उच्च प्रदर्शन वाले जैवस्नेहकों के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक डाइएस्टर संश्लेषण

औद्योगिक क्षेत्रों में पेट्रोलियम से प्राप्त स्नेहकों से नवीकरणीय, जैवअपघटनीय और उच्च प्रदर्शन वाले एस्टर-आधारित स्नेहकों की ओर बदलाव तेज़ हो रहा है। स्नेहक निर्माताओं पर उच्च श्यानता सूचकांक, कम वाष्पशीलता, अच्छी स्नेहकता, तापीय स्थिरता और कम तापमान पर विश्वसनीय व्यवहार जैसे कड़े प्रदर्शन मानदंडों को बनाए रखते हुए पर्यावरणीय प्रभाव कम करने का दबाव बढ़ रहा है। इस संदर्भ में, अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण आधुनिक जैवस्नेहक फ़ॉर्मूलेशनों में उपयोग किए जाने वाले एस्टर-आधारित कच्चे माल के संश्लेषण के लिए प्रक्रिया तीव्रीकरण की एक शक्तिशाली रणनीति प्रदान करता है।

जैवस्नेहकों के लिए डाइएस्टरों का अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण

वनस्पति तेलों और वसाओं का अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण एक संधारणीय तकनीक है, जो एस्टर की उपज में उल्लेखनीय सुधार करती है, प्रसंस्करण संबंधी सीमाओं को कम करती है और औद्योगिक स्नेहक उत्पादन के लिए ट्रांसएस्टरीकरण मार्ग को अधिक आकर्षक बनाती है। नियंत्रित प्रक्रिया परिस्थितियों में इनलाइन उत्पादन के दौरान कुशल एस्टर संश्लेषण के लिए Hielscher के प्रोब-प्रकार के सोनिकेटरों का उपयोग किया जाता है।

ट्रांसएस्टरीकरण द्वारा जैवस्नेहक संश्लेषण

वनस्पति तेल जैवस्नेहकों के लिए आकर्षक प्रारंभिक कच्चे माल हैं, क्योंकि वे नवीकरणीय और जैवअपघटनीय होते हैं तथा उनमें अच्छी स्नेहकता होती है। हालाँकि, अनुपचारित वनस्पति तेलों में अक्सर ऑक्सीकरण स्थिरता सीमित होती है और कम तापमान पर उनके गुण खराब होते हैं। इन कमियों को दूर करने की एक सामान्य रणनीति है ट्रांसएस्टरीकरण द्वारा वनस्पति तेल से प्राप्त मिथाइल एस्टरों को पेंटाएरीथ्रिटॉल एस्टरों जैसे पॉलीऑल एस्टरों में परिवर्तित करना।
Arumugam और सहकर्मियों के अध्ययन “पॉलीऑल एस्टर-आधारित जैवस्नेहक के संश्लेषण में सोनिकेशन-सहायित ट्रांसएस्टरीकरण प्रक्रिया के मापदंडों का RSM और क्रो सर्च एल्गोरिदम-आधारित अनुकूलन” में पहले रेपसीड तेल को रेपसीड तेल मिथाइल एस्टर में परिवर्तित किया गया। दूसरे चरण में, इस मिथाइल एस्टर की पेंटाएरीथ्रिटॉल के साथ अभिक्रिया कराई गई, जिसमें p-टोलुईनसल्फ़ोनिक अम्ल उत्प्रेरक और ज़ाइलीन विलायक के रूप में उपस्थित थे। लक्षित उत्पाद एक पेंटाएरीथ्रिटॉल एस्टर था, जो जैवस्नेहक आधार तेल के रूप में उपयुक्त था। यह अभिक्रिया स्नेहक निर्माताओं के लिए अत्यंत प्रासंगिक है, क्योंकि पॉलीऑल एस्टरों का व्यापक रूप से कंप्रेसर तेलों, हाइड्रोलिक द्रवों, प्रशीतन तेलों और उच्च प्रदर्शन वाले अन्य स्नेहक अनुप्रयोगों के लिए सिंथेटिक स्नेहक आधार पदार्थों के रूप में उपयोग किया जाता है।
पारंपरिक ट्रांसएस्टरीकरण में मुख्य चुनौती यह है कि अभिकारकों के बीच कमजोर द्रव्यमान अंतरण के कारण अभिक्रिया अक्सर सीमित हो जाती है। मिथाइल एस्टर, पॉलीऑल और उत्प्रेरक हमेशा एक आदर्श समांगी अभिक्रिया तंत्र नहीं बनाते। पारंपरिक विलोडन में लंबा अभिक्रिया समय, उच्च तापमान और अधिक ऊर्जा निवेश आवश्यक हो सकते हैं, फिर भी केवल मध्यम उपज प्राप्त हो सकती है। यहीं अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण निर्णायक लाभ प्रदान करता है।

पेंटाएरीथ्रिटॉल एस्टर की अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण प्रक्रिया का प्रवाह आरेख
अध्ययन और आरेख: ©Arumugam et al,.2019

अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण एस्टर संश्लेषण को कैसे तीव्र करता है

अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण में द्रव अभिक्रिया माध्यम में ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करने के लिए उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है। कैविटेशन सूक्ष्म बुलबुले उत्पन्न करता है, जो बढ़ते हैं और तीव्रता से ध्वस्त हो जाते हैं। इससे तीव्र स्थानीय अपरूपण बल, सूक्ष्म जेट, ध्वनिक प्रवाह और सूक्ष्म पायसीकरण उत्पन्न होते हैं।
एस्टर संश्लेषण के लिए ये प्रभाव अत्यंत उपयोगी हैं, क्योंकि ये:

• बूंदों का आकार कम करते हैं और प्रावस्थाओं के बीच संपर्क बेहतर बनाते हैं
• अमिश्रणीय या कम मिश्रणीय अभिकारकों के बीच अंतरापृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ाते हैं
• उत्प्रेरक तक अभिकारकों की पहुँच बढ़ाते हैं
• द्रव्यमान अंतरण को तेज़ करते हैं
• अभिक्रिया की गतिकी में सुधार करते हैं
• अनुकूलित परिस्थितियों में एस्टर की अधिक उपज प्राप्त करने में सहायक होते हैं

अध्ययन में बताया गया है कि कैविटेशन से उत्पन्न विक्षोभ और सूक्ष्म पायस पारंपरिक ट्रांसएस्टरीकरण की द्रव्यमान अंतरण संबंधी सीमाओं को दूर करते हैं। परिणामस्वरूप, अभिकारक अधिक प्रभावी ढंग से परिक्षेपित होते हैं और उत्प्रेरकीय अभिक्रिया अधिक तेज़ी से तथा अधिक पूर्णता के साथ आगे बढ़ती है।

अध्ययन के परिणाम: अल्ट्रासाउंड से एस्टर की अधिक उपज

अध्ययन में प्रतिक्रिया सतह पद्धति और क्रो सर्च एल्गोरिदम का उपयोग करके अल्ट्रासाउंड-सहायित प्रक्रिया का अनुकूलन किया गया। जाँचे गए प्रक्रिया चर थे: अल्ट्रासोनिक पल्स, अल्ट्रासोनिक आयाम, उत्प्रेरक सांद्रता और अभिक्रिया तापमान।
अनुकूलित अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया की स्थितियाँ इस प्रकार थीं:
सोनिकेटर प्रणाली: Hielscher UP400St प्रोब-प्रकार सोनिकेटर
अल्ट्रासोनिक पल्स: 15 सेकंड
अल्ट्रासोनिक आयाम: 60%
उत्प्रेरक सांद्रता: 1.5 wt.%
अभिक्रिया तापमान: 100°C

इन अनुकूलित स्थितियों में, अल्ट्रासाउंड-सहायित ट्रांसएस्टरीकरण से लगभग 81.4% पेंटाएरिथ्रिटॉल एस्टर उपज प्राप्त हुई। तुलना में, अध्ययन में मूल्यांकित स्थितियों के अंतर्गत पारंपरिक ट्रांसएस्टरीकरण विधि से केवल लगभग 47% उपज प्राप्त हुई। इसका अर्थ है कि अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण ने पारंपरिक विधि की तुलना में एस्टर उपज में 70% से अधिक की वृद्धि की।
स्नेहक निर्माताओं के लिए यह अत्यंत प्रासंगिक परिणाम है। अधिक उपज का अर्थ है कच्चे माल का बेहतर उपयोग, कम गौण प्रक्रिया धाराएँ, बेहतर प्रक्रिया अर्थशास्त्र और प्रति किलोग्राम एस्टर आधार तेल की संभावित रूप से कम उत्पादन लागत।

एस्टर निर्माण की पुष्टि

Arumugam et al. (2019) के अध्ययन ने FTIR स्पेक्ट्रोस्कोपी और गैस क्रोमैटोग्राफी द्वारा पेंटाएरिथ्रिटॉल एस्टर के निर्माण की पुष्टि की। FTIR विश्लेषण में एस्टर कार्बोनिल और एस्टर C–O के विशिष्ट शिखर दिखाई दिए, जबकि अतिरिक्त शिखरों ने पेंटाएरिथ्रिटिल समूह की उपस्थिति का समर्थन किया। गैस क्रोमैटोग्राफी ने उत्पाद की संरचना की भी पुष्टि की, जिसमें मोनोएस्टर, डाइएस्टर, ट्राइएस्टर और टेट्राएस्टर अंश शामिल थे।
जैवस्नेहक उत्पादन के लिए यह विश्लेषणात्मक पुष्टि महत्वपूर्ण है, क्योंकि स्नेहक का प्रदर्शन काफी हद तक एस्टर की संरचना पर निर्भर करता है। नियंत्रित अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण के माध्यम से वांछित एस्टर संरचनाओं के निर्माण को बढ़ावा देने की क्षमता निर्माताओं को आधार तेल की गुणवत्ता और प्रक्रिया की एकरूपता में सुधार के लिए एक व्यावहारिक साधन प्रदान करती है।
 

अल्ट्रासोनिक रूप से ट्रांसएस्टरीकृत पेंटाएरिथ्रिटॉल एस्टर का FTIR स्पेक्ट्रम
अध्ययन और आरेख: ©Arumugam et al., 2019

स्नेहक निर्माताओं के लिए Hielscher सोनिकेटरों के लाभ

Hielscher अनुसंधान एवं विकास इकाइयों से लेकर पूर्ण औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रणालियों तक सोनिकेटरों की पूरी शृंखला प्रदान करता है। इससे किसी प्रक्रिया को प्रयोगशाला स्तर पर विकसित करना और फिर उन्हीं मूलभूत अल्ट्रासोनिक सिद्धांतों का उपयोग करके उसे पायलट और उत्पादन स्तर पर स्थानांतरित करना संभव होता है।
200 वाट और उससे अधिक शक्ति वाले सभी सोनिकेटरों में सर्वोच्च उपयोगकर्ता-सुविधा और दोहराने योग्य परिणामों के लिए डिजिटल नियंत्रण, प्रोग्राम करने योग्य सेटिंग्स, ब्राउज़र के माध्यम से दूरस्थ संचालन, स्वचालित डेटा अभिलेखन, प्लग से जोड़े जा सकने वाले तापमान और दाब सेंसर तथा कई अन्य सुविधाएँ होती हैं।
औद्योगिक स्नेहक उत्पादन के लिए Hielscher की शृंखला में व्यवहार्यता अध्ययनों के लिए कॉम्पैक्ट प्रयोगशाला सोनिकेटर, प्रक्रिया अनुकूलन के लिए पायलट-स्तरीय प्रणालियाँ और UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT जैसे औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर तथा निरंतर बड़ी मात्रा में प्रसंस्करण के लिए बड़े बहु-इकाई संयंत्र शामिल हैं।
प्रवाहशील रिएक्टर नियंत्रित निवास समय, अधिक तीव्र कैविटेशन के लिए दाब बढ़ाने, तापमान प्रबंधन और मौजूदा एस्टरीकरण या ट्रांसएस्टरीकरण उत्पादन लाइनों में इनलाइन एकीकरण की सुविधा देते हैं।

Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर एस्टर और जैवस्नेहक संश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं:

• पुनरुत्पादनीय कैविटेशन तीव्रता के लिए सटीक आयाम नियंत्रण
• ऊर्जा निवेश और तापीय प्रबंधन को अनुकूलित करने के लिए समायोज्य पल्स संचालन
• अभिक्रिया माध्यम में प्रत्यक्ष और कुशल ऊर्जा हस्तांतरण के लिए उच्च-शक्ति प्रोब सोनिकेशन
• लचीले प्रक्रिया विकास के लिए बैच और निरंतर-प्रवाह संचालन
• प्रयोगशाला परीक्षण से उच्च प्रसंस्करण क्षमता वाले विनिर्माण तक औद्योगिक पैमाने पर विस्तार की क्षमता
• कठिन रासायनिक प्रसंस्करण परिस्थितियों के लिए मजबूत उपकरण डिज़ाइन

 
 
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

विनिर्माण रणनीति के रूप में अल्ट्रासोनिक डाइएस्टर संश्लेषण

तेलों और वसाओं के अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण का प्रक्रिया सिद्धांत सीधे तौर पर अल्ट्रासोनिक डाइएस्टर संश्लेषण और व्यापक एस्टर-आधारित जैवस्नेहक उत्पादन के लिए प्रासंगिक है। अपने अनुकूल श्यानता-तापमान व्यवहार, स्नेहन क्षमता और निम्न-तापमान गुणों के कारण डाइएस्टर महत्वपूर्ण सिंथेटिक स्नेहक आधार द्रव्य हैं। अन्य एस्टरीकरण और ट्रांसएस्टरीकरण अभिक्रियाओं की तरह, डाइएस्टर संश्लेषण को भी अक्सर अभिकारकों के बीच बेहतर संपर्क, अधिक तीव्र द्रव्यमान स्थानांतरण और उत्प्रेरक के अधिक प्रभावी उपयोग से लाभ होता है।
इसलिए, नवीकरणीय कच्चे माल, वसा अम्ल मिथाइल एस्टरों, अल्कोहलों, पॉलीऑलों या अन्य एस्टर पूर्ववर्तियों से एस्टर बनाने वाले निर्माताओं के लिए अल्ट्रासोनिकेशन प्रक्रिया तीव्रीकरण का एक व्यावहारिक साधन है। केवल ऊष्मा और यांत्रिक विलोड़न पर निर्भर रहने के बजाय, अल्ट्रासाउंड सूक्ष्म स्तर पर कैविटेशन द्वारा संचालित मिश्रण उत्पन्न करता है, जहाँ वास्तव में अभिक्रिया की कई सीमाएँ उत्पन्न होती हैं।

प्रक्रिया इंजीनियरों के लिए इसका अर्थ है कि अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों का उपयोग निम्नलिखित में सुधार के लिए किया जा सकता है:

• अभिक्रिया दर
• एस्टर उपज
• उत्प्रेरक दक्षता
• प्रावस्था परिक्षेपण
• बैचों के बीच एकरूपता
• प्रक्रिया की सघनता
• लंबे समय तक चलने वाले पारंपरिक प्रसंस्करण की तुलना में ऊर्जा दक्षता

अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण पहले 1.5 मिनट के भीतर लगभग 75% रूपांतरण तक पहुँच जाता है और 6 मिनट के बाद लगभग 90% रूपांतरण पर स्थिर हो जाता है।
पारंपरिक विधि में रूपांतरण दर बहुत धीमी होती है और 8 मिनट के बाद केवल लगभग 40% रूपांतरण प्राप्त होता है।
अध्ययन और चित्र: ©Fayyazi et al., 2014

प्रयोगशाला अध्ययन से औद्योगिक जैवस्नेहक उत्पादन तक

अल्ट्रासाउंड-सहायित ट्रांसएस्टरीकरण, पारंपरिक विधि की तुलना में बेहतर उपज और कम कठोर अभिक्रिया परिस्थितियों के साथ स्नेहकों के लिए एस्टर (जैसे पेंटाएरीथ्रिटॉल एस्टर-आधारित जैवस्नेहक) बनाने की एक उपयुक्त विधि है। Arumugam et al. (2019) ने उपज में 47% से लगभग 81.4% तक की वृद्धि दर्ज की, जो अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया तीव्रीकरण की व्यावसायिक प्रासंगिकता को स्पष्ट रूप से दर्शाती है।
स्नेहक निर्माताओं के लिए इसके निहितार्थ स्पष्ट हैं: अल्ट्रासोनिक ट्रांसएस्टरीकरण नवीकरणीय कच्चे माल को अधिक दक्षता से उच्च-मूल्य वाले एस्टर आधार तेलों में बदलने में सहायता कर सकता है। Hielscher सोनिकेटरों के साथ, प्रयोगशाला अनुकूलन में उपयोग किए जाने वाले उसी प्रौद्योगिकी प्लेटफ़ॉर्म का पैमाना बढ़ाकर उसे निरंतर औद्योगिक संचालन में उपयोग किया जा सकता है। इससे अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण न केवल एक अनुसंधान साधन, बल्कि अगली पीढ़ी के जैवस्नेहकों के लिए एक व्यवहार्य विनिर्माण रणनीति भी बन जाता है।
एस्टर संश्लेषण लाइनों में Hielscher अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों को एकीकृत करके, निर्माता ट्रांसएस्टरीकरण को तीव्र कर सकते हैं, उपज बढ़ा सकते हैं और वनस्पति तेल से प्राप्त कच्चे माल से अधिक टिकाऊ स्नेहक आधार द्रव्य विकसित कर सकते हैं। जैवअपघटनीय और नवीकरणीय स्नेहकों की माँग लगातार बढ़ने के साथ, अल्ट्रासोनिक डाइएस्टर और पॉलीऑल एस्टर संश्लेषण अधिक स्वच्छ, अधिक दक्ष और व्यावसायिक रूप से प्रतिस्पर्धी जैवस्नेहक उत्पादन की दिशा में एक सशक्त मार्ग प्रदान करता है।

साहित्य / संदर्भ

• 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.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.