Výroba biologických maziv: intenzifikace procesu pomocí ultrazvuku

Odvětví maziv vstupuje do rozhodující fáze inovací v oblasti složení produktů. Vzhledem k tomu, že průmysloví uživatelé, odvětví mobility, námořní provozovatelé a aplikace s ohledem na životní prostředí přecházejí na biologicky rozložitelné a obnovitelné alternativy, jsou výrobci maziv pod rostoucím tlakem, aby dodávali vysoce výkonná biomaziva, aniž by došlo ke snížení kontroly viskozity, oxidační stability, ochrany proti opotřebení nebo dlouhodobé skladovací stability. Analytici trhu hlásí pokračující růst v oblasti biomaziv, který je poháněn poptávkou po biologicky rozložitelných, nízkouhlíkových a udržitelných mazacích řešeních v dopravě i průmyslových aplikacích.

Výroba biomaziv pomocí ultrazvuku: intenzifikace procesu pro udržitelná maziva

V této souvislosti nabývá ultrazvukové zpracování, známé také jako sonikace, na průmyslovém významu jako univerzální výrobní technologie pro výrobu biomaziv. Vysoce výkonný ultrazvuk lze využít k ultrazvukové disperzi, sonochemické transesterifikaci, emulgaci a přípravě mikrogelových částic, čímž poskytuje vývojářům receptur spolehlivý nástroj ke zlepšení jak chemické konverze, tak fyzikální kvality formulace. Díky tomu je sonikace vysoce účinnou zpracovatelskou technikou používanou při výrobě biomazacích olejů, biomazacích tuků, biomaziv na vodní bázi a maziv vhodných pro styk s potravinami.

Proč je ultrazvukové zpracování důležité pro výrobce biomaziv

Biomaziva často využívají komplexní systémy surovin: rostlinné oleje, syntetické estery, polymery na biologické bázi, deriváty celulózy, funkční přísady, antioxidanty, inhibitory koroze, prostředky proti opotřebení, modifikátory tření a fáze na vodní bázi nebo emulzní typy. Tyto složky se mohou výrazně lišit v polaritě, viskozitě, velikosti částic, rozpustnosti a chování na rozhraní fází. Konvenční míchadla, systémy s rotorem a statorem nebo dlouhé dávkové míchání nemusí vždy poskytovat dostatečnou energetickou hustotu k vytvoření jemných, stabilních disperzí nebo k rychlým reakcím na rozhraní fází.
Sonikace řeší tyto výzvy pomocí akustické kavitace. Když se do kapalin zavede ultrazvuk vysoké intenzity, vytvářejí se mikroskopické kavitační bublinky, které rostou a poté se hroutí. Tím vzniká lokální vysoké smykové namáhání, intenzivní mikromíchání, turbulence, deaglomerace částic a reaktivní zóny, které mohou urychlit přenos hmoty a chemické reakce. Ve výzkumu transesterifikace byl ultrazvuk široce studován jako způsob, jak překonat pomalou reakční kinetiku a neefektivní kontakt mezi olejovou a alkoholovou fází.
Pro výrobce maziv to znamená, že ultrazvuk není pouhou laboratorní metodou homogenizace. Jedná se o technologii intenzifikace procesů, která může přispět k výrobě stabilnějších, jednotnějších a účinnějších receptur maziv na biologické bázi.
 

Ultrazvukový dispergátor se sondou umožňuje výrobu vysoce výkonných biomaziv.
(Studie a obrázek: Liu a kol., 2020)

Ultrazvuková disperze přísad do maziv na biologické bázi

Klíčovou výzvou při vývoji receptur biomaziv je homogenní začlenění aditiv na biologické bázi. Materiály, jako jsou karboxymethylcelulóza, celulózová nanovlákna, biopolymery, přírodní gumy, deriváty ligninu, zahušťovadla na biologické bázi a funkční nanočástice, mohou výrazně ovlivnit viskozitu, mazivost, odolnost proti opotřebení, tvorbu filmu a stabilitu suspenze. Tyto materiály však často mají sklon k aglomeraci, pomalu hydratují nebo tvoří nerovnoměrné gelové struktury.
Ultrazvuková disperze pomáhá výrobcům omezit tvorbu aglomerátů a rovnoměrněji rozptýlit přísady v celé matrici maziva. To je obzvláště cenné u maziv na vodní bázi, nanomaziv, systémů podobných mazacím tukům a biomaziv na bázi emulzí. Nedávný výzkum systémů na bázi celulózy ukazuje, že sonikace může významně ovlivnit disperzní chování, reologii a strukturu sítě, což z ní činí užitečný nástroj pro úpravu receptur obsahujících celulózu.

Pro výrobce maziv může lepší disperze znamenat:

• Konzistentnější viskozita a reologické vlastnosti
• Zvýšená účinnost aditiv při nižších dávkách
• Snížená sedimentace, fázová separace nebo plovoucí pevné látky
• Lepší reprodukovatelnost tribologických vlastností
• Kratší doba zpracování ve srovnání s prodlouženým mechanickým mícháním

Karboxymethylcelulóza je obzvláště významná, protože se jako derivát celulózy široce používá díky svým užitečným viskozitním, povrchovým a filmotvorným vlastnostem. V mazivových systémech může ultrazvuková обробka pomoci začlenit CMC a další biopolymery do stabilních vodných nebo emulzních formulací, čímž podporuje vývoj ekologicky šetrnějších maziv s kontrolovaným tokovým chováním a zvýšenou stabilitou formulace.
 

Biologická maziva s ultrazvukem dispergovanou karboxymethylcelulózou. Ultrazvuková disperze umožňuje výrobu dlouhodobě stabilních nano-biologických maziv
Studie a obrázky: ©Rahmadiawan a kol., 2022

Sonochemická transesterifikace pro výrobu biolubrikantů na bázi diesterů a esterů

Estery patří mezi nejdůležitější základní kapaliny pro vysoce výkonná biomaziva. V závislosti na výchozí surovině a molekulární struktuře mohou nabídnout dobré mazací vlastnosti, vysoký viskozitní index, biologickou rozložitelnost a příznivé chování při nízkých teplotách. Diestery a polyolestery jsou obzvláště důležité pro aplikace, jako jsou hydraulické kapaliny, oleje pro kompresory, kapaliny pro obrábění kovů, oleje pro řetězové pily, lodní maziva a speciální průmyslová maziva.
Jednou ze slibných aplikací ultrazvuku je sonochemická příprava esterů metodou transesterifikace. Při konvenční transesterifikaci vyžadují nemísitelné reaktanty, jako jsou oleje a alkoholy, často intenzivní míchání, zvýšené teploty, katalyzátory a delší reakční doby. Ultrazvuk zlepšuje přenos hmoty tím, že vytváří jemné emulze mezi fázemi reaktantů a neustále obnovuje rozhraní, na kterém reakce probíhá.
Transesterifikace za pomoci ultrazvuku je zavedená technika, která se za vhodných podmínek osvědčila díky svým výhodám, jako jsou vyšší reakční rychlosti, lepší kontakt fází, kratší doby separace, vysoké výtěžky a snížená tvorba odpadu. Výrobci maziv využívají metodu ultrazvukové transesterifikace k výrobě složek biomaziv na bázi esterů, včetně diesterů a dalších funkčních esterových struktur.

Ultrazvuková transesterifikace pomáhá výrobcům:

• Zlepšit kontakt mezi fázemi oleje, alkoholu a katalyzátoru
• Zkrácení reakční doby zintenzivněním mezifázového přenosu hmoty
• Podporovat provozní rozsahy s nižšími teplotami nebo s vyšší energetickou účinností
• Zlepšit konzistenci konverze při dávkové nebo kontinuální výrobě
• Umožnit vývoj kompaktních reaktorů pro škálovatelnou výrobu esterů

Pro společnosti vyrábějící základové oleje pro biomaziva představuje ultrazvuk způsob, jak zintenzivnit procesy esterifikace a transesterifikace a zároveň přispět k ekologičtější a efektivnější výrobě.

Ultrazvuková emulgace mazivových směsí

Mnoho moderních biomaziv nejsou pouhé jednofázové oleje. Mohou zahrnovat emulze typu voda v oleji, emulze typu olej ve vodě, koncentráty přísad, disperze vosků, systémy modifikované polymery nebo komplexní vícefázové směsi. Kvalita těchto emulzí má přímý vliv na skladovací stabilitu, mazivost, chladicí výkon, ochranu proti korozi a chování při aplikaci.
Ultrazvuková emulgace je vysoce účinná, protože kavitace vytváří intenzivní lokální smykové síly, které rozbíjejí kapičky na menší částice a vedou k úzkému rozložení velikosti kapiček. Při výrobě maziv lze tento proces využít k emulgaci olejů na biologické bázi, esterových fází, vodných fází, povrchově aktivních látek, polymerních stabilizátorů a funkčních přísad do stabilních přípravků.

To se týká zejména:

• biologické maziva na vodní bázi
• Kapaliny pro obrábění kovů a řezné kapaliny
• Hydraulické kapaliny s obsahem obnovitelných složek
• Maziva emulzního typu a polotuhá maziva
• Koncentráty aditiv a předdisperze
• Mazací systémy obsahující biopolymery nebo deriváty celulózy

Jemná emulgace zvyšuje fyzikální stabilitu mazivových směsí a může snížit potřebu nadměrného přidávání povrchově aktivních látek. Pro výrobce to přináší jak výkonnostní, tak nákladové výhody: lepší stabilitu, efektivnější využití aditiv a větší flexibilitu při sestavování receptur.

Ultrazvuková úprava pro výrobu mikrogelových částic v emulzi

Další rozvíjející se oblastí je výroba emulzních mikrogelových částic pro pokročilé receptury maziv. Mikrogely mohou působit jako modifikátory reologie, nosiče účinných látek, modifikátory tření nebo reaktivní strukturovací činidla. V systémech maziv na biologické bázi mohou být mikrogelové částice vyráběny z přírodních polymerů, modifikované celulózy, polysacharidů, bílkovin nebo jiných systémů obnovitelných polymerů.
Ultrazvukové zpracování podporuje přípravu mikrogelů tím, že umožňuje řízenou emulgaci, zmenšení velikosti kapiček, disperzi polymerů a strukturování fází. Stejné mechanismy založené na kavitaci, které vedou k tvorbě jemných emulzí, mohou rovněž napomáhat při vytváření malých, jednotných kapiček prekurzoru nebo dispergovaných polymerních domén, které jsou následně gelovány, zesíťovány nebo stabilizovány.

Optimalizujte výrobu biologických maziv pomocí ultrazvuku

Jednou z nejdůležitějších otázek pro výrobce maziv je, zda lze ultrazvukové zpracování spolehlivě integrovat do výrobních linek. V případě sonikátorů Hielscher je odpověď jednoznačně ano. Vysoce výkonné sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz, zpracování v rámci výrobní linky a hladkou integraci do stávajících výrobních linek, což z nich činí výkonné a spolehlivé řešení pro průmyslovou výrobu biomaziv.
V typickém průmyslovém uspořádání se předem namíchaná maziva, suspenze aditiv, reakční směs oleje a alkoholu nebo emulze čerpají přes ultrazvukovou průtokovou komoru, kde jsou vystaveny přesně řízené ultrazvukové energii. Klíčové parametry procesu, jako jsou amplituda, tlak, teplota, průtok, doba zdržení a specifický příkon energie, lze přesně nastavit, monitorovat a jsou automaticky dokumentovány. Tato vysoká úroveň ovladatelnosti poskytuje výrobcům maziv procesní jistotu nezbytnou pro reprodukovatelnou kvalitu receptur, validované výrobní protokoly a konzistentní škálování z R&Zkušební provoz D až po pilotní výrobu a plný průmyslový výkon.
Pro výrobce biomaziv je tato škálovatelnost obzvláště důležitá, protože požadavky na složení jsou stále náročnější. Zákazníci očekávají udržitelné produkty, ale zároveň i stejný nebo lepší výkon než u konvenčních maziv na ropné bázi. Ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher pomáhají výrobcům tuto mezeru překlenout díky kombinaci výkonu, spolehlivosti, ovladatelnosti a lineární škálovatelnosti v jedné robustní ultrazvukové platformě. Díky těmto výhodám jsou ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher preferovanou volbou pro firmy, které potřebují průmyslovou sonikaci pro výrobu vysoce kvalitních bio-maziv.

 
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference