Biológiai kenőanyagok előállítása: a folyamat intenzívebbé tétele ultrahangos kezeléssel

A kenőanyag-ipar a készítményfejlesztés terén egy döntő szakaszba lép. Ahogy az ipari felhasználók, a mobilitási ágazatok, a hajózási szolgáltatók és a környezetvédelmi szempontból érzékeny alkalmazások egyre inkább a biológiailag lebontható és megújuló alternatívák felé fordulnak, a kenőanyag-gyártókra egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy olyan nagy teljesítményű biokenőanyagokat szállítsanak, amelyek nem rontják a viszkozitás-szabályozást, az oxidációs stabilitást, a kopásvédelmet vagy a hosszú távú tárolási stabilitást. A piaci elemzők a biokenőanyagok folyamatos növekedéséről számolnak be, amelyet a közlekedési és ipari alkalmazások terén a biológiailag lebontható, alacsonyabb kibocsátású és fenntartható kenőanyag-megoldások iránti kereslet hajt.

Biológiai kenőanyagok ultrahangos előállítása: a folyamatok intenzívebbé tétele a fenntartható kenőanyagok érdekében

Ennek fényében az ultrahangos feldolgozás – más néven szonikáció – egyre nagyobb ipari jelentőségre tesz szert, mint a biokenőanyagok gyártásának sokoldalú technológiája. A nagy teljesítményű ultrahang felhasználható ultrahangos diszpergálásra, szonokémiai transzesterifikációra, emulgeálásra és mikrogél-részecskék előállítására, így a készítményfejlesztők számára megbízható eszközt biztosít mind a kémiai átalakulás, mind a fizikai készítményminőség javításához. Ez teszi a szonikációt rendkívül hatékony feldolgozási technikává, amelyet biokenőolajok, biokenőzsírok, vízbázisú biokenőanyagok és élelmiszeripari minőségű kenőanyagok előállításában alkalmaznak.

Miért fontos az ultrahangos feldolgozás a biológiai kenőanyag-gyártók számára?

A biokenőanyagok gyakran összetett nyersanyagrendszerekre épülnek: növényi olajok, szintetikus észterek, bioalapú polimerek, cellulóz-származékok, funkcionális adalékanyagok, antioxidánsok, korróziógátlók, kopásgátlók, súrlódásmódosítók, valamint vízbázisú vagy emulziós fázisok. Ezek az összetevők jelentősen eltérhetnek egymástól polaritásuk, viszkozitásuk, részecskeméretük, oldhatóságuk és felületi viselkedésük tekintetében. A hagyományos keverők, a rotor-státor rendszerek vagy a hosszú ideig tartó szakaszos keverés nem mindig biztosítanak elegendő energiasűrűséget a finom, stabil diszperziók előállításához vagy a gyors felületi reakciókhoz.
Az ultrahangkezelés az akusztikus kavitáció segítségével oldja meg ezeket a kihívásokat. Amikor nagy intenzitású ultrahangot vezetnek be folyadékokba, mikroszkopikus kavitációs buborékok keletkeznek, növekednek, majd összeomlanak. Ez helyi szinten nagy nyíróerőt, intenzív mikrokeveredést, turbulenciát, a részecskék deagglomerációját, valamint olyan reaktív zónákat hoz létre, amelyek felgyorsíthatják a tömegátvitelt és a kémiai reakciókat. A transzesterifikációs kutatásokban az ultrahangot széles körben tanulmányozták a lassú reakciókinetika és az olaj- és alkoholfázisok közötti hatástalan érintkezés leküzdésének egyik módszereként.
A kenőanyag-gyártók számára ez azt jelenti, hogy az ultrahang nem csupán egy laboratóriumi homogenizálási módszer. Hanem egy olyan folyamat-intenzifikációs technológia, amely elősegíti a stabilabb, egyenletesebb és hatékonyabb bioalapú kenőanyag-készítmények előállítását.
 

Az ultrahangos szondás diszpergálók nagy teljesítményű biokenőanyagokat állítanak elő.
(Forrás és ábra: Liu és társai, 2020)

Biológiai alapú kenőanyag-adalékanyagok ultrahangos diszpergálása

A biokenőanyagok összetételének kidolgozásában az egyik legfontosabb kihívás a bioalapú adalékanyagok homogén beépítése. Az olyan anyagok, mint a karboxi-metil-cellulóz, a cellulóz-nanoszálak, a biopolimerek, a természetes gumik, a lignin-származékok, a bioalapú sűrítőanyagok és a funkcionális nanorészecskék jelentősen befolyásolhatják a viszkozitást, a kenőképességet, a kopásgátló teljesítményt, a filmképződést és a szuszpenzió stabilitását. Ezek az anyagok azonban gyakran hajlamosak agglomerálódni, lassan hidratálódni vagy egyenetlen gélszerkezeteket képezni.
Az ultrahangos diszpergálás segít a gyártóknak csökkenteni az agglomerátumok kialakulását, és az adalékanyagokat egyenletesebben elosztani a kenőanyag-mátrixban. Ez különösen fontos a vízbázisú kenőanyagok, a nanokenőanyagok, a zsírszerű rendszerek és az emulzióalapú biokenőanyagok esetében. A cellulózalapú rendszerekkel kapcsolatos legújabb kutatások azt mutatják, hogy az ultrahangkezelés jelentősen befolyásolhatja a diszperziós viselkedést, a reológiát és a hálószerkezetet, így hasznos feldolgozási eszközzé válik a cellulóztartalmú készítmények finomításához.

A kenőanyag-gyártók számára a jobb diszperzió a következő előnyökkel járhat:

• Következetesebb viszkozitás és reológiai viselkedés
• Az adalékanyagok hatékonyságának javulása alacsonyabb adagolási szintek mellett
• Csökkent ülepítés, fázisszeparáció vagy lebegő szilárd anyagok
• Jobban reprodukálható tribológiai teljesítmény
• Rövidebb feldolgozási idők a hosszabb ideig tartó mechanikus keveréshez képest

A karboxi-metil-cellulóz különösen fontos, mivel hasznos viszkozitási, felületi és filmképző tulajdonságokkal rendelkező cellulóz-származékként széles körben alkalmazzák. A kenőanyag-rendszerekben az ultrahangos kezelés elősegítheti a CMC és más biopolimerek stabil vizes vagy emulziós készítményekbe való beépítését, támogatva ezzel a környezetbarátabb kenőanyagok fejlesztését, amelyek szabályozott áramlási viselkedéssel és jobb készítménystabilitással rendelkeznek.
 

Ultrahanggal diszpergált karboxi-metil-cellulózt tartalmazó biokenőanyagok. Az ultrahangos diszpergálás hosszú távon stabil nano-biokenőanyagokat eredményez
Tanulmány és képek: ©Rahmadiawan és társai, 2022

Szono-kémiai transzesterifikáció diészter- és észteralapú biokenőanyagok előállításához

Az észterek a nagy teljesítményű biokenőanyagok legfontosabb alapfolyadékai közé tartoznak. A kiinduló anyagtól és a molekulaszerkezettől függően jó kenőképességet, magas viszkozitási indexet, biológiai lebonthatóságot és kedvező alacsony hőmérsékleti viselkedést biztosíthatnak. A diészterek és a poliol-észterek különösen fontosak olyan alkalmazásokban, mint a hidraulikaolajok, a kompresszorolajok, a fémmegmunkáló folyadékok, a láncfűrész-olajok, a hajózási kenőanyagok és a speciális ipari kenőanyagok.
Az ultrahang egyik ígéretes alkalmazási területe az észterek transzesterifikációval történő szonokémiai előállítása. A hagyományos transzesterifikáció során az egymással nem keverhető reagensanyagok – például olajok és alkoholok – esetében gyakran intenzív keverésre, magas hőmérsékletre, katalizátorokra és hosszabb reakcióidőre van szükség. Az ultrahang javítja a tömegátvitelt azáltal, hogy finom emulziókat hoz létre a reagensfázisok között, és folyamatosan megújítja a reakció helyszínéül szolgáló határfelületet.
Az ultrahanggal támogatott transzesterifikáció egy bevált technika, amely megfelelő körülmények között olyan előnyökkel rendelkezik, mint a gyorsabb reakciósebesség, a jobb fáziskontaktus, a rövidebb elválasztási idő, a magas hozamok és a kevesebb hulladékkeletkezés. A kenőanyag-gyártók az ultrahangos transzesterifikációs módszert alkalmazzák észteralapú biokenőanyag-komponensek előállítására, ideértve a diésztereket és más funkcionális észter-szerkezeteket is.

Az ultrahangos transzesterifikáció a következő előnyökkel jár a gyártók számára:

• Az olaj-, alkohol- és katalizátor-fázisok közötti érintkezés javítása
• A fázishatáron történő anyagátvitel fokozásával csökkenthető a reakcióidő
• Alacsonyabb hőmérsékletű vagy energiahatékonyabb feldolgozási tartományok támogatása
• A konverzió konzisztenciájának javítása kötegelt vagy folyamatos gyártás során
• Kompakt reaktorkialakítások lehetővé tétele a méretezhető észtergyártáshoz

A biológiai kenőanyag-alapanyagokat gyártó vállalatok számára az ultrahang lehetőséget kínál az észterezési és transzészterezési folyamatok fokozására, miközben elősegíti a környezetkímélőbb és hatékonyabb gyártást.

Kenőanyag-keverékek ultrahangos emulgeálása

Számos modern biológiai kenőanyag nem egyszerű egyfázisú olaj. Ezek között megtalálhatók a víz-olaj emulziók, az olaj-víz emulziók, az adalékanyag-koncentrátumok, a viaszdiszperziók, a polimerrel módosított rendszerek, illetve a komplex többfázisú készítmények. Ezen emulziók minősége közvetlen hatással van a tárolási stabilitásra, a kenőképességre, a hűtőteljesítményre, a korrózióvédelemre és az alkalmazási viselkedésre.
Az ultrahangos emulgeálás rendkívül hatékony, mivel a kavitáció intenzív helyi nyíróerőket generál, amelyek a cseppeket kisebb méretűre bontják, és szűk cseppméret-eloszlást eredményeznek. A kenőanyag-gyártásban ez felhasználható bioalapú olajok, észterfázisok, vízfázisok, felületaktív anyagok, polimer stabilizátorok és funkcionális adalékanyagok stabil készítményekké történő emulgeálására.

Ez különösen fontos a következő esetekben:

• vízbázisú biológiai kenőanyagok
• Fémmegmunkáló folyadékok és vágófolyadékok
• Megújuló összetevőket tartalmazó hidraulikaolajok
• Emulziós típusú kenőzsírok és félszilárd kenőanyagok
• Adalékanyag-koncentrátumok és elődiszperziók
• Biopolimereket vagy cellulóz-származékokat tartalmazó kenőanyag-rendszerek

A finom emulgeálás javítja a kenőanyag-keverékek fizikai stabilitását, és csökkentheti a túlzott mennyiségű felületaktív anyag használatának szükségességét. A gyártók számára ez mind teljesítménybeli, mind költségbeli előnyökkel jár: jobb stabilitás, hatékonyabb adalékanyag-felhasználás és nagyobb rugalmasság a keverékek összeállításában.

Ultrahangkezelés emulziós mikrogél-részecskék előállításához

Egy másik feltörekvő terület a fejlett kenőanyag-összetételekhez szükséges emulziós mikrogél-részecskék előállítása. A mikrogélek reológiai módosítóként, hatóanyag-hordozóként, súrlódásmódosítóként vagy reagáló szerkezetképző anyagként működhetnek. A bioalapú kenőanyag-rendszerekben a mikrogél-részecskék természetes polimerekből, módosított cellulózból, poliszacharidokból, fehérjékből vagy más megújuló polimer rendszerekből állíthatók elő.
Az ultrahangos feldolgozás elősegíti a mikrogél előállítását azáltal, hogy lehetővé teszi a szabályozott emulgeálást, a cseppméret csökkentését, a polimer diszpergálását és a fázisszerkezet kialakítását. Ugyanazok a kavitáció által vezérelt mechanizmusok, amelyek finom emulziókat hoznak létre, hozzájárulhatnak kis, egyenletes előanyag-cseppek vagy diszpergált polimer domének kialakításához is, amelyeket később gélesítenek, térhálósítanak vagy stabilizálnak.

Optimalizálja biológiai kenőanyag-gyártását ultrahangos kezeléssel

A kenőanyag-gyártók számára az egyik legfontosabb kérdés az, hogy az ultrahangos feldolgozás megbízhatóan integrálható-e a gyártósorokba. A Hielscher ultrahangos berendezései esetében a válasz egyértelműen igen. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseit folyamatos üzemeltetésre, sorba épített feldolgozásra és a meglévő gyártósorokba való zökkenőmentes integrációra tervezték, így hatékony és megbízható megoldást kínálnak az ipari biokenőanyagok gyártásához.
Egy tipikus ipari berendezésben a kenőanyag-előkeveréket, az adalékanyag-szuszpenziót, az olaj-alkohol reakciókeveréket vagy az emulziós adagot egy ultrahangos áramlási cellán keresztül szivattyúzzák, ahol pontosan szabályozott ultrahangos energiának teszik ki. A legfontosabb folyamatparaméterek – mint például az amplitúdó, a nyomás, a hőmérséklet, az áramlási sebesség, a tartózkodási idő és a fajlagos energia-beviteli érték – pontosan beállíthatók, figyelemmel kísérhetők és automatikusan dokumentálhatók. Ez a magas szintű szabályozhatóság biztosítja a kenőanyag-gyártók számára a reprodukálható készítékminőséghez, a validált gyártási protokollokhoz és a kutatási fázisból történő következetes méretnöveléshez szükséges folyamatbiztonságot.&D kísérleti gyártási szakaszok a kísérleti termelésig és a teljes ipari kapacitásig.
A biológiai kenőanyag-gyártók számára ez a méretezhetőség különösen fontos, mivel a készítményekre vonatkozó követelmények egyre szigorúbbá válnak. Az ügyfelek fenntartható termékeket várnak el, ugyanakkor a hagyományos, kőolaj-alapú kenőanyagokkal megegyező vagy annál jobb teljesítményt is elvárnak. A Hielscher ultrahangos készülékei segítenek a gyártóknak áthidalni ezt a szakadékot azáltal, hogy a teljesítményt, a megbízhatóságot, az irányíthatóságot és a lineáris skálázhatóságot egyetlen robusztus ultrahangos platformban egyesítik. Ezek az előnyök teszik a Hielscher ultrahangos készülékeit az első számú választássá azoknak a vállalatoknak, amelyek ipari szintű ultrahangos kezelésre szorulnak a kiváló minőségű, bioalapú kenőanyag-összetételek előállításához.

 
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Irodalom / Hivatkozások