סינתזה אולטראסונית של דיאסטרים לייצור חומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים

המעבר מחומרי סיכה שמקורם בנפט לחומרי סיכה מתחדשים, מתכלים ובעלי ביצועים גבוהים המבוססים על אסטרים הולך ומואץ בכל ענפי התעשייה. יצרני חומרי הסיכה נתונים ללחץ הולך וגובר להפחית את ההשפעה הסביבתית, תוך שמירה על קריטריוני ביצועים תובעניים כגון מדד צמיגות גבוה, נדיפות נמוכה, כושר סיכה טוב, יציבות תרמית והתנהגות אמינה בטמפרטורות נמוכות. בהקשר זה, תהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטראסוני מציע אסטרטגיה יעילה להגברת האינטנסיביות של התהליך, לצורך סינתזה של חומרי גלם מבוססי אסטרים המשמשים בתרכובות מודרניות של חומרי סיכה ביולוגיים.

טרנסאסטריפיקציה אולטראסונית של די-אסטרים לייצור חומרי סיכה ביולוגיים

טרנסאסטריפיקציה אולטראסונית של שמנים ושומנים צמחיים היא טכניקה בת-קיימא המשפרת באופן משמעותי את תפוקת האסטרים, מצמצמת את מגבלות העיבוד והופכת את תהליך הטרנסאסטריפיקציה לאטרקטיבי יותר לייצור חומרי סיכה תעשייתיים. מכשירי סוניקציה מסוג "פרובה" של חברת Hielscher משמשים לסינתזה יעילה של אסטרים בייצור מקוון בתנאי תהליך מבוקרים.

סינתזה של חומר סיכה ביולוגי באמצעות אסטריפיקציה

שמנים צמחיים מהווים חומרי גלם אטרקטיביים לייצור חומרי סיכה ביולוגיים, שכן הם מתחדשים, מתכלים ביולוגית ובעלי יכולת סיכה טובה. עם זאת, שמנים צמחיים שלא עברו טיפול סובלים לעתים קרובות מיציבות חמצונית מוגבלת ומתכונות גרועות בטמפרטורות נמוכות. אסטרטגיה נפוצה להתגבר על חסרונות אלה היא המרת אסטרים מתיליים המופקים משמן צמחי לאסטרים פוליוליים, כגון אסטרים של פנטאריטריטול, באמצעות תהליך של טרנס-אסטריפיקציה.
במחקר “אופטימיזציה של פרמטרי תהליך הטרנסאסטריפיקציה באולטרסאונד, המבוססת על אלגוריתם RSM ו-Crow Search, לצורך סינתזה של חומר סיכה ביולוגי על בסיס אסטרים של פוליול” על פי Arumugam et al., שמן לפתית הומר תחילה לאסתר מתיל של שמן לפתית. בשלב השני, אסתר המתיל הזה עבר תגובה עם פנטאריטריטול בנוכחות זרז של חומצה p-טולואנסולפונית וקסילן כממס. המוצר הסופי היה אסתר פנטאריטריטול המתאים לשמש כשמן בסיס לשמן סיכה ביולוגי. לתגובה זו חשיבות רבה עבור יצרני שמני סיכה, שכן אסטרי פוליול נמצאים בשימוש נרחב כבסיסים סינתטיים לשמני מדחסים, נוזלים הידראוליים, שמני קירור ויישומים אחרים של שמני סיכה בעלי ביצועים גבוהים.
האתגר העיקרי בתהליך טרנסאסטריפיקציה קונבנציונלי הוא שהתגובה מוגבלת לעתים קרובות עקב העברת מסה לקויה בין החומרים המגיבים. אסטרים מתילים, פוליולים וזרזים אינם תמיד יוצרים מערכת תגובה הומוגנית אידיאלית. ערבוב קונבנציונלי עלול לדרוש זמני תגובה ארוכים, טמפרטורה גבוהה ותשומת אנרגיה מוגברת, תוך שמירה על תפוקות בינוניות. זהו המקום שבו העיבוד הקולי מספק יתרון מכריע.

תרשים זרימה של תהליך טרנס-אסטריפיקציה באמצעות אולטרה-סאונד של אסתר פנטאריטריטול
מחקר ותרשים: ©Arumugam et al., 2019

כיצד תהליך טרנסאסטריפיקציה באמצעות גלי קול מגביר את סינתזת האסטרים

בתהליך של טרנסאסטריפיקציה אולטראסונית נעשה שימוש באולטראסאונד בעוצמה גבוהה ליצירת קוויטציה אקוסטית במדיום התגובה הנוזלי. הקוויטציה מייצרת בועות מיקרוסקופיות המתרחבות ומתמוטטות באלימות. תהליך זה יוצר כוחות גזירה מקומיים עזים, סילוני מיקרו, זרימה אקוסטית ומיקרו-אמולסיפיקציה.
בסינתזה של אסטרים, לתופעות אלו יש ערך רב משום שהן:

• להקטין את גודל הטיפות ולשפר את המגע בין השלבים
• להגדיל את שטח הממשק בין חומרים מגיבים שאינם מתערבבים או שמתערבבים בקושי
• שיפור הנגישות לקטליזטור
• האצת העברת מסה
• לשפר את קינטיקת התגובה
• תומך בתפוקה גבוהה יותר של אסטרים בתנאים מיטביים

המחקר מסביר כי הטורבולנציה הנוצרת כתוצאה מקוויטציה והמיקרו-אמולסיות מתגברות על המגבלות של העברת המסה בתהליך הטרנסאסטריפיקציה המקובל. כתוצאה מכך, החומרים המגיבים מפוזרים בצורה יעילה יותר, והתגובה הקטליטית מתנהלת במהירות רבה יותר ובאופן מלא יותר.

תוצאות המחקר: תשואה גבוהה יותר של אסטרים באמצעות אולטרסאונד

במחקר זה בוצעה אופטימיזציה של התהליך המונחה באולטרסאונד באמצעות מתודולוגיית משטח התגובה ואלגוריתם חיפוש ה"עורב". המשתנים התהליכיים שנבדקו היו פולס האולטרסאונד, משרעת האולטרסאונד, ריכוז הזרז וטמפרטורת התגובה.
תנאי התהליך האולטראסוניים האופטימליים היו:
מערכת סוניקטור: מכשיר אולטרה-סוניק מסוג UP400St של Hielscher עם בדיקה
דופק קולי: 15 שניות
משרעת קולית: 60%
ריכוז הקטליסט: אחוז וחצי ממשקל
טמפרטורת תגובה: 100°C

בתנאים מיטביים אלה, תהליך הטרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד השיג תשואה של כ-81.4% באסטר פנטאריטריטול. לעומת זאת, תהליך הטרנסאסטריפיקציה הקונבנציונלי הניב תשואה של כ-47% בלבד בתנאים שנבדקו במחקר. משמעות הדבר היא שהעיבוד האולטראסוני הגדיל את תשואת האסטר ביותר מ-70% ביחס לתהליך הקונבנציונלי.
עבור יצרני חומרי סיכה, זוהי תוצאה בעלת חשיבות רבה. תפוקה גבוהה יותר פירושה ניצול טוב יותר של חומרי הגלם, הפחתת תוצרי לוואי, שיפור הכדאיות הכלכלית של התהליך, ואפשרות להפחתת עלות הייצור לקילוגרם של שמן בסיס אסטרי.

אישור היווצרות אסתר

המחקר של Arumugam et al. (2019) אישר את היווצרותו של אסתר פנטאריטריטול באמצעות ספקטרוסקופיית FTIR וכרומטוגרפיה גזית. ניתוח ה-FTIR הראה פסגות אופייניות של קרבוניל אסתרי ו-C–O אסטרי, בעוד שפסגות נוספות אישרו את נוכחותה של קבוצת הפנטאריטריטיל. כרומטוגרפיה גזית אישרה בנוסף את הרכב המוצר, כולל חלקי מונו-אסטר, די-אסטר, טרי-אסטר וטטרה-אסטר.
בייצור חומרי סיכה ביולוגיים, אימות אנליטי זה הוא חשוב, שכן ביצועי חומר הסיכה תלויים במידה רבה בהרכב האסטרים. היכולת לקדם את היווצרותן של מבני אסטרים רצויים באמצעות תהליך טרנס-אסטריפיקציה מבוקר באמצעות אולטרה-סאונד מספקת ליצרנים כלי מעשי לשיפור איכות שמן הבסיס ועקביות התהליך.
 

ספקטרום FTIR של אסתר פנטאריטריטול שעבר תהליך טרנס-אסטריפיקציה באמצעות אולטרסאונד
מחקר ואיור: ©Arumugam et al., 2019

יתרונותיהם של מכשירי הסוניקציה של Hielscher עבור יצרני חומרי סיכה

חברת Hielscher מציעה מגוון מלא של מכשירי סוניקציה החל מ-R&מיחידות D ועד למערכות אולטראסוניות תעשייתיות מלאות. הדבר מאפשר לפתח תהליך בקנה מידה מעבדתי ולאחר מכן להעביר אותו לקנה מידה ניסיוני ולקנה מידה תעשייתי, תוך שימוש באותם עקרונות אולטראסוניים בסיסיים.
כל מכשירי הסוניקציה בהספק של 200 וואט ומעלה מצוידים בבקרה דיגיטלית, הגדרות הניתנות לתכנות, הפעלה מרחוק באמצעות דפדפן, תיעוד נתונים אוטומטי, חיישני טמפרטורה ולחץ הניתנים לחיבור ועוד, כל זאת כדי להבטיח נוחות שימוש מרבית ותוצאות חוזרות.
לצורך ייצור חומרי סיכה תעשייתיים, מגוון המוצרים של Hielscher כולל מכשירי סוניקציה קומפקטיים למעבדה המיועדים למחקרי היתכנות, מערכות בקנה מידה פיילוט לייעול תהליכים ומעבדי אולטראסאונד תעשייתיים כגון ה-UIP500hdT, ה-UIP1000hdT, ה-UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT ומתקנים גדולים יותר המורכבים מיחידות מרובות לעיבוד רציף בנפח גבוה.
כורים מסוג "זרימה רציפה" מאפשרים שליטה על זמן השהייה, יצירת לחץ לצורך קוויטציה אינטנסיבית יותר, בקרת טמפרטורה ושילוב ישיר בקווי ייצור קיימים של אסטריפיקציה או טרנס-אסטריפיקציה.

מעבדי הקול האולטראסוניים של Hielscher מציעים יתרונות חשובים בסינתזה של אסטרים וחומרי סיכה ביולוגיים:

• בקרה מדויקת על המשרעת להשגת עוצמת קוויטציה הניתנת לשחזור
• פעימות מתכווננות לייעול צריכת האנרגיה וניהול החום
• שימוש באולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה באמצעות בדיקה להעברת אנרגיה ישירה ויעילה לתוך מדיום התגובה
• פעולה אצוותית ופעולה בזרימה רציפה לפיתוח תהליכים גמיש
• יכולת הרחבה תעשייתית, החל מבדיקות מעבדה ועד לייצור בהיקף נרחב
• תכנון ציוד עמיד לסביבות עיבוד כימי תובעניות

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

סינתזה אולטראסונית של דיאסטרים כאסטרטגיה ייצורית

עקרון התהליך של טרנס-אסטריפיקציה אולטראסונית של שמנים ושומנים רלוונטי באופן ישיר לסינתזה אולטראסונית של דיאסטרים ולייצור רחב יותר של חומרי סיכה ביולוגיים על בסיס אסטרים. דיאסטרים מהווים חומרי גלם חשובים לשמנים סינתטיים, בזכות התנהגותם החיובית מבחינת צמיגות-טמפרטורה, כושר השימון ותכונותיהם בטמפרטורות נמוכות. בדומה לתגובות אסטריפיקציה וטרנסאסטריפיקציה אחרות, סינתזת דיאסטרים נהנית לעתים קרובות ממגע משופר בין המגיבים, מהעברת מסה מהירה יותר ומניצול יעיל יותר של הזרז.
לפיכך, השימוש באולטרסאונד מהווה כלי יעיל להגברת התגובה עבור יצרנים המייצרים אסטרים מחומרי גלם מתחדשים, אסטרי מתיל של חומצות שומן, אלכוהולים, פוליולים או חומרי גלם אחרים לייצור אסטרים. במקום להסתמך אך ורק על חום וערבוב מכני, האולטרסאונד מאפשר ערבוב המונע על ידי קוויטציה ברמה המיקרוסקופית, שם מתרחשות למעשה רבות ממגבלות התגובה.

עבור מהנדסי תהליכים, משמעות הדבר היא שניתן להשתמש בכורים אולטראסוניים כדי לשפר:

• קצב תגובה
• תפוקת האסטר
• יעילות הקטליזטור
• שלב הפיזור/li>
• עקביות בין אצוות
• קומפקטיות התהליך
• יעילות אנרגטית בהשוואה לעיבוד קונבנציונלי ממושך

תהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטראסוני מגיע לשיעור המרה של כ-75% בתוך הדקה וחצי הראשונות, ומתייצב על שיעור המרה של כ-90% לאחר 6 דקות.
השיטה הקונבנציונלית מציגה קצב המרה איטי בהרבה, ומגיעה להמרה של כ-40% בלבד לאחר 8 דקות.
מחקר ותרשים: ©Fayyazi et al., 2014

ממחקר מעבדה לייצור תעשייתי של חומרי סיכה ביולוגיים

טרנס-אסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד היא שיטה מתאימה לייצור אסטרים לשמנים (כגון שמן ביולוגי על בסיס אסטרים של פנטאריטריטול) עם תשואה משופרת ועוצמת תגובה מופחתת בהשוואה לשיטה המקובלת. Arumugam et al. (2019) דיווחו על עלייה בתפוקה מ-47% לכ-81.4%, מה שמדגים בבירור את הרלוונטיות המסחרית של העצמת התהליך באמצעות אולטרסאונד.
עבור יצרני חומרי סיכה, ההשלכות ברורות: תהליך טרנס-אסטריפיקציה באמצעות אולטרה-סאונד יכול לסייע בהמרת חומרי גלם מתחדשים לשמנים בסיסיים מסוג אסטרים בעלי ערך גבוה, בצורה יעילה יותר. באמצעות מכשירי האולטרסאונד של Hielscher, ניתן להרחיב את אותה פלטפורמה טכנולוגית המשמשת לייעול במעבדה, כך שתתאים לפעילות תעשייתית רציפה. דבר זה הופך את העיבוד האולטרסוני לא רק לכלי מחקר, אלא לאסטרטגיית ייצור מעשית עבור חומרי סיכה ביולוגיים מהדור הבא.
באמצעות שילוב כורים אולטראסוניים של Hielscher בקווי ייצור של אסטרים, היצרנים יכולים להגביר את תהליך הטרנס-אסטריפיקציה, לשפר את התפוקות ולפתח חומרי גלם בסיסיים לשמנים סינתטיים בעלי קיימות גבוהה יותר, המופקים מחומרי גלם שמקורם בשמן צמחי. ככל שהביקוש לשמנים מתכלים ומתחדשים ממשיך לגדול, סינתזה אולטראסונית של די-אסטרים ואסטרי פוליול מציעה נתיב מוביל לייצור שמנים ביולוגיים נקיים יותר, יעילים יותר ותחרותיים מבחינה מסחרית.

ספרות / מקורות