاعلة، وتسريع انتقال الكتلة، وزيادة فاعلية استخدام الحفاز.
ولذلك تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة عملية لتكثيف العمليات لدى المصنعين الذين ينتجون الإسترات من المواد الأولية المتجددة، أو إسترات ميثيل الأحماض الدهنية، أو الكحولات، أو البوليولات، أو غيرها من سلائف الإسترات. وبدلًا من الاعتماد فقط على الحرارة والتحريك الميكانيكي، تُحدث الموجات فوق الصوتية مزجًا مدفوعًا بالتجويف على المستوى المجهري، حيث تنشأ بالفعل كثير من قيود التفاعل.

وبالنسبة إلى مهندسي العمليات، يعني ذلك إمكانية استخدام مفاعلات الموجات فوق الصوتية لتحسين:

• معدل التفاعل
• مردود الإسترات
• كفاءة الحفاز
• تشتيت الأطوار
• الاتساق بين الدفعات
• تقليل الحيز الذي تشغله العملية
• كفاءة الطاقة مقارنة بالمعالجة التقليدية المطوَّلة

تصل الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية إلى نسبة تحويل تبلغ نحو 75% خلال أول 1.5 دقيقة، وتستقر عند نسبة تحويل تبلغ نحو 90% بعد 6 دقائق.
تُظهر الطريقة التقليدية معدل تحويل أبطأ بكثير، إذ لا تصل إلا إلى نسبة تحويل تبلغ نحو 40% بعد 8 دقائق.
الدراسة والرسم: ©Fayyazi et al., 2014

من الدراسة المخبرية إلى الإنتاج الصناعي لمواد التشحيم الحيوية

تُعد الأسترة التبادلية المدعومة بالموجات فوق الصوتية طريقة مناسبة لإنتاج إسترات لمواد التشحيم، مثل مادة تشحيم حيوية قائمة على إستر البنتا إريثريتول، مع تحسين المردود وتقليل قسوة ظروف التفاعل مقارنة بالمسار التقليدي. وقد أفاد Arumugam et al. (2019) بزيادة المردود من 47% إلى نحو 81.4%، وهو ما يوضح بجلاء الأهمية التجارية لتكثيف العمليات بالموجات فوق الصوتية.
وبالنسبة إلى مصنعي مواد التشحيم، فإن الدلالات واضحة: يمكن للأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية أن تساعد على تحويل المواد الأولية المتجددة إلى زيوت أساس إسترية عالية القيمة بكفاءة أكبر. وباستخدام أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، يمكن توسيع نطاق المنصة التقنية نفسها المستخدمة في التحسين المخبري لتشمل التشغيل الصناعي المستمر. وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة بحثية واستراتيجية تصنيع مجدية لمواد التشحيم الحيوية من الجيل التالي.
ومن خلال دمج مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية في خطوط تخليق الإسترات، يمكن للمصنعين تكثيف الأسترة التبادلية، وتحسين المردود، وتطوير زيوت أساس أكثر استدامة لمواد التشحيم من المواد الخام المشتقة من الزيوت النباتية. ومع استمرار نمو الطلب على مواد التشحيم القابلة للتحلل الحيوي والمتجددة، يوفر تخليق ثنائيات الإستر وإسترات البوليولات بالموجات فوق الصوتية مسارًا قويًا نحو إنتاج مواد تشحيم حيوية أنظف وأكثر كفاءة وقدرة على المنافسة التجارية.

المصادر / المراجع

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.