Ultrahangos diészter-szintézis nagy teljesítményű biokenőanyagok előállításához

Az ipari ágazatokban egyre gyorsul az átállás a kőolajból nyert kenőanyagokról a megújuló, biológiailag lebontható és nagy teljesítményű észteralapú kenőanyagokra. A kenőanyag-gyártókra egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy csökkentsék a környezeti hatást, miközben meg kell őrizniük a szigorú teljesítménykritériumokat, mint például a magas viszkozitási index, az alacsony illékonyság, a jó kenőképesség, a hőstabilitás és a megbízható alacsony hőmérsékleti viselkedés. Ebben az összefüggésben az ultrahangos transzesterifikáció hatékony folyamat-intenzifikációs stratégiát kínál a modern biokenőanyag-összetételekben használt észteralapú nyersanyagok szintéziséhez.

Diészterek ultrahangos transzesterifikációja biológiai kenőanyagok előállításához

A növényi olajok és zsírok ultrahangos transzesterifikációja egy fenntartható technika, amely jelentősen növeli az észterhozamot, csökkenti a feldolgozási korlátokat, és vonzóbbá teszi a transzesterifikációs eljárást az ipari kenőanyag-gyártás számára. A Hielscher szondás ultrahangos készülékeit hatékony észter-szintézisre használják a folyamatos gyártás során, szabályozott folyamatfeltételek mellett.

Biológiai kenőanyagok szintézise transzesterifikációval

A növényi olajok vonzó alapanyagok a biokenőanyagok előállításához, mivel megújulóak, biológiailag lebonthatók és jó kenőképességgel rendelkeznek. A kezeletlen növényi olajok azonban gyakran korlátozott oxidációs stabilitással és gyenge alacsony hőmérsékleti tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezeknek a hátrányoknak a leküzdésére alkalmazott általános stratégia a növényi olajból nyert metil-észterek transzesterifikációval történő átalakítása poliol-észterekké, például pentaeritritol-észterekké.
A tanulmányban “RSM- és Crow-keresési algoritmuson alapuló optimalizálás az ultrahanggal támogatott transzesterifikációs folyamat paramétereinek a poliol-észter alapú biokenőanyag szintézisében” Arumugam és munkatársai szerint a repceolajat először repceolaj-metil-észterré alakították át. A második lépésben ezt a metil-észtert pentaeritritollal reagáltatták p-toluolszulfonsav katalizátor jelenlétében és xilol oldószer használatával. A céltermék egy biokenőanyag-alapolajként alkalmas pentaeritritol-észter volt. Ez a reakció rendkívül fontos a kenőanyag-gyártók számára, mivel a poliol-észtereket széles körben használják szintetikus kenőanyag-alapanyagként kompresszorolajok, hidraulikaolajok, hűtőolajok és egyéb nagy teljesítményű kenőanyag-alkalmazásokhoz.
A hagyományos transzesterifikáció legnagyobb kihívása az, hogy a reakciót gyakran korlátozza a reagensok közötti gyenge anyagátvitel. A metil-észterek, a poliolok és a katalizátorok nem mindig alkotnak ideális, homogén reakciórendszert. A hagyományos keverés hosszú reakcióidőt, magas hőmérsékletet és jelentős energiafelhasználást igényelhet, miközben a hozamok még így is csak mérsékeltek. Éppen ebben nyújt döntő előnyt az ultrahangos feldolgozás.

A pentaeritritol-észter ultrahangos transzesterifikációs folyamatának folyamatábrája
Tanulmány és ábra: ©Arumugam és társai, 2019

Hogyan fokozza az ultrahangos transzesterifikáció az észter-szintézist?

Az ultrahangos transzesterifikáció során nagy intenzitású ultrahangot alkalmaznak, hogy akusztikus kavitációt hozzanak létre a folyékony reakcióközegben. A kavitáció mikroszkopikus buborékokat hoz létre, amelyek növekednek, majd hevesen összeomlanak. Ez intenzív helyi nyíróerőket, mikrosugarakat, akusztikus áramlást és mikroemulgeálást eredményez.
Az észter-szintézis szempontjából ezek a hatások rendkívül értékesek, mivel:

• a cseppek méretének csökkentése és a fázisok közötti érintkezés javítása
• növelni a keverhetetlen vagy nehezen keverhető reagensanyagok közötti felületi területet
• a katalizátor elérhetőségének javítása
• Felgyorsítja a tömegátadást
• a reakciókinetika javítása
• optimalizált körülmények között magasabb észterhozamot tesznek lehetővé

A tanulmány kifejti, hogy a kavitáció által kiváltott turbulencia és a mikroemulziók leküzdik a hagyományos transzesterifikáció anyagátadási korlátait. Ennek eredményeként a reagensanyagok hatékonyabban diszpergálódnak, és a katalitikus reakció gyorsabban és teljesebb mértékben zajlik le.

A tanulmány eredményei: Magasabb észterhozam ultrahang alkalmazásával

A tanulmányban a válaszfelület-módszertan és egy varjúkeresési algoritmus alkalmazásával optimalizálták az ultrahanggal támogatott folyamatot. A vizsgált folyamatváltozók az ultrahangimpulzus, az ultrahangamplitúdó, a katalizátor-koncentráció és a reakcióhőmérséklet voltak.
Az optimalizált ultrahangos feldolgozási feltételek a következők voltak:
Sonicator rendszer: Hielscher UP400St szondás ultrahangos készülék
Ultrahangimpulzus: 15 másodperc
Ultrahangos amplitúdó: 60%
A katalizátor koncentrációja: másfél tömegszázalék
Reakcióhőmérséklet: 100°C

Ezen optimalizált körülmények között az ultrahanggal támogatott transzesterifikáció során a pentaeritritol-észter hozama megközelítőleg 81,4% volt. Ehhez képest a hagyományos transzesterifikációs eljárás a tanulmányban értékelt körülmények között csupán körülbelül 47%-os hozamot eredményezett. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos feldolgozás a hagyományos eljáráshoz képest több mint 70%-kal növelte az észterhozamot.
A kenőanyag-gyártók számára ez egy rendkívül fontos eredmény. A magasabb hozam a nyersanyagok jobb kihasználtságát, a melléktermékek mennyiségének csökkenését, a folyamat gazdaságosságának javulását, valamint az észter-alapolaj kilogrammonkénti gyártási költségének potenciális csökkenését jelenti.

Az Ester-képződés igazolása

Arumugam és munkatársai (2019) tanulmánya FTIR-spektroszkópiával és gázkromatográfiával igazolta a pentaeritritol-észter képződését. Az FTIR-elemzés jellegzetes észter-karbonil- és észter-C–O-csúcsokat mutatott, míg további csúcsok alátámasztották a pentaeritritil-csoport jelenlétét. A gázkromatográfia tovább erősítette a termék összetételét, beleértve a monoészter-, diészter-, trieszter- és tetraészter-frakciókat.
A biológiai kenőanyagok gyártása szempontjából ez az analitikai igazolás azért fontos, mert a kenőanyag teljesítménye nagymértékben függ az észterösszetételtől. Az a képesség, hogy szabályozott ultrahangos transzesterifikációval elősegítsék a kívánt észter-szerkezetek kialakulását, gyakorlati eszközt nyújt a gyártóknak az alapolaj minőségének javításához és a gyártási folyamat konzisztenciájának biztosításához.
 

Ultrahanggal transzesterizált pentaeritritol-észter FTIR-spektruma
Tanulmány és ábra: ©Arumugam és társai, 2019

A Hielscher ultrahangos készülékek előnyei a kenőanyag-gyártók számára

A Hielscher az R-től kezdve teljes körű ultrahangos készülékválasztékot kínál&A D-egységektől a teljesen ipari méretű ultrahangos rendszerekig. Ez lehetővé teszi, hogy egy folyamatot laboratóriumi méretben fejlesszenek ki, majd ugyanazokat az alapvető ultrahangos elveket alkalmazva átültessék kísérleti és gyártási méretre.
Minden 200 wattos vagy annál nagyobb teljesítményű ultrahangos készülék digitális vezérléssel, programozható beállításokkal, böngészőn keresztüli távvezérléssel, automatikus adatnaplózással, csatlakoztatható hőmérséklet- és nyomásérzékelőkkel, valamint számos további funkcióval rendelkezik, amelyek biztosítják a maximális felhasználóbarát működést és az ismételhető eredményeket.
Az ipari kenőanyag-gyártás területén a Hielscher termékpalettája magában foglalja a megvalósíthatósági tanulmányokhoz szükséges kompakt laboratóriumi ultrahangos berendezéseket, a folyamatoptimalizáláshoz szükséges kísérleti méretű rendszereket, valamint az ipari ultrahangos feldolgozókat, mint például az UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT, valamint nagyobb, több egységből álló berendezéseket a folyamatos, nagy volumenű feldolgozáshoz.
Az átfolyásos reaktorok lehetővé teszik a tartózkodási idő szabályozását, a nyomásfokozást az intenzívebb kavitáció érdekében, a hőmérséklet-szabályozást, valamint a meglévő észterezési vagy transzészterezési gyártósorokba való beépítést.

A Hielscher ultrahangos feldolgozói jelentős előnyöket kínálnak az észterek és a biokenőanyagok szintéziséhez:

• pontos amplitúdószabályozás a kavitációs intenzitás reprodukálhatósága érdekében
• állítható impulzusok az energiafelvétel és a hőkezelés optimalizálása érdekében
• nagy teljesítményű szondás ultrahangkezelés a reakcióközegbe történő közvetlen és hatékony energiaátvitel érdekében
• szakaszos és folyamatos üzemmód a rugalmas folyamatfejlesztés érdekében
• ipari méretezhetőség a laboratóriumi kísérletektől a nagy kapacitású gyártásig
• megbízható berendezéskialakítás igényes vegyipari feldolgozási környezetekhez

 
 
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Az ultrahangos diészter-szintézis mint gyártási stratégia

Az olajok és zsírok ultrahangos transzesterifikációjának működési elve közvetlenül kapcsolódik az ultrahangos diészter-szintézishez és az észteralapú biokenőanyagok szélesebb körű előállításához. A diészterek kedvező viszkozitás-hőmérséklet viselkedésük, kenőképességük és alacsony hőmérsékleti tulajdonságaik miatt fontos szintetikus kenőanyag-alapanyagok. Más észterezési és transzészterezési reakciókhoz hasonlóan a diészter-szintézis is gyakran profitál a jobb reaktáns-érintkezésből, a gyorsabb anyagátvitelből és a hatékonyabb katalizátor-kihasználásból.
Az ultrahangkezelés ezért praktikus hatékonyságnövelő eszköz azoknak a gyártóknak, akik megújuló alapanyagokból, zsírsav-metil-észterekből, alkoholokból, poliolokból vagy más észter-prekurzorokból állítanak elő észtereket. Ahelyett, hogy kizárólag a hőre és a mechanikus keverésre támaszkodnának, az ultrahang mikroszkopikus szinten kavitáció által vezérelt keverést biztosít, ahol a reakciók számos korlátja valójában jelentkezik.

A folyamatmérnökök számára ez azt jelenti, hogy az ultrahangos reaktorok segítségével javítható:

• reakciósebesség
• észter-hozam
• a katalizátor hatékonysága
• diszperziós fázis/li>
• tételek közötti konzisztencia
• a folyamat tömörsége
• energiahatékonyság a hosszabb ideig tartó hagyományos feldolgozáshoz képest

Az ultrahangos transzesterifikáció során az átalakulás mértéke az első 1,5 perc alatt eléri a körülbelül 75%-ot, majd 6 perc elteltével 90% körüli szinten stabilizálódik.
A hagyományos módszer sokkal lassabb konverziós arányt mutat, 8 perc után csak 40%-os konverziót ér el.
Tanulmány és ábra: ©Fayyazi és társai, 2014

A laboratóriumi kutatástól az ipari biokenőanyag-gyártásig

Az ultrahanggal támogatott transzesterifikáció alkalmas módszer kenőanyagokhoz szükséges észterek előállítására (például pentaeritritol-észter alapú biokenőanyagok), amely a hagyományos eljáráshoz képest jobb hozamot és alacsonyabb reakcióintenzitást biztosít. Arumugam és munkatársai (2019) a hozam 47%-ról körülbelül 81,4%-ra történő növekedéséről számoltak be, ami egyértelműen bizonyítja az ultrahangos folyamatintenzifikáció kereskedelmi jelentőségét.
A kenőanyag-gyártók számára a következmények egyértelműek: az ultrahangos transzesterifikáció segítségével a megújuló nyersanyagok hatékonyabban alakíthatók át nagy értékű észter-alapolajokká. A Hielscher ultrahangos készülékeivel a laboratóriumi optimalizálás során alkalmazott technológiai platformot fel lehet skálázni a folyamatos ipari üzemeltetésre. Ezáltal az ultrahangos feldolgozás nem csupán kutatási eszköz, hanem a következő generációs biokenőanyagok gyártásának megvalósítható stratégiája is.
A Hielscher ultrahangos reaktorok beépítésével az észter-szintézis gyártósorokba a gyártók fokozhatják a transzesterifikációt, javíthatják a hozamokat, és növényi olajból nyert nyersanyagokból fenntarthatóbb kenőanyag-alapanyagokat állíthatnak elő. Mivel a biológiailag lebontható és megújuló kenőanyagok iránti kereslet folyamatosan növekszik, az ultrahangos diészter- és poliol-észter-szintézis hatékony utat kínál a tisztább, hatékonyabb és kereskedelmi szempontból versenyképesebb biokenőanyag-gyártás felé.

Irodalom / Hivatkozások