ייצור חומרי סיכה ביולוגיים: הגברת יעילות התהליך באמצעות סוניקציה

תעשיית השמנים נכנסת לשלב מכריע של חדשנות בתחום הפורמולות. ככל שמשתמשים תעשייתיים, מגזרי התחבורה, מפעילי כלי שיט ויישומים רגישים לסביבה עוברים לשימוש בחלופות מתכלות ומתחדשות, יצרני השמנים נתונים ללחץ גובר לספק שמנים ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים, מבלי לפגוע בבקרת הצמיגות, ביציבות החמצון, בהגנה מפני בלאי או ביציבות האחסון לטווח ארוך. אנליסטים בשוק מדווחים על צמיחה מתמשכת בתחום השמנים הביולוגיים, המונעת על ידי הביקוש לפתרונות שימון מתכלים, בעלי פליטה נמוכה ובר-קיימא, בתחומי התחבורה והיישומים התעשייתיים.

ייצור ביו-חומרי סיכה באמצעות אולטרסאונד: הגברת יעילות התהליך לייצור חומרי סיכה בר-קיימא

על רקע זה, העיבוד האולטראסוני, הידוע גם כ"סוניקציה", צובר חשיבות תעשייתית כטכנולוגיית ייצור רב-תכליתית לייצור חומרי סיכה ביולוגיים. ניתן להשתמש באולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה לפיזור אולטראסוני, טרנסאסטריפיקציה סונוכימית, יצירת תחליבים והכנת חלקיקי מיקרו-ג'ל, מה שמספק למפתחי הנוסחאות כלי חזק לשיפור הן ההמרה הכימית והן איכות הנוסחה הפיזית. דבר זה הופך את הסוניקציה לטכניקת עיבוד יעילה ביותר המשמשת בייצור שמנים ביו-משמנים, גריזים ביו-משמנים, חומרי סיכה ביולוגיים על בסיס מים וחומרי סיכה בדרגת מזון.

מדוע עיבוד אולטראסוני חשוב ליצרני חומרי סיכה ביולוגיים

חומרי סיכה ביולוגיים מסתמכים לעתים קרובות על מערכות חומרי גלם מורכבות: שמנים צמחיים, אסטרים סינתטיים, פולימרים על בסיס ביולוגי, נגזרות תאית, תוספים פונקציונליים, נוגדי חמצון, מעכבי קורוזיה, חומרים נגד בלאי, משני חיכוך, וכן שלבים על בסיס מים או מסוג תחליב. מרכיבים אלה עשויים להיות שונים באופן משמעותי זה מזה מבחינת קוטביות, צמיגות, גודל חלקיקים, מסיסות והתנהגות בין-משטחית. מערבלים קונבנציונליים, מערכות רוטור-סטטור או ערבוב אצווה ממושך לא תמיד מספקים צפיפות אנרגיה מספקת ליצירת פיזור עדין ויציב או לתגובות בין-משטחיות מהירות.
השימוש באולטרסאונד מתמודד עם אתגרים אלה באמצעות קוויטציה אקוסטית. כאשר מוחדר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לנוזלים, נוצרות בועות קוויטציה מיקרוסקופיות, הן גדלות ומתמוטטות. תהליך זה יוצר גזירה מקומית גבוהה, ערבוב מיקרו-אינטנסיבי, טורבולנציה, פירוק אגרגטים של חלקיקים ואזורי תגובה שיכולים להאיץ את העברת המסה ואת התגובות הכימיות. במחקר בתחום הטרנס-אסטריפיקציה, נחקרה בהרחבה השימוש באולטרסאונד כדרך להתגבר על קינטיקה איטית של התגובות ועל מגע לא יעיל בין שלבי השמן והאלכוהול.
עבור יצרני חומרי סיכה, משמעות הדבר היא שהאולטרסאונד אינו רק שיטת הומוגניזציה מעבדתית. זוהי טכנולוגיה להגברת יעילות התהליך, המסוגלת לתמוך בייצור של פורמולות חומרי סיכה על בסיס ביולוגי, שהן יציבות יותר, אחידות יותר ויעילות יותר.
 

מפזר מסוג בדיקה אולטראסונית מייצר חומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים.
(מחקר ותמונה: Liu et al., 2020)

פיזור אולטראסוני של תוספים לשמנים שמקורם ביולוגי

אחד האתגרים המרכזיים בפיתוח נוסחאות של חומרי סיכה ביולוגיים הוא שילוב הומוגני של תוספים ממקור ביולוגי. חומרים כגון קרבוקסימתיל צלולוזה, ננו-סיבי צלולוזה, ביופולימרים, גומי טבעי, נגזרות ליגנין, חומרים מעבים ממקור ביולוגי וננו-חלקיקים פונקציונליים יכולים להשפיע באופן משמעותי על צמיגות, כושר שימון, ביצועי הגנה מפני בלאי, יצירת סרט ויציבות התרחיף. עם זאת, חומרים אלה נוטים לעתים קרובות להתגבש, להתייבש לאט או ליצור מבני ג'ל לא אחידים.
פיזור אולטראסוני מסייע ליצרנים להפחית את היווצרות הגושים ולפזר את התוספים באופן אחיד יותר בכל רחבי מטריצת חומר הסיכה. הדבר חשוב במיוחד עבור חומרי סיכה על בסיס מים, ננו-חומרי סיכה, מערכות דמויות גריז וחומרי סיכה ביולוגיים על בסיס תחליב. מחקרים אחרונים על מערכות מבוססות תאית מראים כי טיפול באולטרסאונד יכול להשפיע באופן משמעותי על התנהגות הפיזור, הריאולוגיה ומבנה הרשת, מה שהופך אותו לכלי עיבוד שימושי לכוונון פורמולות המכילות תאית.

עבור יצרני חומרי סיכה, פיזור טוב יותר עשוי להתבטא ב:

• צמיגות והתנהגות ריאולוגית עקביות יותר
• שיפור ביעילות התוסף ברמות מינון נמוכות יותר
• ירידה בשקיעה, הפרדת שלבים או חומרים מוצקים צפים
• ביצועים טריבולוגיים הניתנים לשחזור במידה רבה יותר
• זמני עיבוד קצרים יותר בהשוואה לערבוב מכני ממושך

קרבוקסימתיל-תאית רלוונטית במיוחד משום שהיא נמצאת בשימוש נרחב כנגזרת של תאית, בעלת תכונות שימושיות של צמיגות, תכונות פני שטח ויכולת יצירת סרט. במערכות שימון, טיפול באולטרסאונד יכול לסייע בשילוב CMC וביופולימרים אחרים בתרכובות מימיות או בתרכובות אמולסיה יציבות, ובכך לתמוך בפיתוח חומרי שימון ידידותיים יותר לסביבה, בעלי התנהגות זרימה מבוקרת ויציבות תרכובת משופרת.
 

חומרי סיכה ביולוגיים עם קרבוקסימתיל-תאית מפוזרת באמצעות אולטרסאונד. פיזור באמצעות אולטרסאונד מייצר חומרי סיכה ננו-ביולוגיים יציבים לטווח ארוך
מחקר ותמונות: ©Rahmadiawan et al., 2022

טרנס-אסטריפיקציה סונוכימית לייצור די-אסטרים וחומרי סיכה ביולוגיים על בסיס אסטרים

אסטרים נמנים עם נוזלי הבסיס החשובים ביותר עבור חומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים. הם יכולים להציע יכולת סיכה טובה, מדד צמיגות גבוה, פירוק ביולוגי והתנהגות טובה בטמפרטורות נמוכות, בהתאם לחומר הגלם ולמבנה המולקולרי. דיאסטרים ואסטרים פוליוליים חשובים במיוחד ליישומים כגון נוזלים הידראוליים, שמני מדחסים, נוזלי עיבוד מתכות, שמני מסורים חשמליים, חומרי סיכה ימיים וחומרי סיכה תעשייתיים מיוחדים.
אחד היישומים המבטיחים של אולטרסאונד הוא ייצור אסטרים בשיטה סונוכימית באמצעות טרנסאסטריפיקציה. בתהליך הטרנסאסטריפיקציה המסורתי, חומרים מגיבים שאינם מתערבבים זה בזה, כגון שמנים ואלכוהולים, מצריכים לעתים קרובות ערבוב אינטנסיבי, טמפרטורות גבוהות, זרזים וזמני תגובה ממושכים. אולטרסאונד משפר את העברת המסה על ידי יצירת תחליבים עדינים בין שלבי החומרים המגיבים וחידוש מתמשך של הממשק שבו מתרחשת התגובה.
טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד היא טכניקה מבוססת שהוכיחה את עצמה היטב בזכות יתרונות כגון קצב תגובה מהיר יותר, מגע משופר בין השלבים, זמני הפרדה קצרים יותר, תפוקות גבוהות והפחתת היווצרות פסולת בתנאים מתאימים. יצרני חומרי סיכה משתמשים בשיטת הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית לייצור רכיבים של חומרי סיכה ביולוגיים על בסיס אסטרים, לרבות די-אסטרים ומבנים פונקציונליים אחרים של אסטרים.

תהליך האסטריפיקציה האולטראסונית מסייע ליצרנים:

• שיפור המגע בין שלבי השמן, האלכוהול והזרז
• קיצור זמן התגובה באמצעות הגברת העברת המסה בין-משטחית
• תמיכה בטווחי עיבוד בטמפרטורות נמוכות יותר או בעלי יעילות אנרגטית גבוהה יותר
• שיפור העקביות בהמרה בייצור אצווה או בייצור רציף
• לאפשר תכנון כורים קומפקטיים לייצור אסטרים הניתן להרחבה

עבור חברות המייצרות חומרי גלם לשמנים ביולוגיים, הטכנולוגיה האולטראסונית מציעה דרך להגביר את עוצמת תהליכי האסטריפיקציה והטרנס-אסטריפיקציה, תוך תמיכה בייצור נקי ויעיל יותר.

אמולסיפיקציה באמצעות אולטרה-סאונד של תרכובות חומרי סיכה

חומרי סיכה ביולוגיים מודרניים רבים אינם שמנים חד-פאזיים פשוטים. הם עשויים לכלול תחליבים מסוג "מים בשמן", תחליבים מסוג "שמן במים", תרכיזים של תוספים, פיזור שעוות, מערכות שעברו שינוי פולימרי, או תרכובות רב-פאזיות מורכבות. לאיכותן של תחליבים אלה יש השפעה ישירה על יציבות האחסון, כושר השימון, ביצועי הקירור, ההגנה מפני קורוזיה והתנהגותם בעת השימוש.
אמולסיפיקציה באמצעות אולטרה-סאונד היא יעילה ביותר, שכן תופעת הקוויטציה מייצרת כוחות גזירה מקומיים עזים, המפרקים את הטיפות לגדלים קטנים יותר ויוצרים התפלגות צרה של גודל הטיפות. בייצור חומרי סיכה, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי ליצור אמולסיות של שמנים ממקור ביולוגי, שלבי אסטרים, שלבי מים, חומרים פעילי שטח, מייצבים פולימריים ותוספים פונקציונליים, ליצירת תרכובות יציבות.

דבר זה רלוונטי במיוחד עבור:

• חומרי סיכה ביולוגיים על בסיס מים
• נוזלי עיבוד מתכת ונוזלי חיתוך
• נוזלים הידראוליים המכילים רכיבים מתחדשים
• גריז מסוג תחליב וחומרי סיכה חצי-מוצקים
• תרכיזים ותמיסות מפוזרות מראש של תוספים
• מערכות שימון המכילות ביופולימרים או נגזרות תאית

אמולסיפיקציה עדינה משפרת את היציבות הפיזית של תרכובות חומרי סיכה ועשויה להפחית את הצורך בשימוש מוגזם בחומרים פעילי שטח. עבור היצרנים, הדבר מציע יתרונות הן מבחינת הביצועים והן מבחינת העלויות: יציבות משופרת, שימוש יעיל יותר בתוספים וגמישות רבה יותר בתרכובות.

שימוש באולטרסאונד ליצירת חלקיקי מיקרו-ג'ל באמולסיה

תחום נוסף המתפתח הוא ייצור חלקיקי מיקרו-ג'ל אמולסיה עבור פורמולות משמנות מתקדמות. מיקרוג'לים יכולים לשמש כמשני ריאולוגיה, כמנשאים למרכיבים פעילים, כמשני חיכוך או כסוכני מבנה תגובתיים. במערכות שימון מבוססות ביו, חלקיקי מיקרוג'ל עשויים להיות מיוצרים מפולימרים טבעיים, תאית מעובדת, פוליסכרידים, חלבונים או מערכות פולימריות מתחדשות אחרות.
עיבוד אולטראסוני תומך בהכנת מיקרו-ג'ל באמצעות יצירת אמולסיה מבוקרת, הקטנת גודל הטיפות, פיזור פולימרים ויצירת מבנה שלבים. אותם מנגנונים המונעים על ידי קוויטציה, המייצרים אמולסיות עדינות, יכולים גם לסייע ביצירת טיפות קטנות ואחידות של חומר גלם או תחומים מפוזרים של פולימרים, אשר לאחר מכן עוברים תהליך ג'לציה, יצירת קשרים צולבים או ייצוב.

מיטוב ייצור חומרי הסיכה הביולוגיים באמצעות סוניקציה

אחת השאלות החשובות ביותר עבור יצרני חומרי סיכה היא האם ניתן לשלב את העיבוד הקולי באופן אמין בקווי הייצור. עם מכשירי הסוניקציה של Hielscher, התשובה היא ללא ספק כן. מכשירים אולטראסוניים בעלי ביצועים גבוהים של Hielscher תוכננו לפעולה רציפה, לעיבוד מקוון ולשילוב חלק בקווי ייצור קיימים, מה שהופך אותם לפתרון עוצמתי ואמין לייצור ביו-חומרי סיכה תעשייתיים.
במתקן תעשייתי טיפוסי, תערובת השמן המוקדמת, תמיסת התוספים, תערובת התגובה של שמן-אלכוהול או חומר הגלם של התחליב נשאבים דרך תא זרימה קולי, שם הם נחשפים לאנרגיה קולית הנשלטת בדייקנות. ניתן לכוונן ולפקח במדויק על פרמטרים מרכזיים בתהליך, כגון משרעת, לחץ, טמפרטורה, קצב זרימה, זמן שהייה ותשומת אנרגיה ספציפית, והם מתועדים באופן אוטומטי. רמת השליטה הגבוהה הזו מעניקה ליצרני חומרי הסיכה את אמינות התהליך הנדרשת לאיכות פורמולות הניתנת לשחזור, לפרוטוקולי ייצור מאומתים ולהרחבה עקבית בקנה מידה מ-R&ניסויים מסוג D לקראת ייצור ניסיוני ותפוקה תעשייתית מלאה.
עבור יצרני חומרי סיכה ביולוגיים, יכולת ההרחבה הזו חשובה במיוחד, שכן דרישות הפורמולות הולכות ונעשות תובעניות יותר. הלקוחות מצפים למוצרים בני-קיימא, אך הם גם מצפים לביצועים זהים או טובים יותר מאלה של חומרי סיכה קונבנציונליים על בסיס נפט. מכשירים סוניקטוריים של Hielscher מסייעים ליצרנים לגשר על פער זה על ידי שילוב של עוצמה, אמינות, יכולת שליטה ומדרגיות ליניארית בפלטפורמה אולטראסונית אחת וחזקה. יתרונות אלה הופכים את המכשירים הסוניקטוריים של Hielscher לבחירה המועדפת עבור חברות הזקוקות לסוניקציה ברמה תעשייתית לצורך פיתוח פורמולות של חומרי סיכה ביולוגיים באיכות גבוהה.

 
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות