Producción de biolubricantes: intensificación del proceso mediante sonicación

El sector de los lubricantes está entrando en una fase decisiva de innovación en materia de 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 se decantan por alternativas biodegradables y renovables, los fabricantes de lubricantes se ven sometidos a una presión cada vez mayor para ofrecer biolubricantes de alto rendimiento sin comprometer el control de la viscosidad, la estabilidad oxidativa, la protección contra el desgaste ni la estabilidad de almacenamiento a largo plazo. Los analistas de mercado prevén un crecimiento continuado de los biolubricantes, impulsado por la demanda de soluciones lubricantes biodegradables, con menores emisiones y sostenibles en el ámbito del transporte y las aplicaciones industriales.

Producción ultrasónica de biolubricantes: intensificación de procesos para la obtención de lubricantes sostenibles

En este contexto, el procesamiento ultrasónico, también conocido como sonicación, está cobrando 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, lo que proporciona a los formuladores una herramienta eficaz para mejorar tanto la conversión química como la calidad física de la formulación. Esto convierte a la sonicación en una técnica de procesamiento altamente eficiente que se utiliza en aceites biolubricantes, grasas biolubricantes, biolubricantes a base de agua 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 acuosas o en emulsión. Estos ingredientes pueden presentar diferencias significativas en cuanto a polaridad, viscosidad, tamaño de partícula, solubilidad y comportamiento interfacial. Es posible que los mezcladores convencionales, los sistemas de rotor-estator o la agitación prolongada por lotes no siempre proporcionen la densidad energética suficiente para producir dispersiones finas y estables o reacciones interfaciales rápidas.
La sonicación aborda estos retos mediante la cavitación acústica. Cuando se introduce ultrasonido de alta intensidad en los líquidos, se forman burbujas de cavitación microscópicas que crecen y colapsan. Esto genera un alto cizallamiento localizado, una intensa micromezcla, turbulencias, desaglomeración de partículas y zonas reactivas que pueden acelerar la transferencia de masa y las reacciones químicas. En la investigación sobre la transesterificación, se ha estudiado ampliamente el uso de los ultrasonidos como método para superar la cinética de reacción lenta y el contacto ineficaz entre las fases de aceite y alcohol.
Para los fabricantes de lubricantes, esto significa que el ultrasonido no es simplemente un método de homogeneización de laboratorio. Se trata de una tecnología de intensificación de procesos que puede contribuir a la producción de formulaciones de lubricantes de origen biológico más estables, más uniformes y más eficientes.
 

Los dispersores ultrasónicos de sonda permiten obtener biolubricantes de alto rendimiento.
(Estudio e imagen: Liu et al., 2020)

Dispersión ultrasónica de aditivos lubricantes de origen biológico

Uno de los principales retos 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, el rendimiento antidesgaste, la formación de película y la estabilidad de la suspensión. Sin embargo, estos materiales suelen aglomerarse, hidratarse lentamente o formar estructuras gelatinosas no uniformes.
La dispersión ultrasónica ayuda a los fabricantes a reducir los aglomerados y a distribuir los aditivos de forma más uniforme por toda la matriz del lubricante. Esto resulta especialmente valioso para los lubricantes a base de agua, los nanolubricantes, los sistemas similares a las grasas y los biolubricantes a base de emulsión. Investigaciones recientes sobre sistemas a base de celulosa muestran que la sonicación puede influir significativamente en el 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 uniformes
• Mayor eficacia del aditivo con dosis más bajas
• Reducción de la sedimentación, la separación de fases o los sólidos en suspensión
• Rendimiento tribológico más reproducible
• Tiempos de procesamiento más cortos en comparación con la agitación mecánica prolongada

La carboximetilcelulosa reviste especial importancia, ya que se utiliza ampliamente como derivado de la celulosa y presenta propiedades útiles en cuanto a 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, lo que favorece el desarrollo de lubricantes más respetuosos con el medio ambiente, con un comportamiento de flujo controlado y una mayor estabilidad de la formulación.
 

Biolubricantes con carboximetilcelulosa dispersada por ultrasonidos. La dispersión por ultrasonidos permite obtener nanobiolubricantes estables a largo plazo.
Estudio e imágenes: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transesterificación sonoquímica para biolubricantes a base de diésteres y ésteres

Los ésteres se encuentran entre los fluidos base más importantes para los biolubricantes de alto rendimiento. Pueden ofrecer una buena lubricidad, un alto índice de viscosidad, biodegradabilidad y un comportamiento favorable a bajas temperaturas, dependiendo de la materia prima y la estructura molecular. Los diésteres y los ésteres de poliol revisten especial importancia para aplicaciones como los fluidos hidráulicos, los aceites para compresores, los fluidos para el mecanizado de metales, los aceites para motosierras, los lubricantes marinos y los lubricantes industriales especializados.
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. El ultrasonido mejora 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 ultrasonidos es una técnica consolidada que ha demostrado ofrecer ventajas tales como velocidades de reacción más rápidas, un mejor contacto entre fases, tiempos de separación más cortos, altos rendimientos y una menor generación de residuos en condiciones adecuadas. Los fabricantes de lubricantes utilizan el método de transesterificación por ultrasonidos para producir componentes de biolubricantes a base de ésteres, incluidos los 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 intensificando la transferencia de masa interfacial
• Permitir intervalos de procesamiento a temperaturas más bajas o con mayor eficiencia energética
• Mejorar la uniformidad de la conversión en la producción por lotes o en continuo
• Permitir diseños de reactores compactos para la producción escalable de ésteres

Para las empresas que producen bases para biolubricantes, el ultrasonido ofrece una vía para intensificar los procesos de esterificación y transesterificación, al tiempo que contribuye a una fabricación más limpia y eficiente.

Emulsificación por ultrasonidos 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 cera, sistemas modificados con polímeros o formulaciones multifásicas complejas. La calidad de estas emulsiones influye directamente en la estabilidad durante el almacenamiento, la lubricidad, el rendimiento de refrigeración, la protección contra la corrosión y el comportamiento durante la aplicación.
La emulsificación por ultrasonidos es muy eficaz porque la cavitación genera intensas fuerzas de cizallamiento locales que rompen las gotas en partículas más pequeñas y dan lugar a distribuciones estrechas del tamaño de las gotas. En la fabricación de lubricantes, este proceso puede utilizarse para emulsionar aceites de origen biológico, fases de ésteres, fases acuosas, tensioactivos, estabilizadores poliméricos y aditivos funcionales, con el fin de obtener formulaciones estables.

Esto es especialmente relevante para:

• biolubricantes a base de agua
• Fluidos para el mecanizado 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

Una emulsificación fina mejora la estabilidad física de las formulaciones de lubricantes y puede reducir la necesidad de utilizar cantidades excesivas de tensioactivos. Para los fabricantes, esto ofrece ventajas tanto en términos de rendimiento como de costes: mayor estabilidad, un uso más eficiente de los aditivos y una mayor flexibilidad en la formulación.

Sonificación para la obtención de partículas de microgel en emulsión

Otro campo en auge es la producción de partículas de microgel en emulsión para formulaciones lubricantes avanzadas. Los microgeles pueden actuar como modificadores reológicos, portadores de ingredientes activos, modificadores de la fricción o agentes estructurantes sensibles. 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 de polímeros dispersos que posteriormente se gelifican, se reticulan o se estabilizan.

Optimiza la producción de biolubricantes mediante la sonicación

Una de las cuestiones 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 de Hielscher, la respuesta es claramente sí. Los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher están diseñados para un funcionamiento continuo, el procesamiento en línea y una integración perfecta 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 alimentación de emulsión se bombean a través de una célula de flujo ultrasónica, donde se exponen a una energía ultrasónica controlada con precisión. Los parámetros clave del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura, el caudal, el tiempo de residencia y la aportación específica de energía, pueden ajustarse y supervisarse con precisión, y se documentan automáticamente. Este alto nivel de control proporciona a los fabricantes de lubricantes la seguridad de proceso necesaria para obtener una calidad reproducible de las formulaciones, protocolos de producción validados y una ampliación de escala coherente desde la I+D&Pruebas D para la producción piloto y el rendimiento industrial a gran escala.
Para los fabricantes de biolubricantes, esta escalabilidad es especialmente importante, ya que los requisitos de formulación son cada vez más exigentes. Los clientes esperan productos sostenibles, pero también esperan un rendimiento igual o superior al de los lubricantes convencionales derivados del petróleo. Los sonicadores de Hielscher ayudan a los fabricantes a salvar esta brecha al combinar potencia, fiabilidad, controlabilidad y escalabilidad lineal en una única y robusta plataforma ultrasónica. Estas ventajas convierten a los sonicadores de Hielscher en la opción preferida para las empresas que necesitan sonicación de grado industrial para obtener formulaciones de lubricantes de origen biológico de alta calidad.

 
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

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

Literatura / Referencias