Produzione di biolubrificanti: intensificazione del processo mediante sonicazione

Il settore dei lubrificanti sta entrando in una fase decisiva di innovazione nella formulazione. Man mano che gli utenti industriali, i settori della mobilità, gli operatori del settore marittimo e le applicazioni sensibili dal punto di vista ambientale si orientano verso alternative biodegradabili e rinnovabili, i produttori di lubrificanti sono sottoposti a una pressione crescente per fornire biolubrificanti ad alte prestazioni senza compromettere il controllo della viscosità, la stabilità ossidativa, la protezione dall’usura o la stabilità di conservazione a lungo termine. Gli analisti di mercato segnalano una crescita costante dei biolubrificanti, trainata dalla domanda di soluzioni lubrificanti biodegradabili, a basse emissioni e sostenibili nei settori dei trasporti e delle applicazioni industriali.

Produzione di biolubrificanti mediante ultrasuoni: intensificazione del processo per lubrificanti sostenibili

In questo contesto, il trattamento a ultrasuoni, noto anche come sonicazione, sta acquisendo sempre maggiore rilevanza industriale come tecnologia di produzione versatile per la realizzazione di biolubrificanti. Gli ultrasuoni ad alta potenza possono essere utilizzati per la dispersione ultrasonica, la transesterificazione sonochimica, l’emulsificazione e la preparazione di particelle di microgel, fornendo ai formulatori uno strumento affidabile per migliorare sia la conversione chimica che la qualità fisica della formulazione. Ciò rende la sonicazione una tecnica di lavorazione altamente efficiente utilizzata negli oli biolubrificanti, nei grassi biolubrificanti, nei biolubrificanti a base acquosa e nei lubrificanti per uso alimentare.

Perché la lavorazione a ultrasuoni è importante per i produttori di biolubrificanti

I biolubrificanti si basano spesso su sistemi complessi di materie prime: oli vegetali, esteri sintetici, polimeri di origine biologica, derivati della cellulosa, additivi funzionali, antiossidanti, inibitori di corrosione, agenti antiusura, modificatori di attrito e fasi a base acquosa o di tipo emulsionante. Questi ingredienti possono differire in modo significativo per polarità, viscosità, dimensione delle particelle, solubilità e comportamento interfacciale. I miscelatori convenzionali, i sistemi rotore-statore o la miscelazione in batch prolungata potrebbero non fornire sempre una densità energetica sufficiente per produrre dispersioni fini e stabili o reazioni interfacciali rapide.
La sonicazione affronta queste sfide attraverso la cavitazione acustica. Quando si introducono ultrasuoni ad alta intensità nei liquidi, si formano, crescono e collassano microscopiche bolle di cavitazione. Ciò crea un elevato taglio localizzato, un’intensa micromiscelazione, turbolenza, deagglomerazione delle particelle e zone reattive in grado di accelerare il trasferimento di massa e le reazioni chimiche. Nella ricerca sulla transesterificazione, gli ultrasuoni sono stati ampiamente studiati come metodo per superare la cinetica di reazione lenta e il contatto inefficiente tra le fasi oleosa e alcolica.
Per i produttori di lubrificanti, ciò significa che gli ultrasuoni non sono semplicemente un metodo di omogeneizzazione da laboratorio. Si tratta piuttosto di una tecnologia di intensificazione dei processi in grado di favorire la produzione di formulazioni di lubrificanti a base biologica più stabili, più uniformi e più efficienti.
 

I dispersori a sonda a ultrasuoni consentono di produrre biolubrificanti ad alte prestazioni.
(Studio e immagine: Liu et al., 2020)

Dispersione a ultrasuoni di additivi per lubrificanti a base biologica

Una delle principali sfide nella formulazione dei biolubrificanti è l’incorporazione omogenea di additivi di origine biologica. Materiali quali la carbossimetilcellulosa, le nanofibre di cellulosa, i biopolimeri, le gomme naturali, i derivati della lignina, gli addensanti di origine biologica e le nanoparticelle funzionali possono influenzare notevolmente la viscosità, la lubrificazione, le prestazioni antiusura, la formazione del film e la stabilità della sospensione. Tuttavia, questi materiali tendono spesso ad agglomerarsi, a idratarsi lentamente o a formare strutture gelatinose non uniformi.
La dispersione ultrasonica aiuta i produttori a ridurre gli agglomerati e a distribuire gli additivi in modo più uniforme all’interno della matrice lubrificante. Ciò risulta particolarmente utile per i lubrificanti a base acquosa, i nanolubrificanti, i sistemi simili ai grassi e i biolubrificanti a base di emulsione. Ricerche recenti sui sistemi a base di cellulosa dimostrano che la sonicazione può influenzare in modo significativo il comportamento di dispersione, la reologia e la struttura reticolare, rendendola uno strumento di lavorazione utile per la messa a punto di formulazioni contenenti cellulosa.

Per i produttori di lubrificanti, una migliore dispersione può tradursi in:

• Viscosità e comportamento reologico più costanti
• Maggiore efficacia dell'additivo a dosaggi inferiori
• Riduzione della sedimentazione, separazione di fase o presenza di solidi galleggianti
• Prestazioni tribologiche più riproducibili
• Tempi di lavorazione più brevi rispetto all'agitazione meccanica prolungata

La carbossimetilcellulosa riveste particolare importanza in quanto è ampiamente utilizzata come derivato della cellulosa grazie alle sue utili proprietà di viscosità, superficiali e filmogene. Nei sistemi lubrificanti, la sonicazione può contribuire a integrare la CMC e altri biopolimeri in formulazioni acquose o in emulsione stabili, favorendo lo sviluppo di lubrificanti più ecocompatibili con un comportamento di scorrimento controllato e una maggiore stabilità della formulazione.
 

Biolubrificanti con carbossimetilcellulosa dispersa mediante ultrasuoni. La dispersione ultrasonica produce nano-biolubrificanti stabili a lungo termine
Studio e immagini: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transesterificazione sonochimica per biolubrificanti a base di diesteri ed esteri

Gli esteri sono tra i fluidi base più importanti per i biolubrificanti ad alte prestazioni. A seconda della materia prima e della struttura molecolare, possono offrire una buona lubrificabilità, un elevato indice di viscosità, biodegradabilità e un comportamento favorevole alle basse temperature. I diesteri e gli esteri di polioli rivestono particolare importanza per applicazioni quali fluidi idraulici, oli per compressori, fluidi per la lavorazione dei metalli, oli per motoseghe, lubrificanti marini e lubrificanti industriali speciali.
Un’applicazione promettente degli ultrasuoni è la preparazione sonochimica di esteri mediante transesterificazione. Nella transesterificazione convenzionale, i reagenti immiscibili, quali oli e alcoli, richiedono spesso una miscelazione intensiva, temperature elevate, catalizzatori e tempi di reazione prolungati. Gli ultrasuoni migliorano il trasferimento di massa creando emulsioni fini tra le fasi dei reagenti e rinnovando continuamente l’interfaccia in cui avviene la reazione.
La transesterificazione assistita da ultrasuoni è una tecnica consolidata che ha ampiamente dimostrato i propri vantaggi, quali velocità di reazione più elevate, un migliore contatto tra le fasi, tempi di separazione più brevi, rese elevate e una minore produzione di scarti in condizioni adeguate. I produttori di lubrificanti utilizzano il metodo della transesterificazione a ultrasuoni per produrre componenti per biolubrificanti a base di esteri, tra cui diesteri e altre strutture funzionali a base di esteri.

La transesterificazione a ultrasuoni offre i seguenti vantaggi ai produttori:

• Migliorare il contatto tra le fasi dell'olio, dell'alcol e del catalizzatore
• Ridurre il tempo di reazione intensificando il trasferimento di massa interfacciale
• Supportare finestre di lavorazione a temperature più basse o con maggiore efficienza energetica
• Migliorare l'uniformità della conversione nella produzione in lotti o in continuo
• Consentire la realizzazione di reattori di dimensioni ridotte per una produzione scalabile di esteri

Per le aziende che producono oli base per biolubrificanti, gli ultrasuoni rappresentano una soluzione per intensificare i processi di esterificazione e transesterificazione, favorendo al contempo una produzione più pulita ed efficiente.

Emulsificazione a ultrasuoni di formulazioni lubrificanti

Molti biolubrificanti moderni non sono semplici oli monofasici. Possono includere emulsioni acqua-in-olio, emulsioni olio-in-acqua, concentrati di additivi, dispersioni di cere, sistemi modificati con polimeri o complesse formulazioni multifasiche. La qualità di queste emulsioni ha un impatto diretto sulla stabilità di conservazione, sulla lubrificazione, sulle prestazioni di raffreddamento, sulla protezione dalla corrosione e sul comportamento applicativo.
L'emulsificazione a ultrasuoni è estremamente efficace poiché la cavitazione genera intense forze di taglio locali che frammentano le goccioline in particelle più piccole e creano distribuzioni granulometriche ristrette. Nella produzione di lubrificanti, questo processo può essere utilizzato per emulsionare oli di origine biologica, fasi estere, fasi acquose, tensioattivi, stabilizzanti polimerici e additivi funzionali in formulazioni stabili.

Ciò è particolarmente rilevante per:

• biolubrificanti a base acquosa
• Fluidi per la lavorazione dei metalli e fluidi da taglio
• Fluidi idraulici con componenti rinnovabili
• Grassi di tipo emulsione e lubrificanti semisolidi
• Concentrati di additivi e predispersioni
• Sistemi lubrificanti contenenti biopolimeri o derivati della cellulosa

Un'emulsificazione fine migliora la stabilità fisica delle formulazioni lubrificanti e può ridurre la necessità di un carico eccessivo di tensioattivi. Per i produttori, ciò offre vantaggi sia in termini di prestazioni che di costi: maggiore stabilità, uso più efficiente degli additivi e maggiore flessibilità nella formulazione.

Sonificazione per la produzione di particelle di microgel in emulsione

Un altro settore emergente è la produzione di particelle di microgel in emulsione per formulazioni lubrificanti avanzate. I microgel possono fungere da modificatori reologici, vettori di principi attivi, modificatori di attrito o agenti strutturanti reattivi. Nei sistemi lubrificanti a base biologica, le particelle di microgel possono essere prodotte a partire da polimeri naturali, cellulosa modificata, polisaccaridi, proteine o altri sistemi polimerici rinnovabili.
Il trattamento a ultrasuoni favorisce la preparazione dei microgel consentendo l’emulsificazione controllata, la riduzione delle dimensioni delle goccioline, la dispersione dei polimeri e la strutturazione delle fasi. Gli stessi meccanismi basati sulla cavitazione che producono emulsioni fini possono anche contribuire a creare goccioline di precursore piccole e uniformi o domini polimerici dispersi che vengono successivamente gelificati, reticolati o stabilizzati.

Ottimizza la produzione di biolubrificanti con la sonicazione

Una delle domande più importanti per i produttori di lubrificanti è se il trattamento a ultrasuoni possa essere integrato in modo affidabile nelle linee di produzione. Con i sonicatori Hielscher, la risposta è chiaramente sì. I sonicatori ad alte prestazioni Hielscher sono progettati per il funzionamento continuo, la lavorazione in linea e la perfetta integrazione nelle linee di produzione esistenti, rendendoli una soluzione potente e affidabile per la produzione industriale di biolubrificanti.
In un tipico impianto industriale, la premiscela di lubrificante, la sospensione di additivi, la miscela di reazione olio-alcol o l’emulsione in ingresso vengono pompate attraverso una cella di flusso a ultrasuoni, dove vengono esposte a un’energia ultrasonica controllata con precisione. I parametri chiave del processo, quali ampiezza, pressione, temperatura, portata, tempo di permanenza e apporto energetico specifico, possono essere regolati e monitorati con precisione e vengono documentati automaticamente. Questo elevato livello di controllabilità offre ai produttori di lubrificanti la sicurezza di processo necessaria per garantire una qualità riproducibile delle formulazioni, protocolli di produzione convalidati e un scale-up coerente dalla fase R&Prove D per la produzione pilota e la piena capacità produttiva industriale.
Per i produttori di biolubrificanti, questa scalabilità è particolarmente importante poiché i requisiti di formulazione stanno diventando sempre più esigenti. I clienti si aspettano prodotti sostenibili, ma si aspettano anche prestazioni pari o superiori a quelle dei lubrificanti convenzionali a base di petrolio. I sonicatori Hielscher aiutano i produttori a colmare questo divario combinando potenza, affidabilità, controllabilità e scalabilità lineare in un’unica e robusta piattaforma a ultrasuoni. Questi vantaggi rendono i sonicatori Hielscher la scelta preferita per le aziende che necessitano di sonicazione di livello industriale per formulazioni di lubrificanti a base biologica di alta qualità.

 
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

Letteratura / Riferimenti