Proizvodnja biomaziva: intenzifikacija procesa sonikacijom

Industrija maziva ulazi u odlučujuću fazu inovacija u formuliranju. Kako industrijski korisnici, sektori mobilnosti, pomorski operateri i okolišno osjetljiva područja primjene prelaze na biorazgradive i obnovljive alternative, proizvođači maziva pod sve su većim pritiskom da isporuče biomaziva visokih performansi bez ugrožavanja kontrole viskoznosti, oksidacijske stabilnosti, zaštite od trošenja ili dugoročne stabilnosti pri skladištenju. Tržišni analitičari izvješćuju o nastavku rasta tržišta biomaziva, potaknutom potražnjom za biorazgradivim i održivim mazivim rješenjima s nižim emisijama u prometu i industrijskim primjenama.

Ultrazvučna proizvodnja biomaziva: intenzifikacija procesa za održiva maziva

U tom kontekstu ultrazvučna obrada, poznata i kao sonikacija, dobiva na važnosti u industriji kao svestrana tehnologija za proizvodnju biomaziva. Ultrazvuk velike snage može se upotrebljavati za ultrazvučno dispergiranje, sonokemijsku transesterifikaciju, emulgiranje i pripremu čestica mikrogela, pružajući stručnjacima za formuliranje pouzdan alat za poboljšanje i kemijske konverzije i fizikalne kvalitete formulacije. Time je sonikacija vrlo učinkovita tehnika obrade koja se primjenjuje u proizvodnji biomazivih ulja, biomazivih masti, biomaziva na bazi vode i maziva prikladnih za prehrambenu industriju.

Zašto je ultrazvučna obrada važna proizvođačima biomaziva

Biomaziva se često temelje na složenim sustavima sirovina: biljnim uljima, sintetskim esterima, polimerima na biološkoj osnovi, derivatima celuloze, funkcionalnim aditivima, antioksidansima, inhibitorima korozije, sredstvima protiv trošenja, modifikatorima trenja te fazama na bazi vode ili emulzijskim fazama. Ti se sastojci mogu znatno razlikovati po polarnosti, viskoznosti, veličini čestica, topljivosti i ponašanju na granici faza. Konvencionalne miješalice, sustavi rotor–stator ili dugotrajno šaržno miješanje možda neće uvijek osigurati dovoljnu gustoću energije za dobivanje finih, stabilnih disperzija ili brzih reakcija na granici faza.
Sonikacija rješava te izazove akustičkom kavitacijom. Kada se ultrazvuk visokog intenziteta uvede u tekućine, nastaju mikroskopski kavitacijski mjehurići koji rastu i urušavaju se. Time nastaju lokalno intenzivno smicanje, snažno mikromiješanje, turbulencija, deaglomeracija čestica i reaktivne zone koje mogu ubrzati prijenos tvari i kemijske reakcije. U istraživanjima transesterifikacije ultrazvuk je opsežno proučavan kao način prevladavanja spore reakcijske kinetike i neučinkovitog kontakta između uljne i alkoholne faze.
Za proizvođače maziva to znači da ultrazvuk nije samo laboratorijska metoda homogenizacije. To je tehnologija intenzifikacije procesa koja može poduprijeti proizvodnju stabilnijih, ujednačenijih i učinkovitijih formulacija maziva na biološkoj osnovi.
 

Ultrazvučni dispergator sa sondom omogućuje dobivanje biomaziva visokih performansi.
(Istraživanje i slika: Liu et al., 2020)

Ultrazvučno dispergiranje aditiva za maziva na biološkoj osnovi

Ključni izazov pri formuliranju biomaziva jest homogeno ugrađivanje aditiva na biološkoj osnovi. Materijali kao što su karboksimetilceluloza, celulozna nanovlakna, biopolimeri, prirodne gume, derivati lignina, zgušnjivači na biološkoj osnovi i funkcionalne nanočestice mogu snažno utjecati na viskoznost, mazivost, zaštitu od trošenja, stvaranje filma i stabilnost suspenzije. Međutim, ti materijali često imaju sklonost aglomeriranju, sporoj hidrataciji ili stvaranju neujednačenih gelnih struktura.
Ultrazvučno dispergiranje pomaže proizvođačima smanjiti aglomerate i ravnomjernije rasporediti aditive u cijeloj matrici maziva. To je osobito vrijedno za maziva na bazi vode, nanomaziva, sustave nalik mazivim mastima i biomaziva na bazi emulzija. Nedavna istraživanja sustava na bazi celuloze pokazuju da sonikacija može znatno utjecati na ponašanje pri dispergiranju, reologiju i strukturu mreže, što je čini korisnim postupkom obrade za prilagođavanje formulacija koje sadržavaju celulozu.

Za proizvođače maziva bolje dispergiranje može značiti:

• Ujednačeniju viskoznost i reološko ponašanje
• Veću učinkovitost aditiva pri nižim dozama
• Manje taloženja, razdvajanja faza ili plutajućih krutih čestica
• Ponovljivija tribološka svojstva
• Kraće vrijeme obrade u usporedbi s dugotrajnim mehaničkim miješanjem

Karboksimetilceluloza osobito je važna jer se široko primjenjuje kao derivat celuloze s korisnim viskoznim i površinskim svojstvima te svojstvima stvaranja filma. U sustavima maziva sonikacija može pomoći pri ugrađivanju CMC-a i drugih biopolimera u stabilne vodene ili emulzijske formulacije, podupirući razvoj ekološki poboljšanih maziva s kontroliranim ponašanjem pri tečenju i povećanom stabilnošću formulacije.
 

Biomaziva s ultrazvučno dispergiranom karboksimetilcelulozom. Ultrazvučnim dispergiranjem proizvode se dugoročno stabilna nanobiomaziva
Istraživanje i slike: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonokemijska transesterifikacija za biomaziva na bazi diestera i estera

Esteri su među najvažnijim baznim tekućinama za biomaziva visokih performansi. Mogu pružiti dobru mazivost, visok indeks viskoznosti, biorazgradivost i povoljno ponašanje pri niskim temperaturama, ovisno o sirovini i molekularnoj strukturi. Diesteri i poliolni esteri osobito su važni za primjene kao što su hidrauličke tekućine, kompresorska ulja, tekućine za obradu metala, ulja za lančane pile, brodska maziva i specijalna industrijska maziva.
Jedna od obećavajućih primjena ultrazvuka jest sonokemijska priprava estera transesterifikacijom. Pri konvencionalnoj transesterifikaciji reaktanti koji se međusobno ne miješaju, kao što su ulja i alkoholi, često zahtijevaju intenzivno miješanje, povišene temperature, katalizatore i produljeno vrijeme reakcije. Ultrazvuk poboljšava prijenos tvari stvaranjem finih emulzija između faza reaktanata i neprestanim obnavljanjem međufazne površine na kojoj se odvija reakcija.
Transesterifikacija potpomognuta sonikacijom ustaljena je tehnika s dobro dokazanim prednostima kao što su veće brzine reakcije, bolji kontakt faza, kraće vrijeme odvajanja, visoki prinosi i smanjeno stvaranje otpada u prikladnim uvjetima. Proizvođači maziva primjenjuju metodu ultrazvučne transesterifikacije za proizvodnju komponenti biomaziva na bazi estera, uključujući diestere i druge funkcionalne esterske strukture.

Ultrazvučna transesterifikacija pomaže proizvođačima:

• Poboljšati kontakt između uljne, alkoholne i katalizatorske faze
• Skratiti vrijeme reakcije intenziviranjem međufaznog prijenosa tvari
• Omogućiti rad u rasponima procesnih uvjeta s nižim temperaturama ili većom energetskom učinkovitošću
• Poboljšati ujednačenost konverzije u šaržnoj ili kontinuiranoj proizvodnji
• Omogućiti kompaktne izvedbe reaktora za proizvodnju estera čiji se kapacitet može povećavati

Tvrtkama koje proizvode bazne komponente biomaziva ultrazvuk nudi način intenziviranja procesa esterifikacije i transesterifikacije uz istodobno podupiranje čišće i učinkovitije proizvodnje.

Ultrazvučno emulgiranje formulacija maziva

Mnoga moderna biomaziva nisu jednostavna jednofazna ulja. Mogu sadržavati emulzije vode u ulju, emulzije ulja u vodi, koncentrate aditiva, disperzije voskova, sustave modificirane polimerima ili složene višefazne pakete. Kvaliteta tih emulzija izravno utječe na stabilnost pri skladištenju, mazivost, učinkovitost hlađenja, zaštitu od korozije i ponašanje pri primjeni.
Ultrazvučno emulgiranje vrlo je učinkovito jer kavitacija stvara intenzivne lokalne smične sile koje razbijaju kapljice na manje kapljice i stvaraju uske raspodjele veličine kapljica. U proizvodnji maziva to se može koristiti za emulgiranje ulja na biološkoj osnovi, esterskih faza, vodenih faza, površinski aktivnih tvari, polimernih stabilizatora i funkcionalnih aditiva u stabilne formulacije.

To je osobito važno za:

• Biomaziva na bazi vode
• Tekućine za obradu metala i tekućine za rezanje
• Hidrauličke tekućine s obnovljivim komponentama
• Mazive masti emulzijskog tipa i polučvrsta maziva
• Koncentrate aditiva i preddisperzije
• Sustave maziva koji sadržavaju biopolimere ili derivate celuloze

Fino emulgiranje poboljšava fizikalnu stabilnost formulacija maziva i može smanjiti potrebu za prekomjernim dodavanjem površinski aktivnih tvari. Proizvođačima to donosi prednosti u pogledu učinkovitosti i troškova: poboljšanu stabilnost, učinkovitiju uporabu aditiva i veću fleksibilnost formuliranja.

Sonikacija za čestice emulzijskog mikrogela

Još jedno područje u razvoju jest proizvodnja čestica emulzijskog mikrogela za napredne formulacije maziva. Mikrogelovi mogu djelovati kao modifikatori reoloških svojstava, nosači aktivnih sastojaka, modifikatori trenja ili sredstva za strukturiranje koja reagiraju na podražaje. U sustavima maziva na biološkoj osnovi čestice mikrogela mogu se proizvoditi od prirodnih polimera, modificirane celuloze, polisaharida, proteina ili drugih obnovljivih polimernih sustava.
Ultrazvučna obrada podupire pripremu mikrogela omogućavanjem kontroliranog emulgiranja, smanjenja veličine kapljica, dispergiranja polimera i strukturiranja faza. Isti mehanizmi pokretani kavitacijom koji stvaraju fine emulzije mogu također pomoći u stvaranju malih, ujednačenih kapljica prekursora ili dispergiranih polimernih domena koje se potom geliraju, umrežavaju ili stabiliziraju.

Optimizirajte svoju proizvodnju biomaziva sonikacijom

Jedno od najvažnijih pitanja za proizvođače maziva jest može li se ultrazvučna obrada pouzdano integrirati u proizvodne linije. Uz sonikatore Hielscher odgovor je jasno potvrdan. Sonikatori Hielscher visokih performansi projektirani su za kontinuirani rad, obradu u proizvodnom toku i besprijekornu integraciju u postojeće proizvodne linije, što ih čini snažnim i pouzdanim rješenjem za industrijsku proizvodnju biomaziva.
U tipičnom industrijskom postrojenju predmješavina maziva, suspenzija aditiva, reakcijska smjesa ulja i alkohola ili ulazna emulzija pumpa se kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju, gdje se izlaže precizno kontroliranoj ultrazvučnoj energiji. Ključni procesni parametri, poput amplitude, tlaka, temperature, protoka, vremena zadržavanja i specifičnog unosa energije, mogu se precizno podešavati i nadzirati te se automatski dokumentiraju. Ova visoka razina upravljivosti proizvođačima maziva pruža sigurnost procesa potrebnu za ponovljivu kvalitetu formulacija, validirane proizvodne protokole i dosljedno povećanje mjerila od istraživačkih i razvojnih ispitivanja do pilot-proizvodnje i punog industrijskog proizvodnog kapaciteta.
Za proizvođače biomaziva ta je skalabilnost posebno važna jer zahtjevi za formulacije postaju sve stroži. Kupci očekuju održive proizvode, ali očekuju i jednake ili bolje performanse u usporedbi s konvencionalnim mazivima na osnovi nafte. Sonikatori Hielscher pomažu proizvođačima premostiti taj jaz kombiniranjem snage, pouzdanosti, upravljivosti i linearne skalabilnosti u jednoj robusnoj ultrazvučnoj platformi. Te prednosti čine sonikatore Hielscher preferiranim izborom za tvrtke kojima je potrebna sonikacija industrijske kvalitete za visokokvalitetne formulacije maziva na biološkoj osnovi.

 
Tablica u nastavku daje vam uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je certificirana prema ISO-u i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / Reference

• 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.