Synthèse de diesters par ultrasons pour la production de biolubrifiants hautes performances

Le passage des lubrifiants d’origine pétrolière à des lubrifiants à base d’esters renouvelables, biodégradables et hautes performances s’accélère dans tous les secteurs industriels. Les fabricants de lubrifiants subissent une pression croissante pour réduire leur impact environnemental tout en respectant des critères de performance exigeants tels qu’un indice de viscosité élevé, une faible volatilité, un bon pouvoir lubrifiant, une stabilité thermique et un comportement fiable à basse température. Dans ce contexte, la transestérification par ultrasons offre une stratégie puissante d’intensification des procédés pour la synthèse des matières premières à base d’esters utilisées dans les formulations modernes de biolubrifiants.

Transestérification de diesters par ultrasons pour biolubrifiants

La transestérification par ultrasons des huiles et graisses végétales est une technique durable qui améliore considérablement le rendement en esters, réduit les contraintes de traitement et rend la voie de la transestérification plus attractive pour la production industrielle de lubrifiants. Les sonicateurs à sonde Hielscher sont utilisés pour une synthèse efficace d’esters en production en ligne dans des conditions de procédé contrôlées.

Synthèse de biolubrifiants par transestérification

Les huiles végétales sont des matières premières attractives pour les biolubrifiants, car elles sont renouvelables, biodégradables et possèdent un bon pouvoir lubrifiant. Cependant, les huiles végétales non traitées souffrent souvent d’une stabilité à l’oxydation limitée et de propriétés médiocres à basse température. Une stratégie courante pour surmonter ces inconvénients consiste à convertir des esters méthyliques dérivés d’huiles végétales en esters de polyols, tels que les esters de pentaérythritol, par transestérification.
Dans l’étude « RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant » d’Arumugam et al., l’huile de colza a d’abord été convertie en ester méthylique d’huile de colza. Dans une seconde étape, cet ester méthylique a été mis à réagir avec du pentaérythritol en présence d’acide p-toluènesulfonique comme catalyseur et de xylène comme solvant. Le produit visé était un ester de pentaérythritol adapté comme huile de base pour biolubrifiant. Cette réaction est très pertinente pour les fabricants de lubrifiants, car les esters de polyols sont largement utilisés comme bases de lubrifiants synthétiques pour les huiles de compresseurs, les fluides hydrauliques, les huiles frigorifiques et d’autres applications de lubrifiants hautes performances.
Le principal défi de la transestérification conventionnelle réside dans le fait que la réaction est souvent limitée par un mauvais transfert de masse entre les réactifs. Les esters méthyliques, les polyols et les catalyseurs ne forment pas toujours un système réactionnel homogène idéal. L’agitation conventionnelle peut nécessiter de longs temps de réaction, une température élevée et un apport d’énergie important, tout en ne produisant que des rendements modérés. C’est là que le traitement par ultrasons offre un avantage décisif.

Organigramme du procédé de transestérification par ultrasons de l’ester de pentaérythritol
Étude et graphique : ©Arumugam et al,.2019

Comment la transestérification par ultrasons intensifie la synthèse d’esters

La transestérification par ultrasons utilise des ultrasons de haute intensité pour créer une cavitation acoustique dans le milieu réactionnel liquide. La cavitation génère des bulles microscopiques qui grossissent puis implosent violemment. Il en résulte d’intenses forces de cisaillement locales, des microjets, un courant acoustique et une micro-émulsification.
Pour la synthèse d’esters, ces effets sont très précieux, car ils :

• réduisent la taille des gouttelettes et améliorent le contact entre les phases
• augmentent la surface interfaciale entre des réactifs non miscibles ou peu miscibles
• améliorent l’accessibilité du catalyseur
• accélèrent le transfert de masse
• améliorent la cinétique de réaction
• favorisent un rendement en esters plus élevé dans des conditions optimisées

L’étude explique que la turbulence induite par la cavitation et les micro-émulsions surmontent les limitations de transfert de masse de la transestérification conventionnelle. Par conséquent, les réactifs sont dispersés plus efficacement et la réaction catalytique se déroule plus rapidement et de manière plus complète.

Résultats de l’étude : un rendement en esters plus élevé grâce aux ultrasons

L’étude a optimisé le procédé assisté par ultrasons à l’aide de la méthodologie des surfaces de réponse et d’un algorithme de recherche du corbeau (crow search algorithm). Les variables de procédé étudiées étaient l’impulsion ultrasonore, l’amplitude ultrasonore, la concentration en catalyseur et la température de réaction.
Les conditions optimisées du procédé ultrasonore étaient les suivantes :
Système de sonication : Sonicateur à sonde Hielscher UP400St
Impulsion ultrasonore : 15 secondes
Amplitude ultrasonore : 60%
Concentration en catalyseur : 1,5 wt.%
Température de réaction : 100°C

Dans ces conditions optimisées, la transestérification assistée par ultrasons a permis d’obtenir un rendement en ester de pentaérythritol d’environ 81,4%. En comparaison, la voie de transestérification conventionnelle n’a donné qu’un rendement d’environ 47% dans les conditions évaluées dans l’étude. Cela signifie que le traitement par ultrasons a augmenté le rendement en esters de plus de 70% par rapport à la voie conventionnelle.
Pour les fabricants de lubrifiants, il s’agit d’un résultat très pertinent. Un rendement plus élevé signifie une meilleure utilisation des matières premières, une réduction des flux secondaires, une meilleure rentabilité du procédé et potentiellement un coût de production plus faible par kilogramme d’huile de base ester.

Confirmation de la formation d’esters

L’étude d’Arumugam et al. (2019) a confirmé la formation d’ester de pentaérythritol par spectroscopie FTIR et chromatographie en phase gazeuse. L’analyse FTIR a montré les pics caractéristiques du carbonyle d’ester et de la liaison C–O d’ester, tandis que des pics supplémentaires ont corroboré la présence du groupe pentaérythrityle. La chromatographie en phase gazeuse a en outre confirmé la composition du produit, y compris les fractions de monoester, diester, triester et tétraester.
Pour la production de biolubrifiants, cette confirmation analytique est importante, car les performances d’un lubrifiant dépendent fortement de la composition en esters. La possibilité de favoriser la formation des structures d’esters souhaitées grâce à une transestérification par ultrasons contrôlée offre aux fabricants un outil pratique pour améliorer la qualité de l’huile de base et la constance du procédé.

Spectre FTIR de l’ester de pentaérythritol transestérifié par ultrasons
Étude et graphique : ©Arumugam et al., 2019

Avantages des sonicateurs Hielscher pour les fabricants de lubrifiants

Hielscher propose une gamme complète de sonicateurs, des unités de R&D aux systèmes ultrasonores entièrement industriels. Cela permet de développer un procédé à l’échelle du laboratoire, puis de le transférer à l’échelle pilote et à l’échelle de production en s’appuyant sur les mêmes principes ultrasonores fondamentaux.
Tous les sonicateurs à partir de 200 watts de puissance disposent d’une commande numérique, de réglages programmables, d’une commande à distance via navigateur, d’un protocolage automatique des données, de capteurs de température et de pression enfichables et de bien d’autres fonctions, pour une convivialité maximale et des résultats reproductibles.
Pour la production industrielle de lubrifiants, la gamme Hielscher comprend des sonicateurs de laboratoire compacts pour les études de faisabilité, des systèmes à l’échelle pilote pour l’optimisation des procédés et des processeurs ultrasonores industriels tels que les UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT, ainsi que des installations multi-unités plus importantes pour le traitement continu de grands volumes.
Les réacteurs à circulation permettent un temps de séjour contrôlé, une mise sous pression pour une cavitation plus intense, une gestion de la température et une intégration en ligne dans les lignes de production d’estérification ou de transestérification existantes.

Les processeurs ultrasonores Hielscher offrent des avantages importants pour la synthèse d’esters et de biolubrifiants :

• contrôle précis de l’amplitude pour une intensité de cavitation reproductible
• pulsation réglable pour optimiser l’apport d’énergie et la gestion thermique
• sonication par sonde de haute puissance pour un transfert d’énergie direct et efficace dans le milieu réactionnel
• fonctionnement en batch et en flux continu pour un développement de procédé flexible
• évolutivité industrielle, des essais en laboratoire à la fabrication à haut rendement
• conception robuste des équipements pour les environnements exigeants de traitement chimique

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :

La synthèse de diesters par ultrasons comme stratégie de fabrication

Le principe de la transestérification par ultrasons des huiles et des graisses s’applique directement à la synthèse de diesters par ultrasons et, plus largement, à la production de biolubrifiants à base d’esters. Les diesters sont d’importantes bases de lubrifiants synthétiques en raison de leur comportement viscosité-température favorable, de leur pouvoir lubrifiant et de leurs propriétés à basse température. Comme d’autres réactions d’estérification et de transestérification, la synthèse de diesters bénéficie souvent d’un meilleur contact entre les réactifs, d’un transfert de masse plus rapide et d’une utilisation plus efficace du catalyseur.
L’ultrasonication est donc un outil d’intensification pratique pour les fabricants qui produisent des esters à partir de matières premières renouvelables, d’esters méthyliques d’acides gras, d’alcools, de polyols ou d’autres précurseurs d’esters. Au lieu de s’appuyer uniquement sur la chaleur et l’agitation mécanique, les ultrasons introduisent un mélange induit par la cavitation à l’échelle microscopique, là où se situent en réalité de nombreuses limitations de la réaction.

Pour les ingénieurs de procédés, cela signifie que les réacteurs à ultrasons peuvent être utilisés pour améliorer :

• la vitesse de réaction
• le rendement en esters
• l’efficacité du catalyseur
• la dispersion des phases/li>
• la constance d’un lot à l’autre
• la compacité du procédé
• l’efficacité énergétique par rapport à un traitement conventionnel prolongé

La transestérification par ultrasons atteint environ 75% de conversion au cours des 1,5 premières minutes et plafonne à environ 90% de conversion après 6 minutes.
La méthode conventionnelle présente une vitesse de conversion beaucoup plus lente et n’atteint qu’environ 40% de conversion après 8 minutes.
Étude et graphique : ©Fayyazi et al., 2014

De l’étude en laboratoire à la production industrielle de biolubrifiants

La transestérification assistée par ultrasons est une méthode adaptée à la production d’esters pour lubrifiants (tels que les biolubrifiants à base d’ester de pentaérythritol), avec un rendement amélioré et des conditions de réaction moins sévères que la voie conventionnelle. Arumugam et al. (2019) ont rapporté une augmentation du rendement de 47% à environ 81,4%, ce qui démontre clairement l’intérêt commercial de l’intensification des procédés par ultrasons.
Pour les fabricants de lubrifiants, les implications sont simples : la transestérification par ultrasons peut contribuer à convertir plus efficacement des matières premières renouvelables en huiles de base ester à forte valeur ajoutée. Avec les sonicateurs Hielscher, la même plateforme technologique que celle utilisée pour l’optimisation en laboratoire peut être transposée à une exploitation industrielle en continu. Le traitement par ultrasons devient ainsi non seulement un outil de recherche, mais aussi une stratégie de fabrication viable pour les biolubrifiants de nouvelle génération.
En intégrant les réacteurs à ultrasons Hielscher dans les lignes de synthèse d’esters, les fabricants peuvent intensifier la transestérification, améliorer les rendements et développer des bases de lubrifiants plus durables à partir de matières premières dérivées d’huiles végétales. Alors que la demande en lubrifiants biodégradables et renouvelables continue de croître, la synthèse de diesters et d’esters de polyols par ultrasons offre une voie solide vers une production de biolubrifiants plus propre, plus efficace et commercialement compétitive.

Bibliographie / Références

• 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.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
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