Producción de biolubricantes: intensificación de procesos mediante sonicación

La industria de los lubricantes está entrando en una fase decisiva de innovación en la formulación. A medida que los usuarios industriales, los sectores de la movilidad, los operadores marítimos y las aplicaciones sensibles desde el punto de vista medioambiental avanzan hacia alternativas biodegradables y renovables, los fabricantes de lubricantes afrontan una presión creciente para ofrecer biolubricantes de alto rendimiento sin comprometer el control de la viscosidad, la estabilidad oxidativa, la protección contra el desgaste ni la estabilidad durante el almacenamiento a largo plazo. Los analistas de mercado señalan un crecimiento sostenido de los biolubricantes, impulsado por la demanda de soluciones lubricantes biodegradables, sostenibles y con menores emisiones para aplicaciones industriales y de transporte.

Producción ultrasónica de biolubricantes: intensificación de procesos para lubricantes sostenibles

En este contexto, el procesamiento ultrasónico, también conocido como sonicación, está adquiriendo relevancia industrial como tecnología de producción versátil para la fabricación de biolubricantes. Los ultrasonidos de alta potencia pueden utilizarse para la dispersión ultrasónica, la transesterificación sonoquímica, la emulsificación y la preparación de partículas de microgel, proporcionando a los formuladores una herramienta robusta para mejorar tanto la conversión química como la calidad física de la formulación. Esto convierte la sonicación en una técnica de procesamiento muy eficiente utilizada en aceites biolubricantes, grasas biolubricantes, biolubricantes de base acuosa y lubricantes de grado alimentario.

Por qué el procesamiento ultrasónico es importante para los fabricantes de biolubricantes

Los biolubricantes suelen basarse en sistemas complejos de materias primas: aceites vegetales, ésteres sintéticos, polímeros de origen biológico, derivados de la celulosa, aditivos funcionales, antioxidantes, inhibidores de la corrosión, agentes antidesgaste, modificadores de la fricción y fases de base acuosa o de tipo emulsión. Estos ingredientes pueden diferir considerablemente en polaridad, viscosidad, tamaño de partícula, solubilidad y comportamiento interfacial. Los mezcladores convencionales, los sistemas rotor-estator o la agitación prolongada por lotes no siempre proporcionan una densidad de energía suficiente para producir dispersiones finas y estables o reacciones interfaciales rápidas.
La sonicación aborda estos retos mediante la cavitación acústica. Cuando se introducen ultrasonidos de alta intensidad en líquidos, se forman burbujas microscópicas de cavitación que crecen y colapsan. Esto genera un elevado cizallamiento localizado, una micromezcla intensa, turbulencia, desaglomeración de partículas y zonas reactivas que pueden acelerar la transferencia de masa y las reacciones químicas. En la investigación sobre transesterificación, los ultrasonidos se han estudiado ampliamente como una forma de superar la cinética de reacción lenta y el contacto ineficiente entre las fases de aceite y alcohol.
Para los fabricantes de lubricantes, esto significa que los ultrasonidos no son simplemente un método de homogeneización de laboratorio. Son una tecnología de intensificación de procesos que puede contribuir a la producción de formulaciones de lubricantes de origen biológico más estables, uniformes y eficientes.
 

El dispersor ultrasónico de sonda produce biolubricantes de alto rendimiento.
(Estudio e imagen: Liu et al., 2020)

Dispersión ultrasónica de aditivos de origen biológico para lubricantes

Un reto clave en la formulación de biolubricantes es la incorporación homogénea de aditivos de origen biológico. Materiales como la carboximetilcelulosa, las nanofibras de celulosa, los biopolímeros, las gomas naturales, los derivados de la lignina, los espesantes de origen biológico y las nanopartículas funcionales pueden influir considerablemente en la viscosidad, la lubricidad, las prestaciones antidesgaste, la formación de películas y la estabilidad de la suspensión. Sin embargo, estos materiales suelen tender a aglomerarse, hidratarse lentamente o formar estructuras de gel no uniformes.
La dispersión ultrasónica ayuda a los fabricantes a reducir los aglomerados y distribuir los aditivos de manera más uniforme por toda la matriz del lubricante. Esto resulta especialmente valioso para los lubricantes de base acuosa, los nanolubricantes, los sistemas de tipo grasa y los biolubricantes basados en emulsiones. Las investigaciones recientes sobre sistemas basados en celulosa muestran que la sonicación puede afectar considerablemente al comportamiento de dispersión, la reología y la estructura de la red, lo que la convierte en una herramienta de procesamiento útil para ajustar las formulaciones que contienen celulosa.

Para los fabricantes de lubricantes, una mejor dispersión puede traducirse en:

• Viscosidad y comportamiento reológico más constantes
• Mayor eficiencia de los aditivos con dosis más bajas
• Menor sedimentación, separación de fases o presencia de sólidos flotantes
• Prestaciones tribológicas más reproducibles
• Tiempos de procesamiento más cortos en comparación con la agitación mecánica prolongada

La carboximetilcelulosa es especialmente relevante porque se utiliza ampliamente como derivado de la celulosa con propiedades útiles de viscosidad, superficie y formación de películas. En los sistemas lubricantes, la sonicación puede ayudar a integrar la CMC y otros biopolímeros en formulaciones acuosas o en emulsión estables, favoreciendo el desarrollo de lubricantes con mejores características medioambientales, un comportamiento de flujo controlado y una mayor estabilidad de la formulación.
 

Biolubricantes con carboximetilcelulosa dispersada mediante ultrasonidos. La dispersión ultrasónica produce nanobiolubricantes estables a largo plazo
Estudio e imágenes: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transesterificación sonoquímica para biolubricantes basados en diésteres y ésteres

Los ésteres se encuentran entre los fluidos base más importantes para los biolubricantes de alto rendimiento. Pueden ofrecer buena lubricidad, un índice de viscosidad elevado, biodegradabilidad y un comportamiento favorable a bajas temperaturas, en función de la materia prima y la estructura molecular. Los diésteres y los ésteres de polioles son especialmente importantes para aplicaciones como fluidos hidráulicos, aceites para compresores, fluidos para el trabajo de metales, aceites para motosierras, lubricantes marinos y lubricantes industriales especiales.
Una aplicación prometedora de los ultrasonidos es la preparación sonoquímica de ésteres mediante transesterificación. En la transesterificación convencional, los reactivos inmiscibles, como los aceites y los alcoholes, suelen requerir una mezcla intensiva, temperaturas elevadas, catalizadores y tiempos de reacción prolongados. Los ultrasonidos mejoran la transferencia de masa al crear emulsiones finas entre las fases de los reactivos y renovar continuamente la interfaz donde tiene lugar la reacción.
La transesterificación asistida por sonicación es una técnica consolidada cuyas ventajas están ampliamente demostradas, como velocidades de reacción más altas, un mejor contacto entre fases, tiempos de separación más cortos, rendimientos elevados y una menor generación de residuos en condiciones adecuadas. Los fabricantes de lubricantes utilizan el método de transesterificación ultrasónica para producir componentes de biolubricantes basados en ésteres, incluidos diésteres y otras estructuras de ésteres funcionales.

La transesterificación ultrasónica ayuda a los fabricantes a:

• Mejorar el contacto entre las fases de aceite, alcohol y catalizador
• Reducir el tiempo de reacción mediante la intensificación de la transferencia de masa interfacial
• Facilitar intervalos de operación a menor temperatura o con mayor eficiencia energética
• Mejorar la uniformidad de la conversión en la producción por lotes o continua
• Permitir diseños de reactores compactos para una producción escalable de ésteres

Para las empresas que producen bases para biolubricantes, los ultrasonidos ofrecen una vía para intensificar los procesos de esterificación y transesterificación, favoreciendo al mismo tiempo una fabricación más limpia y eficiente.

Emulsificación ultrasónica de formulaciones de lubricantes

Muchos biolubricantes modernos no son simples aceites monofásicos. Pueden incluir emulsiones de agua en aceite, emulsiones de aceite en agua, concentrados de aditivos, dispersiones de ceras, sistemas modificados con polímeros o conjuntos multifásicos complejos. La calidad de estas emulsiones repercute directamente en la estabilidad durante el almacenamiento, la lubricidad, las prestaciones de refrigeración, la protección contra la corrosión y el comportamiento en la aplicación.
La emulsificación ultrasónica es muy eficaz porque la cavitación genera fuerzas locales de cizallamiento intensas que fragmentan las gotas en otras más pequeñas y producen distribuciones estrechas de tamaños de gota. En la fabricación de lubricantes, esto puede utilizarse para emulsionar aceites de origen biológico, fases de ésteres, fases acuosas, tensioactivos, estabilizantes poliméricos y aditivos funcionales para obtener formulaciones estables.

Esto resulta especialmente relevante para:

• Biolubricantes de base acuosa
• Fluidos para el trabajo de metales y fluidos de corte
• Fluidos hidráulicos con componentes renovables
• Grasas de tipo emulsión y lubricantes semisólidos
• Concentrados de aditivos y predispersiones
• Sistemas lubricantes que contienen biopolímeros o derivados de la celulosa

La emulsificación fina mejora la estabilidad física de las formulaciones de lubricantes y puede reducir la necesidad de una carga excesiva de tensioactivos. Para los fabricantes, esto ofrece ventajas tanto de rendimiento como de costes: mayor estabilidad, uso más eficiente de los aditivos y mayor flexibilidad de formulación.

Sonicación para partículas de microgel en emulsión

Otra área emergente es la producción de partículas de microgel en emulsión para formulaciones avanzadas de lubricantes. Los microgeles pueden actuar como modificadores reológicos, vehículos de ingredientes activos, modificadores de la fricción o agentes estructurantes sensibles a estímulos. En los sistemas lubricantes de origen biológico, las partículas de microgel pueden producirse a partir de polímeros naturales, celulosa modificada, polisacáridos, proteínas u otros sistemas poliméricos renovables.
El procesamiento ultrasónico facilita la preparación de microgeles al permitir una emulsificación controlada, la reducción del tamaño de las gotas, la dispersión de polímeros y la estructuración de fases. Los mismos mecanismos impulsados por la cavitación que producen emulsiones finas también pueden ayudar a crear gotas precursoras pequeñas y uniformes o dominios poliméricos dispersos que posteriormente se gelifican, reticulan o estabilizan.

Optimice su producción de biolubricantes mediante sonicación

Una de las preguntas más importantes para los fabricantes de lubricantes es si el procesamiento ultrasónico puede integrarse de forma fiable en las líneas de producción. Con los sonicadores Hielscher, la respuesta es claramente afirmativa. Los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher están diseñados para el funcionamiento continuo, el procesamiento en línea y la integración sin dificultades en las líneas de producción existentes, lo que los convierte en una solución potente y fiable para la fabricación industrial de biolubricantes.
En una instalación industrial típica, la premezcla de lubricante, la suspensión de aditivos, la mezcla de reacción de aceite y alcohol o la emulsión de alimentación se bombea a través de una celda de flujo ultrasónica, donde se expone a energía ultrasónica controlada con precisión. Los parámetros clave del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura, el caudal, el tiempo de residencia y el aporte específico de energía, pueden ajustarse y supervisarse con precisión, y se documentan automáticamente. Este elevado grado de control proporciona a los fabricantes de lubricantes la seguridad de proceso necesaria para obtener una calidad reproducible de la formulación, protocolos de producción validados y un escalado coherente desde los ensayos de I+D hasta la producción piloto y la plena capacidad de producción industrial.
Para los productores de biolubricantes, esta escalabilidad es especialmente importante porque los requisitos de formulación son cada vez más exigentes. Los clientes esperan productos sostenibles, pero también esperan unas prestaciones iguales o superiores a las de los lubricantes convencionales derivados del petróleo. Los sonicadores Hielscher ayudan a los fabricantes a satisfacer estas expectativas al combinar potencia, fiabilidad, capacidad de control y escalabilidad lineal en una plataforma ultrasónica robusta. Estas ventajas convierten a los sonicadores Hielscher en la opción preferida de las empresas que necesitan sonicación de grado industrial para formulaciones de lubricantes de origen biológico de alta calidad.

 
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher afrontan con facilidad las condiciones adversas y los entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Bibliografía / Referencias

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