Bioloogiliste määrdeainete tootmine: protsessi intensiivistamine ultraheli abil

Määrdeainetööstus on astumas otsustavasse etappi koostisainete uuenduste vallas. Kuna tööstuslikud kasutajad, liikuvussektorid, merendussektori ettevõtjad ja keskkonnatundlikud rakendused liiguvad biolagunevate ja taastuvate alternatiivide suunas, on määrdeainetootjatel üha suurem surve pakkuda kõrge jõudlusega biomäärdeaineid, ilma et see mõjutaks viskoossuse reguleerimist, oksüdatiivset stabiilsust, kulumiskaitset või pikaajalist ladustamisstabiilsust. Turuanalüütikud prognoosivad biomäärdeainete turu jätkuvat kasvu, mida ajendab nõudlus biolagunevate, madalama heitgaasitasemega ja jätkusuutlike määrdeainelahenduste järele nii transpordi- kui ka tööstusrakendustes.

Bioloogiliste määrdeainete tootmine ultraheli abil: protsessi intensiivistamine jätkusuutlike määrdeainete tootmiseks

Sellel taustal on ultrahelitöötlus, mida tuntakse ka sonikatsioonina, omandamas tööstuslikku tähtsust mitmekülgse tootmistehnoloogiana biolubrikantide valmistamisel. Suure võimsusega ultraheli saab kasutada ultrahelidispersiooniks, sonokeemiliseks transesterifitseerimiseks, emulgeerimiseks ja mikrogeeli osakeste valmistamiseks, pakkudes tootearendajatele tõhusa vahendi nii keemilise muundamise kui ka füüsilise koostise kvaliteedi parandamiseks. See teeb sonikatsioonist väga tõhusa töötlemistehnika, mida kasutatakse biomäärdeõlide, biomäärderasvade, veepõhiste biomäärdeainete ja toiduainetööstuses kasutatavate määrdeainete tootmisel.

Miks on ultrahelitöötlus oluline biolubrikantide tootjatele?

Biomäärdeained põhinevad sageli keerukatel toorainesüsteemidel: taimeõlid, sünteetilised estrid, biopõhised polümeerid, tselluloosi derivaadid, funktsionaalsed lisandid, antioksüdandid, korrosioonitõrjeained, kulumistõrjeained, hõõrdumismodifikaatorid ning veepõhised või emulsioonitüüpi faasid. Nende koostisosade polaarsus, viskoossus, osakeste suurus, lahustuvus ja pindadevaheline käitumine võivad oluliselt erineda. Tavalised segistid, rootor-staatori süsteemid või pikaajaline partiisegamine ei pruugi alati pakkuda piisavat energiatihedust, et saavutada peeneid ja stabiilseid dispersioone või kiireid pindadevahelisi reaktsioone.
Ultrahelitöötlus lahendab need probleemid akustilise kavitatsiooni abil. Kui vedelikku suunatakse suure intensiivsusega ultraheli, tekivad mikroskoopilised kavitatsioonimullid, mis kasvavad ja lõhkevad. See tekitab lokaalseid tugevaid lõikumisjõude, intensiivset mikrosegamist, turbulentsi, osakeste deagglomereerumist ja reaktiivseid tsoone, mis võivad kiirendada massiülekannet ja keemilisi reaktsioone. Transesterifitseerimise uuringutes on ultraheli laialdaselt uuritud kui viis, kuidas ületada aeglast reaktsioonikiirust ja ebatõhusat kontakti õli- ja alkoholifaaside vahel.
Määrdeainete tootjate jaoks tähendab see, et ultraheli ei ole pelgalt laboratoorne homogeniseerimismeetod. Tegemist on protsessi intensiivistamise tehnoloogiaga, mis võimaldab toota stabiilsemaid, ühtlasemaid ja tõhusamaid biopõhiseid määrdeainete koostiseid.
 

Ultrahelianduriga disperser võimaldab toota kõrge jõudlusega biolubrikante.
(Uuring ja pilt: Liu jt., 2020)

Biopõhiste määrdeainelisandite ultrahelidispersioon

Biomäärdeainete koostise väljatöötamisel on peamiseks väljakutseks biopõhiste lisandite ühtlane lisamine. Sellised materjalid nagu karboksümetüültselluloos, tselluloosi nanokiud, biopolümeerid, looduslikud kummid, ligniini derivaadid, biopõhised paksendajad ja funktsionaalsed nanotükid võivad tugevalt mõjutada viskoossust, määrimisvõimet, kulumiskindlust, kilet moodustumist ja suspensiooni stabiilsust. Sageli on neil materjalidel aga kalduvus aglomeeruda, hüdraatuda aeglaselt või moodustada ebaühtlasi geelstruktuure.
Ultrahelidispersioon aitab tootjatel vähendada aglomeeraatide teket ja jaotada lisandeid määrdeaine maatriksis ühtlasemalt. See on eriti väärtuslik veepõhiste määrdeainete, nanomäärdeainete, rasvataoliste süsteemide ja emulsioonipõhiste biomäärdeainete puhul. Hiljutised uuringud tselluloosipõhiste süsteemide kohta näitavad, et ultrahelitöötlus võib oluliselt mõjutada dispersiooni käitumist, reoloogiat ja võrgustiku struktuuri, muutes selle kasulikuks töötlusvahendiks tselluloosi sisaldavate koostiste häälestamisel.

Määrdeainete tootjate jaoks võib parem dispersioon tähendada järgmist:

• Ühtlasem viskoossus ja reoloogilised omadused
• Parem lisaaine tõhusus madalamatel annustustasemetel
• Vähendatud sadestumine, faaside eraldumine või ujuvad tahked osakesed
• Paremini korratavad triboloogilised omadused
• Lühemad töötlemisajad võrreldes pikema mehaanilise segamisega

Karboksümetüültselluloos on eriti oluline, kuna seda kasutatakse laialdaselt tselluloosi derivaadina, millel on kasulikud viskoossus-, pind- ja kilet moodustavad omadused. Määrdeainete süsteemides võib ultrahelitöötlus aidata integreerida CMC-d ja muid biopolümeere stabiilsetesse vesipõhistesse või emulsioonipõhistesse koostistesse, toetades keskkonnasõbralikumate määrdeainete arendamist, millel on kontrollitav voolavus ja paranenud koostise stabiilsus.
 

Bioloogilised määrdeained, milles on ultraheliga dispergeeritud karboksümetüültselluloos. Ultraheliga dispergeerimine võimaldab saada pikaajaliselt stabiilseid nano-bioloogilisi määrdeaineid
Uuring ja pildid: ©Rahmadiawan jt., 2022

Sonokeemiline transesterifitseerimine diester- ja estri-põhiste biolubrikantide tootmiseks

Esterid kuuluvad kõrge jõudlusega biomäärdeainete kõige olulisemate baasvedelike hulka. Sõltuvalt lähteainest ja molekulaarstruktuurist pakuvad need head määrimisvõimet, kõrget viskoossusindeksit, biolagunevust ja soodsat käitumist madalatel temperatuuridel. Diestrid ja polüoolestrid on eriti olulised sellistes rakendustes nagu hüdraulikavedelikud, kompressoriõlid, metallitöötlusvedelikud, kettsaeõlid, laevamäärdeained ja spetsiaalsed tööstusmäärdeained.
Üks paljulubav ultraheli rakendus on estrite sonokeemiline valmistamine transesterifitseerimise teel. Tavalise transesterifitseerimise puhul nõuavad segunematud reaktiivid, nagu õlid ja alkoholid, sageli intensiivset segamist, kõrgeid temperatuure, katalüsaatoreid ja pikki reaktsiooniaegu. Ultraheli parandab massiülekannet, luues reaktiivide faaside vahel peeneid emulsioone ja uuendades pidevalt reaktsiooni toimumiskohaks olevat piiri.
Ultraheliga toetatud transesterifitseerimine on väljakujunenud meetod, mis on sobivates tingimustes hästi tõestanud oma eeliseid, nagu kiirem reaktsioonikiirus, parem faasidevaheline kontakt, lühemad eraldamisajad, kõrge saagis ja väiksem jäätmete teke. Määrdeainete tootjad kasutavad ultraheliga transesterifitseerimise meetodit estri-põhiste biomäärdeainete komponentide tootmiseks, sealhulgas diestrite ja muude funktsionaalsete estristruktuuride valmistamiseks.

Ultrahelitransesterifitseerimine aitab tootjatel:

• Parandada õli-, alkoholi- ja katalüsaatorifaaside vahelist kontakti
• Reaktsiooniaja lühendamine pindadevahelise massiülekande intensiivistamise abil
• Toetada madalama temperatuuriga või energiatõhusamaid töötlemisvahemikke
• Parandada konversiooni ühtlust partiipõhises või pidevtootmises
• Võimaldada kompaktseid reaktori konstruktsioone skaleeritava estri tootmiseks

Biomäärdeainete baasõlisid tootvatele ettevõtetele pakub ultraheli võimalust intensiivistada esterdamis- ja transesterdamisprotsesse, toetades samal ajal puhtamat ja tõhusamat tootmist.

Määrdeainete koostiste ultrahelil põhinev emulgeerimine

Paljud tänapäevased biolubrikandid ei ole lihtsad ühefaasilised õlid. Need võivad sisaldada „vesi-õlis” emulsioone, „õli-vees” emulsioone, lisandikontsentraate, vahadispersioone, polümeeriga modifitseeritud süsteeme või keerukaid mitmefaasilisi koostisi. Nende emulsioonide kvaliteet mõjutab otseselt ladustamisstabiilsust, määrimisvõimet, jahutusvõimet, korrosioonikaitset ja kasutamisomadusi.
Ultrahelil põhinev emulgeerimine on väga tõhus, kuna kavitatsioon tekitab tugevaid kohalikke nihkejõude, mis purustavad tilgad väiksemateks osakesteks ja loovad kitsa tilkade suurusjaotuse. Määrdeainete tootmisel saab seda kasutada biopõhiste õlide, estri- ja veefaside, pindaktiivsete ainete, polümeersete stabilisaatorite ja funktsionaalsete lisandite emulgeerimiseks stabiilseteks koostisteks.

See kehtib eelkõige järgmiste puhul:

• veepõhised biomäärdeained
• Metallitöötlusvedelikud ja lõikamisvedelikud
• Taastuvatest koostisosadest koosnevad hüdraulikavedelikud
• Emulsioonitüüpi määrdeained ja pooltahked määrdeained
• Lisandikontsentraadid ja eeldispersioonid
• Biopolümeere või tselluloosi derivaate sisaldavad määrdesüsteemid

Peenem emulgeerimine parandab määrdeainete koostiste füüsikalist stabiilsust ja võib vähendada vajadust liigse pindaktiivse aine lisamise järele. Tootjatele pakub see nii toimivus- kui ka kulueeliseid: paranenud stabiilsus, lisandite tõhusam kasutamine ja suurem koostise paindlikkus.

Ultrahelitöötlus emulsiooni mikrogeeliosakeste valmistamiseks

Teine arenev valdkond on emulsiooniliste mikrogeeliosakeste tootmine kaasaegsete määrdeainete koostiste jaoks. Mikrogeelid võivad toimida reoloogia modifitseerijatena, toimeainete kandjatena, hõõrdumismodifitseerijatena või reageerivate struktuurimoodustajatena. Biopõhistes määrdesüsteemides võib mikrogeeliosakesi toota looduslikest polümeeridest, modifitseeritud tselluloosist, polüsahhariididest, valkudest või muudest taastuvatest polümeerisüsteemidest.
Ultrahelitöötlus toetab mikrogeeli valmistamist, võimaldades kontrollitud emulgeerimist, tilkade suuruse vähendamist, polümeeri dispersiooni ja faasistruktureerimist. Samad kavitatsioonil põhinevad mehhanismid, mis tekitavad peeneid emulsioone, võivad aidata luua ka väikseid, ühtlase suurusega lähteainetilku või hajutatud polümeerdomeene, mis seejärel geelistuvad, ristseotuvad või stabiliseeruvad.

Optimeerige oma biolubrikantide tootmist ultraheli abil

Üks olulisemaid küsimusi määrdeainete tootjate jaoks on see, kas ultrahelitöötlust on võimalik usaldusväärselt tootmisliinidesse integreerida. Hielscheri sonikaatorite puhul on vastus selgelt „jah”. Hielscheri suure jõudlusega sonikaatorid on konstrueeritud pidevaks tööks, liinisisese töötlemiseks ja sujuvaks integreerimiseks olemasolevatesse tootmisliinidesse, mis teeb neist võimsa ja usaldusväärse lahenduse tööstuslike biomäärdeainete tootmiseks.
Tüüpilises tööstuslikus seadmes pumbatakse määrdeaine eelsegu, lisandite suspensioon, õli-alkoholi reaktsioonisegu või emulsioon läbi ultraheli voolukambri, kus see puutub kokku täpselt reguleeritava ultrahelienergiaga. Protsessi põhiparameetreid, nagu amplituud, rõhk, temperatuur, voolukiirus, viibeaeg ja spetsiifiline energiasisend, saab täpselt reguleerida, jälgida ja need dokumenteeritakse automaatselt. Selline kõrge kontrollitavus tagab määrdeainete tootjatele protsessi kindluse, mis on vajalik koostise kvaliteedi korratavuse, valideeritud tootmisprotokollide ja järjepideva mastaapimise tagamiseks alates R&D-katseid tootmise katsetamiseks ja täieliku tööstusliku tootmisvõimsuse saavutamiseks.
Biomäärdeainete tootjate jaoks on see skaleeritavus eriti oluline, kuna koostise nõuded muutuvad üha rangemaks. Kliendid ootavad jätkusuutlikke tooteid, kuid samas ka sama head või paremat toimivust kui tavapärastel naftapõhistel määrdeainetel. Hielscheri ultraheliseadmed aitavad tootjatel seda lõhet ületada, ühendades võimsuse, usaldusväärsuse, juhitavuse ja lineaarse skaleeritavuse ühes töökindlas ultraheliplatvormis. Need eelised teevad Hielscheri ultraheliseadmetest eelistatud valiku ettevõtetele, kes vajavad tööstuslikku ultrahelitöötlust kõrgekvaliteediliste biopõhiste määrdeainete koostiste valmistamiseks.

 
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Kirjandus / Viited