Biovoiteluaineiden tuotanto: prosessin tehostaminen ultraäänikäsittelyllä

Voiteluaineteollisuus on siirtymässä ratkaisevaan vaiheeseen koostumusten kehittämisessä. Teollisten käyttäjien, liikennesektorien, merenkulun toimijoiden ja ympäristön kannalta herkkien käyttökohteiden siirtyessä kohti biohajoavia ja uusiutuvia vaihtoehtoja voiteluainevalmistajiin kohdistuu kasvava paine tuottaa suorituskykyisiä biovoiteluaineita tinkimättä viskositeetin hallinnasta, hapettumiskestävyydestä, kulumissuojasta tai pitkäaikaisesta varastointistabiilisuudesta. Markkina-analyytikot raportoivat biovoiteluaineiden markkinoiden jatkuvasta kasvusta, jota edistää biohajoavien, vähäpäästöisempien ja kestävien voiteluratkaisujen kysyntä liikenteen ja teollisuuden käyttökohteissa.

Biovoiteluaineiden tuotanto ultraäänellä: prosessin tehostaminen kestävien voiteluaineiden valmistuksessa

Tätä taustaa vasten ultraäänikäsittelyn teollinen merkitys kasvaa monipuolisena biovoiteluaineiden tuotantoteknologiana. Suuritehoista ultraääntä voidaan käyttää ultraäänidispergointiin, sonokemialliseen transesteröintiin, emulgointiin ja mikrogeelihiukkasten valmistukseen, mikä antaa koostumusten kehittäjille tehokkaan työkalun sekä kemiallisen konversion että koostumuksen fysikaalisen laadun parantamiseen. Näin ultraäänikäsittely on erittäin tehokas käsittelytekniikka, jota käytetään biopohjaisten voiteluöljyjen, biopohjaisten voitelurasvojen, vesipohjaisten biovoiteluaineiden ja elintarvikekelpoisten voiteluaineiden valmistuksessa.

Miksi ultraäänikäsittely on tärkeää biovoiteluainevalmistajille

Biovoiteluaineet perustuvat usein monimutkaisiin raaka-ainejärjestelmiin: kasviöljyihin, synteettisiin estereihin, biopohjaisiin polymeereihin, selluloosajohdannaisiin, funktionaalisiin lisäaineisiin, antioksidantteihin, korroosionestoaineisiin, kulumisenestoaineisiin, kitkanmuuntimiin sekä vesipohjaisiin tai emulsiotyyppisiin faaseihin. Nämä ainesosat voivat erota merkittävästi toisistaan polaarisuuden, viskositeetin, hiukkaskoon, liukoisuuden ja rajapintakäyttäytymisen osalta. Tavanomaiset sekoittimet, roottori-staattorijärjestelmät tai pitkäkestoinen eräsekoitus eivät välttämättä aina tuota riittävää energiatiheyttä hienojakoisten, stabiilien dispersioiden tai nopeiden rajapintareaktioiden aikaansaamiseksi.
Ultraäänikäsittely vastaa näihin haasteisiin akustisen kavitaation avulla. Kun nesteeseen johdetaan voimakasta ultraääntä, syntyy mikroskooppisia kavitaatiokuplia, jotka kasvavat ja luhistuvat. Tämä synnyttää paikallisesti voimakasta leikkausta, intensiivistä mikrosekoitusta, turbulenssia, hiukkasagglomeraattien hajoamista ja reaktiivisia alueita, jotka voivat nopeuttaa aineensiirtoa ja kemiallisia reaktioita. Transesteröintitutkimuksessa ultraääntä on tutkittu laajalti keinona voittaa hitaan reaktiokinetiikan ja öljy- ja alkoholifaasien tehottoman kontaktin aiheuttamat ongelmat.
Voiteluainevalmistajille tämä tarkoittaa, että ultraääni on paljon muutakin kuin laboratorion homogenointimenetelmä. Se on prosessin tehostamisteknologia, joka voi tukea stabiilimpien, tasalaatuisempien ja tehokkaampien biopohjaisten voiteluainekoostumusten tuotantoa.
 

Anturityyppinen ultraäänidispergointilaite tuottaa suorituskykyisiä biovoiteluaineita.
(Tutkimus ja kuva: Liu et al., 2020)

Biopohjaisten voiteluainelisäaineiden dispergointi ultraäänellä

Keskeinen haaste biovoiteluainekoostumusten valmistuksessa on biopohjaisten lisäaineiden sisällyttäminen koostumukseen homogeenisesti. Materiaalit, kuten karboksimetyyliselluloosa, selluloosananokuidut, biopolymeerit, luonnonkumit, ligniinijohdannaiset, biopohjaiset sakeuttamisaineet ja funktionaaliset nanohiukkaset, voivat vaikuttaa voimakkaasti viskositeettiin, voitelevuuteen, kulumisenestokykyyn, kalvonmuodostukseen ja suspension stabiilisuuteen. Näillä materiaaleilla on kuitenkin usein taipumus agglomeroitua, hydratoitua hitaasti tai muodostaa epätasaisia geelirakenteita.
Ultraäänidispergointi auttaa valmistajia vähentämään agglomeraatteja ja jakamaan lisäaineet tasaisemmin koko voiteluainematriisiin. Tämä on erityisen arvokasta vesipohjaisille voiteluaineille, nanovoiteluaineille, voitelurasvan kaltaisille järjestelmille ja emulsiopohjaisille biovoiteluaineille. Selluloosapohjaisia järjestelmiä koskeva viimeaikainen tutkimus osoittaa, että ultraäänikäsittely voi vaikuttaa merkittävästi dispergoitumiskäyttäytymiseen, reologiaan ja verkkorakenteeseen, joten se on hyödyllinen käsittelymenetelmä selluloosaa sisältävien koostumusten säätämiseen.

Voiteluainevalmistajille parempi dispergointi voi merkitä seuraavaa:

• Tasaisempi viskositeetti ja reologinen käyttäytyminen
• Parempi lisäaineiden tehokkuus pienemmillä annostusmäärillä
• Vähemmän sedimentaatiota, faasien erottumista tai kelluvia kiinteitä aineita
• Parempi tribologisen suorituskyvyn toistettavuus
• Lyhyemmät käsittelyajat verrattuna pitkäkestoiseen mekaaniseen sekoittamiseen

Karboksimetyyliselluloosa on erityisen merkityksellinen, koska se on laajalti käytetty selluloosajohdannainen, jolla on hyödyllisiä viskositeettiin, pintaan ja kalvonmuodostukseen liittyviä ominaisuuksia. Voiteluainejärjestelmissä ultraäänikäsittely voi auttaa sisällyttämään CMC:n ja muut biopolymeerit stabiileihin vesipohjaisiin tai emulsiokoostumuksiin. Tämä tukee ympäristöominaisuuksiltaan parempien voiteluaineiden kehittämistä siten, että niiden virtauskäyttäytyminen on hallittua ja koostumuksen stabiilisuus parempi.
 

Biovoiteluaineet, joissa on ultraäänellä dispergoitua karboksimetyyliselluloosaa. Ultraäänidispergointi tuottaa pitkään stabiileina säilyviä nanobiovoiteluaineita
Tutkimus ja kuvat: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonokemiallinen transesteröinti diestereiden ja esteripohjaisten biovoiteluaineiden valmistuksessa

Esterit kuuluvat suorituskykyisten biovoiteluaineiden tärkeimpiin perusnesteisiin. Ne voivat tarjota hyvän voitelevuuden, korkean viskositeetti-indeksin, biohajoavuuden ja suotuisan käyttäytymisen matalissa lämpötiloissa raaka-aineesta ja molekyylirakenteesta riippuen. Diesterit ja polyoliesterit ovat erityisen tärkeitä esimerkiksi hydraulinesteissä, kompressoriöljyissä, metallintyöstönesteissä, moottorisahaöljyissä, merenkulun voiteluaineissa ja teollisuuden erikoisvoiteluaineissa.
Yksi lupaava ultraäänen käyttökohde on esterien sonokemiallinen valmistus transesteröimällä. Tavanomaisessa transesteröinnissä toisiinsa sekoittumattomat reaktantit, kuten öljyt ja alkoholit, vaativat usein intensiivistä sekoitusta, korotettuja lämpötiloja, katalyyttejä ja pitkiä reaktioaikoja. Ultraääni parantaa aineensiirtoa muodostamalla hienojakoisia emulsioita reaktanttifaasien välille ja uudistamalla jatkuvasti rajapintaa, jolla reaktio tapahtuu.
Ultraääniavusteinen transesteröinti on vakiintunut tekniikka, jonka hyödyt, kuten nopeammat reaktiot, parempi faasien välinen kontakti, lyhyemmät erotusajat, suuret saannot ja vähäisempi jätteen muodostuminen sopivissa olosuhteissa, on osoitettu hyvin. Voiteluainevalmistajat käyttävät ultraäänitransesteröintimenetelmää esteripohjaisten biovoiteluainekomponenttien, kuten diesterien ja muiden funktionaalisten esterirakenteiden, tuottamiseen.

Ultraäänitransesteröinti auttaa valmistajia:

• Parantamaan öljy-, alkoholi- ja katalyyttifaasien välistä kontaktia
• Lyhentämään reaktioaikaa tehostamalla aineensiirtoa rajapinnoilla
• Tukemaan käsittelyä matalammissa lämpötiloissa tai energiatehokkaammilla toiminta-alueilla
• Parantamaan konversion tasaisuutta erä- tai jatkuvatoimisessa tuotannossa
• Mahdollistamaan kompaktit reaktorirakenteet skaalautuvaan esterituotantoon

Biovoiteluaineiden perusöljyjä tuottaville yrityksille ultraääni tarjoaa keinon tehostaa esteröinti- ja transesteröintiprosesseja ja samalla tukea puhtaampaa ja tehokkaampaa valmistusta.

Voiteluainekoostumusten emulgointi ultraäänellä

Monet nykyaikaiset biovoiteluaineet eivät ole yksinkertaisia yksifaasisia öljyjä. Ne voivat sisältää vesi öljyssä -emulsioita, öljy vedessä -emulsioita, lisäainekonsentraatteja, vahadispersioita, polymeerimuokattuja järjestelmiä tai monimutkaisia monifaasisia kokonaisuuksia. Näiden emulsioiden laatu vaikuttaa suoraan varastointistabiilisuuteen, voitelevuuteen, jäähdytystehoon, korroosiosuojaan ja käyttäytymiseen käytössä.
Ultraääniemulgointi on erittäin tehokasta, koska kavitaatio synnyttää voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, jotka hajottavat pisarat pienemmiksi ja tuottavat kapeita pisarakokojakaumia. Voiteluaineiden valmistuksessa tätä voidaan käyttää biopohjaisten öljyjen, esterifaasien, vesifaasien, pinta-aktiivisten aineiden, polymeeristen stabilointiaineiden ja funktionaalisten lisäaineiden emulgointiin stabiileiksi koostumuksiksi.

Tämä on erityisen merkityksellistä seuraavissa:

• Vesipohjaiset biovoiteluaineet
• Metallintyöstönesteet ja lastuamisnesteet
• Uusiutuvia komponentteja sisältävät hydraulinesteet
• Emulsiotyyppiset voitelurasvat ja puolikiinteät voiteluaineet
• Lisäainekonsentraatit ja esidispersiot
• Biopolymeerejä tai selluloosajohdannaisia sisältävät voiteluainejärjestelmät

Hienojakoinen emulgointi parantaa voiteluainekoostumusten fysikaalista stabiilisuutta ja voi vähentää tarvetta käyttää liiallisia määriä pinta-aktiivisia aineita. Valmistajille tämä tarjoaa sekä suorituskyky- että kustannusetuja: parempaa stabiilisuutta, tehokkaampaa lisäaineiden käyttöä ja suurempaa joustavuutta koostumusten kehittämiseen.

Ultraäänikäsittely emulsiomikrogeelihiukkasten valmistuksessa

Toinen kehittyvä alue on emulsiomikrogeelihiukkasten tuotanto edistyneitä voiteluainekoostumuksia varten. Mikrogeelit voivat toimia reologian muuntimina, aktiivisten ainesosien kantajina, kitkanmuuntimina tai ärsykkeisiin reagoivina rakenteenmuodostajina. Biopohjaisissa voiteluainejärjestelmissä mikrogeelihiukkasia voidaan valmistaa luonnonpolymeereistä, muokatusta selluloosasta, polysakkarideista, proteiineista tai muista uusiutuvista polymeerijärjestelmistä.
Ultraäänikäsittely tukee mikrogeelien valmistusta mahdollistamalla hallitun emulgoinnin, pisarakoon pienentämisen, polymeerien dispergoinnin ja faasien rakenteistamisen. Samat kavitaatioon perustuvat mekanismit, jotka tuottavat hienojakoisia emulsioita, voivat myös auttaa muodostamaan pieniä, tasakokoisia esiastepisaroita tai dispergoituneita polymeerialueita, jotka myöhemmin geeliytetään, ristisilloitetaan tai stabiloidaan.

Optimoi biovoiteluaineiden tuotantosi ultraäänikäsittelyllä

Yksi voiteluainevalmistajien tärkeimmistä kysymyksistä on, voidaanko ultraäänikäsittely integroida luotettavasti tuotantolinjoihin. Yrityksen Hielscher ultraäänilaitteilla vastaus on selvästi kyllä. Hielscher on suunnitellut suorituskykyiset ultraäänilaitteensa jatkuvaan käyttöön, linjakäsittelyyn ja saumattomaan integrointiin olemassa oleviin tuotantolinjoihin, joten ne ovat tehokas ja luotettava ratkaisu biovoiteluaineiden teolliseen valmistukseen.
Tyypillisessä teollisessa järjestelyssä voiteluaineen esiseos, lisäaineliete, öljy-alkoholireaktioseos tai emulsiosyöte pumpataan ultraäänivirtauskennon läpi, jossa siihen kohdistetaan tarkasti hallittua ultraäänienergiaa. Keskeisiä prosessiparametreja, kuten amplitudia, painetta, lämpötilaa, tilavuusvirtaa, viipymäaikaa ja ominaisenergiansyöttöä, voidaan säätää ja seurata tarkasti, ja ne dokumentoidaan automaattisesti. Tämä hyvä hallittavuus antaa voiteluainevalmistajille prosessivarmuuden, jota tarvitaan toistettavaan koostumuksen laatuun, validoituihin tuotantomenettelyihin ja johdonmukaiseen mittakaavan suurentamiseen tutkimus- ja kehityskokeista pilottituotantoon ja täyteen teolliseen käsittelykapasiteettiin.
Biovoiteluaineiden tuottajille tämä skaalautuvuus on erityisen tärkeää, koska koostumuksille asetettavat vaatimukset kasvavat. Asiakkaat odottavat kestäviä tuotteita, mutta he odottavat myös yhtä hyvää tai parempaa suorituskykyä kuin tavanomaisilta maaöljypohjaisilta voiteluaineilta. Hielscher auttaa ultraäänilaitteillaan valmistajia täyttämään nämä odotukset yhdistämällä tehon, luotettavuuden, hallittavuuden ja lineaarisen skaalautuvuuden yhteen vankkarakenteiseen ultraäänijärjestelmään. Näiden etujen ansiosta yrityksen Hielscher ultraäänilaitteet ovat ensisijainen valinta yrityksille, jotka tarvitsevat teollisuustasoista ultraäänikäsittelyä laadukkaiden biopohjaisten voiteluainekoostumusten valmistukseen.

 
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Vankkarakenteisuus ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Kirjallisuus / lähteet

• 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.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• Mosleh, Mohsen; Atnafu, Neway; Belk, John; Nobles, Orval (2009): Modification of sheet metal forming fluids with dispersed nanoparticles for improved lubrication. Wear 267, 2009. 1220-1225.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.