ייצור חומרי סיכה ביולוגיים: העצמת תהליכים באמצעות סוניקציה

תעשיית חומרי הסיכה נכנסת לשלב מכריע של חדשנות בפורמולציות. ככל שמשתמשים תעשייתיים, ענפי התחבורה, מפעילים ימיים ויישומים רגישים מבחינה סביבתית עוברים לחלופות מתכלות ביולוגית ומתחדשות, יצרני חומרי הסיכה נתונים ללחץ גובר לספק חומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים בלי להתפשר על בקרת הצמיגות, היציבות החמצונית, ההגנה מפני שחיקה או יציבות האחסון לטווח ארוך. אנליסטים של השוק מדווחים על צמיחה מתמשכת בשוק חומרי הסיכה הביולוגיים, המונעת מביקוש לפתרונות סיכה מתכלים ביולוגית, בעלי פליטות מופחתות ובני קיימא ביישומי תחבורה ותעשייה.

ייצור אולטרסוני של חומרי סיכה ביולוגיים: העצמת תהליכים לחומרי סיכה בני קיימא

על רקע זה, עיבוד אולטרסוני, המכונה גם סוניקציה, צובר חשיבות בתעשייה כטכנולוגיית ייצור רב־תכליתית לייצור חומרי סיכה ביולוגיים. ניתן להשתמש באולטרסאונד בהספק גבוה לפיזור אולטרסוני, לטרנסאסטריפיקציה סונוכימית, לתחלוב ולהכנת חלקיקי מיקרוג'ל, וכך להעניק למפתחי פורמולציות כלי רב־עוצמה לשיפור הן של ההמרה הכימית והן של האיכות הפיזיקלית של הפורמולציה. לכן סוניקציה היא טכניקת עיבוד יעילה ביותר המשמשת בשמני סיכה ביולוגיים, במשחות סיכה ביולוגיות, בחומרי סיכה ביולוגיים על בסיס מים ובחומרי סיכה בדרגת מזון.

מדוע עיבוד אולטרסוני חשוב ליצרני חומרי סיכה ביולוגיים

חומרי סיכה ביולוגיים מבוססים לעיתים קרובות על מערכות מורכבות של חומרי גלם: שמנים צמחיים, אסטרים סינתטיים, פולימרים ממקור ביולוגי, נגזרות תאית, תוספים פונקציונליים, נוגדי חמצון, מעכבי קורוזיה, חומרים למניעת שחיקה, משני חיכוך ופאזות על בסיס מים או מסוג תחליב. מרכיבים אלה עשויים להיות שונים מאוד זה מזה בקוטביות, בצמיגות, בגודל החלקיקים, במסיסות ובהתנהגות בממשק. מערבלים קונבנציונליים, מערכות רוטור־סטטור או ערבול ממושך באצווה עשויים שלא לספק תמיד צפיפות אנרגיה מספקת ליצירת תרחיפים בעלי חלקיקים עדינים ויציבים או תגובות מהירות בממשק.
סוניקציה מתמודדת עם אתגרים אלה באמצעות קוויטציה אקוסטית. כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מוחדר לנוזלים, נוצרות בועות קוויטציה מיקרוסקופיות, הגדלות וקורסות. כך נוצרים כוחות גזירה מקומיים חזקים, מיקרו־ערבוב אינטנסיבי, זרימה טורבולנטית, פירוק צברי חלקיקים ואזורים תגובתיים שיכולים להאיץ מעבר מסה ותגובות כימיות. במחקר בתחום הטרנסאסטריפיקציה, אולטרסאונד נחקר בהרחבה כאמצעי להתגבר על קינטיקת תגובה איטית ועל מגע בלתי יעיל בין פאזות השמן והאלכוהול.
עבור יצרני חומרי סיכה, משמעות הדבר היא שאולטרסאונד אינו רק שיטת הומוגניזציה מעבדתית. זוהי טכנולוגיה להעצמת תהליכים שיכולה לתמוך בייצור פורמולציות של חומרי סיכה ממקור ביולוגי שהן יציבות יותר, אחידות יותר ויעילות יותר.
 

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

פיזור אולטרסוני של תוספים לחומרי סיכה ממקור ביולוגי

אתגר מרכזי בהכנת פורמולציות של חומרי סיכה ביולוגיים הוא שילוב אחיד של תוספים ממקור ביולוגי. חומרים כגון קרבוקסימתיל צלולוז, ננו־סיבי צלולוז, ביופולימרים, גומים טבעיים, נגזרות ליגנין, מסמיכים ממקור ביולוגי וננו־חלקיקים פונקציונליים יכולים להשפיע במידה רבה על הצמיגות, כושר הסיכה, הביצועים במניעת שחיקה, יצירת שכבת סיכה ויציבות התרחיף. עם זאת, חומרים אלה נוטים לעיתים קרובות ליצור אגלומרטים, לעבור הידרציה באיטיות או ליצור מבני ג'ל לא אחידים.
פיזור אולטרסוני מסייע ליצרנים לצמצם אגלומרטים ולפזר תוספים באופן אחיד יותר בכל מטריצת חומר הסיכה. הדבר מועיל במיוחד לחומרי סיכה על בסיס מים, לחומרי סיכה ננומטריים, למערכות דמויות גריז ולחומרי סיכה ביולוגיים המבוססים על תחליבים. מחקרים עדכניים על מערכות המבוססות על צלולוז מראים שסוניקציה יכולה להשפיע במידה ניכרת על התנהגות הפיזור, הריאולוגיה ומבנה הרשת, ולכן היא כלי עיבוד שימושי להתאמת פורמולציות המכילות צלולוז.

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

• צמיגות והתנהגות ריאולוגית עקביות יותר
• יעילות משופרת של התוספים במינונים נמוכים יותר
• הפחתת שיקוע, הפרדת פאזות או ציפה של מוצקים
• ביצועים טריבולוגיים הניתנים לשחזור ברמה גבוהה יותר
• זמני עיבוד קצרים יותר בהשוואה לערבול מכני ממושך

קרבוקסימתיל צלולוז רלוונטי במיוחד משום שהוא נמצא בשימוש נרחב כנגזרת צלולוז בעלת תכונות שימושיות של צמיגות, פני שטח ויצירת שכבות. במערכות סיכה, סוניקציה יכולה לסייע בשילוב CMC וביופולימרים אחרים בפורמולציות מימיות יציבות או בפורמולציות תחליב יציבות, ובכך לתמוך בפיתוח חומרי סיכה בעלי תכונות סביבתיות משופרות, התנהגות זרימה מבוקרת ויציבות פורמולציה משופרת.
 

חומרי סיכה ביולוגיים עם קרבוקסימתיל צלולוז שפוזר באמצעות אולטרסאונד. פיזור אולטרסוני מייצר חומרי סיכה ביולוגיים ננומטריים היציבים לאורך זמן
מחקר ותמונות: ©Rahmadiawan et al., 2022

טרנסאסטריפיקציה סונוכימית לייצור חומרי סיכה ביולוגיים המבוססים על דיאסטרים ואסטרים

אסטרים נמנים עם נוזלי הבסיס החשובים ביותר לחומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים. הם יכולים להציע כושר סיכה טוב, מדד צמיגות גבוה, יכולת פירוק ביולוגי והתנהגות טובה בטמפרטורות נמוכות, בהתאם לחומר הגלם ולמבנה המולקולרי. דיאסטרים ואסטרים של פוליאולים חשובים במיוחד ליישומים כגון נוזלים הידראוליים, שמני מדחסים, נוזלים לעיבוד מתכות, שמני מסורי שרשרת, חומרי סיכה ימיים וחומרי סיכה תעשייתיים ייעודיים.
יישום מבטיח אחד של אולטרסאונד הוא הכנה סונוכימית של אסטרים באמצעות טרנסאסטריפיקציה. בטרנסאסטריפיקציה קונבנציונלית, מגיבים שאינם מתערבבים זה בזה, כגון שמנים וכוהלים, דורשים לעיתים קרובות ערבוב אינטנסיבי, טמפרטורות גבוהות, זרזים וזמני תגובה ממושכים. אולטרסאונד משפר את מעבר המסה באמצעות יצירת תחליבים דקים בין פאזות המגיבים וחידוש מתמיד של הממשק שבו מתרחשת התגובה.
טרנסאסטריפיקציה בסיוע סוניקציה היא טכניקה מבוססת, שיתרונותיה הוכחו היטב, ובהם קצבי תגובה מהירים יותר, מגע משופר בין הפאזות, זמני הפרדה קצרים יותר, תפוקות גבוהות והפחתת היווצרות פסולת בתנאים מתאימים. יצרני חומרי סיכה משתמשים בשיטת הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית לייצור רכיבים לחומרי סיכה ביולוגיים המבוססים על אסטרים, ובהם דיאסטרים ומבני אסטר פונקציונליים אחרים.

טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית מסייעת ליצרנים:

• לשפר את המגע בין פאזות השמן, הכוהל והזרז
• לקצר את זמן התגובה באמצעות הגברת מעבר המסה בממשק
• לאפשר חלונות עיבוד בטמפרטורות נמוכות יותר או ביעילות אנרגטית גבוהה יותר
• לשפר את עקביות ההמרה בייצור מנתי או רציף
• לאפשר תכנון של ריאקטורים קומפקטיים לייצור אסטרים שניתן להרחיב את היקפו

לחברות המייצרות חומרי בסיס לחומרי סיכה ביולוגיים, אולטרסאונד מציע דרך להגביר את עוצמתם של תהליכי אסטריפיקציה וטרנסאסטריפיקציה, תוך תמיכה בייצור נקי ויעיל יותר.

תחלוב אולטרסוני של פורמולציות חומרי סיכה

חומרי סיכה ביולוגיים מודרניים רבים אינם שמנים פשוטים בעלי פאזה אחת. הם עשויים לכלול תחליבי מים בשמן, תחליבי שמן במים, תרכיזי תוספים, פיזורי שעווה, מערכות מותאמות באמצעות פולימרים או מערכי רכיבים מורכבים מרובי פאזות. לאיכותם של תחליבים אלה יש השפעה ישירה על היציבות באחסון, כושר הסיכה, ביצועי הקירור, ההגנה מפני קורוזיה וההתנהגות בעת השימוש.
תחלוב אולטרסוני יעיל ביותר משום שקוויטציה יוצרת כוחות גזירה מקומיים עזים, המפרקים טיפות לטיפות קטנות יותר ויוצרים התפלגויות צרות של גודל הטיפות. בייצור חומרי סיכה, ניתן להשתמש בכך לתחלוב שמנים ממקור ביולוגי, פאזות אסטריות, פאזות מימיות, חומרים פעילי שטח, מייצבים פולימריים ותוספים פונקציונליים ליצירת פורמולציות יציבות.

הדבר רלוונטי במיוחד עבור:

• חומרי סיכה ביולוגיים על בסיס מים
• נוזלים לעיבוד מתכות ונוזלי חיתוך
• נוזלים הידראוליים המכילים רכיבים ממקורות מתחדשים
• גריזים מסוג תחליב וחומרי סיכה מוצקים למחצה
• תרכיזי תוספים ופיזורים מקדימים
• מערכות חומרי סיכה המכילות ביופולימרים או נגזרות תאית

תחלוב דק משפר את היציבות הפיזיקלית של פורמולציות חומרי סיכה ויכול להפחית את הצורך בכמויות מופרזות של חומרים פעילי שטח. עבור יצרנים, הדבר מציע יתרונות הן בביצועים והן בעלויות: יציבות משופרת, שימוש יעיל יותר בתוספים וגמישות רבה יותר בהרכב הפורמולציה.

סוניקציה להכנת חלקיקי מיקרוג'ל בתחליב

תחום מתפתח נוסף הוא ייצור חלקיקי מיקרוג'ל בתחליב עבור פורמולציות מתקדמות של חומרי סיכה. מיקרוג'לים יכולים לשמש כמשני ראולוגיה, כנשאים לחומרים פעילים, כמשני חיכוך או כחומרים מקני מבנה המגיבים לגירויים. במערכות חומרי סיכה ממקור ביולוגי, ניתן לייצר חלקיקי מיקרוג'ל מפולימרים טבעיים, מתאית מותאמת, מרב־סוכרים, מחלבונים או ממערכות פולימריות אחרות ממקורות מתחדשים.
עיבוד אולטרסוני תומך בהכנת מיקרוג'לים בכך שהוא מאפשר תחלוב מבוקר, הקטנת גודל הטיפות, פיזור פולימרים ועיצוב מבנה הפאזות. אותם מנגנונים המונעים על ידי קוויטציה ומייצרים תחליבים דקים יכולים גם לסייע ביצירת טיפות קודמן קטנות ואחידות או אזורים פולימריים מפוזרים, שעוברים בהמשך ג'לציה, צילוב או ייצוב.

ייעלו את ייצור חומרי הסיכה הביולוגיים שלכם באמצעות סוניקציה

אחת השאלות החשובות ביותר עבור יצרני חומרי סיכה היא האם ניתן לשלב עיבוד אולטרסוני באופן אמין בקווי ייצור. עם הסוניקטורים של Hielscher, התשובה היא בבירור כן. הסוניקטורים עתירי הביצועים של Hielscher מתוכננים לפעולה רציפה, לעיבוד בקו הייצור ולשילוב חלק בקווי ייצור קיימים, ולכן הם פתרון עוצמתי ואמין לייצור תעשייתי של חומרי סיכה ביולוגיים.
במערך תעשייתי טיפוסי, תערובת חומרי הסיכה המקדימה, תרחיף התוספים, תערובת התגובה של שמן ואלכוהול או התחליב המוזן לתהליך נשאבים דרך תא זרימה אולטרסוני, שם הם נחשפים לאנרגיה אולטרסונית המבוקרת במדויק. ניתן לכוונן ולנטר במדויק פרמטרים מרכזיים של התהליך, כגון משרעת, לחץ, טמפרטורה, ספיקת זרימה, זמן שהייה והשקעת אנרגיה סגולית, והם מתועדים באופן אוטומטי. רמת בקרה גבוהה זו מעניקה ליצרני חומרי הסיכה את הביטחון בתהליך הנדרש להשגת איכות פורמולציה הניתנת לשחזור, פרוטוקולי ייצור מתוקפים והגדלת קנה מידה עקבית מניסויי מחקר ופיתוח לייצור פיילוט ולתפוקה תעשייתית מלאה.
עבור יצרני חומרי סיכה ביולוגיים, יכולת זו להגדיל את קנה המידה חשובה במיוחד משום שדרישות הפורמולציה נעשות תובעניות יותר. לקוחות מצפים למוצרים בני קיימא, אך הם מצפים גם לביצועים זהים לאלה של חומרי סיכה קונבנציונליים מבוססי נפט או טובים מהם. הסוניקטורים של Hielscher מסייעים ליצרנים לגשר על פער זה באמצעות שילוב של עוצמה, אמינות, יכולת בקרה ויכולת הגדלה ליניארית של קנה המידה בפלטפורמה אולטרסונית עמידה אחת. יתרונות אלה הופכים את הסוניקטורים של Hielscher לבחירה המועדפת עבור חברות הזקוקות לסוניקציה ברמה תעשייתית לצורך הכנת פורמולציות איכותיות של חומרי סיכה ממקור ביולוגי.

 
הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים עתירי ביצועים המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.