Biokenőanyagok gyártása: folyamatintenzifikálás ultrahangos kezeléssel

A kenőanyagipar a készítményfejlesztési innováció meghatározó szakaszába lép. Ahogy az ipari felhasználók, a mobilitási ágazatok, a tengeri üzemeltetők és a környezetileg érzékeny alkalmazási területek a biológiailag lebomló és megújuló alternatívák felé fordulnak, a kenőanyaggyártókra egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy nagy teljesítményű biokenőanyagokat biztosítsanak anélkül, hogy kompromisszumot kötnének a viszkozitásszabályozás, az oxidációs stabilitás, a kopásvédelem vagy a hosszú távú tárolási stabilitás terén. A piaci elemzők a biokenőanyagok piacának folyamatos növekedéséről számolnak be, amelyet a biológiailag lebomló, alacsonyabb kibocsátással járó és fenntartható kenőanyag-megoldások iránti kereslet hajt a közlekedési és ipari alkalmazásokban.

Biokenőanyagok ultrahangos gyártása: folyamatintenzifikálás a fenntartható kenőanyagokért

Ebben a környezetben az ultrahangos feldolgozás, más néven ultrahangos kezelés, egyre nagyobb ipari jelentőségre tesz szert a biokenőanyagok gyártásának sokoldalú technológiájaként. A nagy teljesítményű ultrahang ultrahangos diszpergálásra, szonokémiai átészterezésre, emulgeálásra és mikrogélrészecskék előállítására használható, hatékony eszközt adva a készítményfejlesztők kezébe mind a kémiai átalakulás, mind a készítmények fizikai minőségének javításához. Ez az ultrahangos kezelést rendkívül hatékony feldolgozási technikává teszi, amelyet biokenőolajok, biokenőzsírok, vízalapú biokenőanyagok és élelmiszeripari minőségű kenőanyagok esetében alkalmaznak.

Miért fontos az ultrahangos feldolgozás a biokenőanyaggyártók számára?

A biokenőanyagok gyakran összetett alapanyagrendszereken alapulnak: növényi olajokon, szintetikus észtereken, bioalapú polimereken, cellulózszármazékokon, funkcionális adalékanyagokon, antioxidánsokon, korróziógátlókon, kopásgátló szereken, súrlódásmódosítókon, valamint vízalapú vagy emulziós fázisokon. Ezek az összetevők jelentősen eltérhetnek polaritásuk, viszkozitásuk, részecskeméretük, oldhatóságuk és határfelületi viselkedésük tekintetében. A hagyományos keverők, rotor–sztátor rendszerek vagy a hosszan tartó szakaszos keverés nem feltétlenül biztosítanak mindig elegendő energiasűrűséget finom, stabil diszperziók vagy gyors határfelületi reakciók létrehozásához.
Az ultrahangos kezelés akusztikus kavitáció révén kezeli ezeket a kihívásokat. Amikor nagy intenzitású ultrahangot juttatnak a folyadékokba, mikroszkopikus kavitációs buborékok képződnek, növekednek, majd összeomlanak. Ez helyileg nagy nyíróhatást, intenzív mikrokeveredést, turbulenciát, a részecskeagglomerátumok felbontását és olyan reaktív zónákat hoz létre, amelyek felgyorsíthatják az anyagátadást és a kémiai reakciókat. Az átészterezés kutatásában az ultrahangot széles körben vizsgálták a lassú reakciókinetika és az olaj-, illetve alkoholfázisok közötti elégtelen érintkezés leküzdésének eszközeként.
A kenőanyaggyártók számára ez azt jelenti, hogy az ultrahang nem pusztán laboratóriumi homogenizálási módszer. Olyan folyamatintenzifikálási technológia, amely elősegítheti stabilabb, egyenletesebb és hatékonyabb bioalapú kenőanyag-készítmények gyártását.
 

A szondás ultrahangos diszpergáló nagy teljesítményű biokenőanyagokat állít elő.
(Tanulmány és kép: Liu et al., 2020)

Bioalapú kenőanyag-adalékok ultrahangos diszpergálása

A biokenőanyagok formulálásának egyik legfontosabb kihívása a bioalapú adalékanyagok homogén bekeverése. Az olyan anyagok, mint a karboximetil-cellulóz, a cellulóz-nanoszálak, a biopolimerek, a természetes gumik, a ligninszármazékok, a bioalapú sűrítőanyagok és a funkcionális nanorészecskék, erősen 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 kialakítani.
Az ultrahangos diszpergálás segít a gyártóknak csökkenteni az agglomerátumokat, és egyenletesebben eloszlatni az adalékanyagokat a kenőanyag teljes mátrixában. Ez különösen értékes a vízalapú kenőanyagok, a nanokenőanyagok, a kenőzsírszerű rendszerek és az emulzióalapú biokenőanyagok esetében. A cellulózalapú rendszerekkel kapcsolatos közelmúltbeli kutatások azt mutatják, hogy az ultrahangos kezelés jelentősen befolyásolhatja a diszpergálási viselkedést, a reológiát és a hálózatszerkezetet, ezért hasznos feldolgozási eszköz a cellulóztartalmú készítmények tulajdonságainak beállításához.

A kenőanyaggyártók számára a jobb diszpergálás a következőket eredményezheti:

• Egyenletesebb viszkozitás és reológiai viselkedés
• Jobb adalékhatékonyság alacsonyabb adagolási szinteken
• Kevesebb ülepedés, fázisszétválás vagy felszínen úszó szilárd anyag
• Jobban reprodukálható tribológiai teljesítmény
• Rövidebb feldolgozási idő a hosszan tartó mechanikus keveréshez képest

A karboximetil-cellulóz különösen fontos, mert széles körben alkalmazott cellulózszármazék, amely előnyös viszkozitási, felületi és filmképző tulajdonságokkal rendelkezik. A kenőanyagrendszerekben az ultrahangos kezelés segíthet a CMC és más biopolimerek stabil vizes vagy emulziós készítményekbe történő beépítésében, támogatva a környezeti szempontból kedvezőbb, szabályozott folyási viselkedésű és fokozott készítménystabilitású kenőanyagok fejlesztését.
 

Biokenőanyagok ultrahanggal diszpergált karboximetil-cellulózzal. Az ultrahangos diszpergálás hosszú távon stabil nanobiokenőanyagokat eredményez
Tanulmány és képek: ©Rahmadiawan et al., 2022

Szonokémiai átészterezés diészter- és észteralapú biokenőanyagokhoz

Az észterek a nagy teljesítményű biokenőanyagok legfontosabb alapfolyadékai közé tartoznak. Az alapanyagtól és a molekulaszerkezettől függően jó kenőképességet, magas viszkozitási indexet, biológiai lebonthatóságot és kedvező alacsony hőmérsékleti viselkedést biztosíthatnak. A diészterek és a poliolészterek különösen fontosak az olyan alkalmazásokban, mint a hidraulikafolyadékok, a kompresszorolajok, a fémmegmunkáló folyadékok, a láncfűrészolajok, a tengeri kenőanyagok és a speciális ipari kenőanyagok.
Az ultrahang egyik ígéretes alkalmazása az észterek szonokémiai előállítása átészterezéssel. A hagyományos átészterezés során az egymással nem elegyedő reaktánsok, például az olajok és az alkoholok, gyakran intenzív keverést, emelt hőmérsékletet, katalizátorokat és hosszú reakcióidőt igényelnek. Az ultrahang javítja az anyagátadást azáltal, hogy finom emulziókat hoz létre a reaktánsfázisok között, és folyamatosan megújítja azt a határfelületet, ahol a reakció végbemegy.
Az ultrahangos kezeléssel segített átészterezés bevált technika, amelynek előnyei megfelelő körülmények között jól igazoltak: gyorsabb reakciósebesség, jobb fázisérintkezés, rövidebb elválasztási idő, magas hozam és csökkent hulladékképződés. A kenőanyaggyártók az ultrahangos átészterezési módszert észteralapú biokenőanyag-komponensek, köztük diészterek és más funkcionális észterszerkezetek előállítására használják.

Az ultrahangos átészterezés segít a gyártóknak:

• Javítani az olaj-, alkohol- és katalizátorfázisok közötti érintkezést
• Csökkenteni a reakcióidőt a határfelületi anyagátadás intenzívebbé tételével
• Elősegíteni az alacsonyabb hőmérsékletű vagy energiahatékonyabb feldolgozási tartományok alkalmazását
• Javítani az átalakulás egyenletességét szakaszos vagy folyamatos gyártásban
• Lehetővé tenni kompakt reaktorkialakítások alkalmazását a méretnövelhető észtergyártáshoz

A biokenőanyag-alapkomponenseket gyártó vállalatok számára az ultrahang lehetőséget kínál az észterezési és átészterezési folyamatok intenzívebbé tételére, miközben támogatja a tisztább, hatékonyabb gyártást.

Kenőanyag-készítmények ultrahangos emulgeálása

Sok modern biokenőanyag nem egyszerű, egyfázisú olaj. Tartalmazhatnak víz-az-olajban emulziókat, olaj-a-vízben emulziókat, adalékkoncentrátumokat, viaszdiszperziókat, polimerrel módosított rendszereket vagy összetett, többfázisú összetevőcsomagokat. Ezen emulziók minősége közvetlenül befolyásolja a tárolási stabilitást, a kenőképességet, a hűtési teljesítményt, a korrózióvédelmet és az alkalmazás során mutatott viselkedést.
Az ultrahangos emulgeálás rendkívül hatékony, mert a kavitáció intenzív helyi nyíróerőket hoz létre, amelyek kisebb méretűre bontják a cseppeket, és szűk cseppméret-eloszlást eredményeznek. A kenőanyaggyártásban ez bioalapú olajok, észterfázisok, vizes fázisok, felületaktív anyagok, polimer stabilizátorok és funkcionális adalékanyagok stabil készítményekké történő emulgeálására használható.

Ez különösen fontos a következőknél:

• Vízalapú biokenőanyagok
• Fémmegmunkáló folyadékok és forgácsolófolyadékok
• Megújuló komponenseket tartalmazó hidraulikafolyadékok
• Emulziós kenőzsírok és félszilárd kenőanyagok
• Adalékkoncentrátumok és elődiszperziók
• Biopolimereket vagy cellulózszármazékokat tartalmazó kenőanyagrendszerek

A finom emulgeálás javítja a kenőanyag-készítmények fizikai stabilitását, és csökkentheti a túlzott mennyiségű felületaktív anyag szükségességét. A gyártók számára ez teljesítménybeli és költségelőnyöket egyaránt kínál: jobb stabilitást, hatékonyabb adalékfelhasználást és nagyobb rugalmasságot a készítményfejlesztésben.

Ultrahangos kezelés emulziós mikrogélrészecskékhez

Egy másik kibontakozó terület az emulziós mikrogélrészecskék gyártása korszerű kenőanyag-készítményekhez. A mikrogélek reológiamódosítóként, hatóanyag-hordozóként, súrlódásmódosítóként vagy ingerekre reagáló szerkezetképző anyagként működhetnek. A bioalapú kenőanyagrendszerekben a mikrogélrészecskék természetes polimerekből, módosított cellulózból, poliszacharidokból, fehérjékből vagy más megújuló polimerrendszerekből állíthatók elő.
Az ultrahangos feldolgozás szabályozott emulgeálás, cseppméret-csökkentés, polimerdiszpergálás és fázisszerkezet-kialakítás lehetővé tételével támogatja a mikrogélek előállítását. Ugyanazok a kavitáció által vezérelt mechanizmusok, amelyek finom emulziókat hoznak létre, kis méretű, egyenletes prekurzorcseppek vagy diszpergált polimerdomének kialakításában is segíthetnek, amelyeket ezt követően gélesítenek, térhálósítanak vagy stabilizálnak.

Optimalizálja biokenőanyag-gyártását ultrahangos kezeléssel

A kenőanyaggyártók egyik legfontosabb kérdése, hogy az ultrahangos feldolgozás megbízhatóan beépíthető-e a gyártósorokba. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezéseivel a válasz egyértelműen igen. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezéseit folyamatos működésre, gyártósorba épített feldolgozásra és a meglévő gyártósorokba való zökkenőmentes integrálásra tervezték, így nagy teljesítményű és megbízható megoldást jelentenek az ipari biokenőanyag-gyártáshoz.
Egy tipikus ipari elrendezésben a kenőanyag-előkeveréket, az adalékszuszpenziót, az olaj–alkohol reakcióelegyet vagy a betáplált emulziót egy ultrahangos átfolyó cellán szivattyúzzák keresztül, ahol pontosan szabályozott ultrahangos energia hatásának teszik ki. Az olyan kulcsfontosságú folyamatparaméterek, mint az amplitúdó, a nyomás, a hőmérséklet, a térfogatáram, a tartózkodási idő és a fajlagos energiabevitel, pontosan beállíthatók és nyomon követhetők, dokumentálásuk pedig automatikus. Ez a magas szintű szabályozhatóság biztosítja a kenőanyaggyártók számára a reprodukálható készítményminőséghez, a validált gyártási protokollokhoz, valamint a kutatás-fejlesztési kísérletektől a kísérleti üzemi gyártáson át a teljes ipari átbocsátóképességig történő következetes méretnöveléshez szükséges folyamatbiztonságot.
A biokenőanyaggyártók számára ez a méretnövelhetőség különösen fontos, mert a készítményekkel szembeni követelmények egyre szigorúbbá válnak. A vásárlók fenntartható termékeket várnak el, ugyanakkor a hagyományos, kőolajalapú kenőanyagokéval azonos vagy annál jobb teljesítményt is igényelnek. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései segítenek a gyártóknak áthidalni ezt a különbséget azáltal, hogy egyetlen robusztus ultrahangos platformon egyesítik a teljesítményt, a megbízhatóságot, a szabályozhatóságot és a lineáris méretnövelhetőséget. Ezek az előnyök a Hielscher ultrahangos kezelőberendezéseit teszik az előnyben részesített választássá azoknak a vállalatoknak, amelyeknek ipari színvonalú ultrahangos kezelésre van szükségük kiváló minőségű bioalapú kenőanyag-készítményekhez.

 
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos berendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos berendezései a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos berendezéseink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos berendezései könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és az igényes környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a korszerű technológiát és felhasználóbarát kialakítást kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos berendezésekre. A Hielscher ultrahangos berendezései természetesen megfelelnek a CE-előírásoknak, valamint az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.