Produzione di biolubrificanti: intensificazione del processo mediante sonicazione

L’industria dei lubrificanti sta entrando in una fase decisiva di innovazione delle formulazioni. Mentre gli utilizzatori industriali, i settori della mobilità, gli operatori marittimi 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 durante lo stoccaggio a lungo termine. Gli analisti di mercato segnalano una crescita continua dei biolubrificanti, trainata dalla domanda di soluzioni lubrificanti biodegradabili, a minori emissioni e sostenibili per le applicazioni nei trasporti e nell’industria.

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

In questo contesto, il trattamento a ultrasuoni, noto anche come sonicazione, sta acquisendo rilevanza industriale come tecnologia di produzione versatile per la fabbricazione di biolubrificanti. Gli ultrasuoni ad alta potenza possono essere utilizzati per la dispersione a ultrasuoni, la transesterificazione sonochimica, l’emulsificazione e la preparazione di particelle di microgel, offrendo ai formulatori uno strumento robusto per migliorare sia la conversione chimica sia la qualità fisica delle formulazioni. Questo rende la sonicazione una tecnica di trattamento altamente efficiente, utilizzata negli oli biolubrificanti, nei grassi biolubrificanti, nei biolubrificanti a base acquosa e nei lubrificanti per uso alimentare.

Perché il trattamento 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 della corrosione, agenti antiusura, modificatori dell’attrito e fasi a base acquosa o di tipo emulsione. Questi ingredienti possono differire significativamente per polarità, viscosità, dimensione delle particelle, solubilità e comportamento interfacciale. I miscelatori convenzionali, i sistemi rotore-statore o l’agitazione prolungata in batch potrebbero non fornire sempre una densità energetica sufficiente a produrre dispersioni fini e stabili o reazioni interfacciali rapide.
La sonicazione affronta queste sfide attraverso la cavitazione acustica. Quando gli ultrasuoni ad alta intensità vengono introdotti nei liquidi, si formano bolle microscopiche di cavitazione, che crescono e collassano. Ciò genera elevate sollecitazioni di taglio localizzate, intensa micromiscelazione, turbolenza, deagglomerazione delle particelle e zone reattive che possono accelerare il trasferimento di massa e le reazioni chimiche. Nella ricerca sulla transesterificazione, gli ultrasuoni sono stati ampiamente studiati come mezzo per superare la lentezza della cinetica di reazione e il contatto inefficiente tra le fasi oleosa e alcolica.
Per i produttori di lubrificanti, questo significa che gli ultrasuoni non sono semplicemente un metodo di omogeneizzazione da laboratorio. Sono una tecnologia di intensificazione del processo che può favorire la produzione di formulazioni lubrificanti di origine biologica più stabili, più uniformi e più efficienti.
 

Il dispersore a ultrasuoni di tipo a sonda produce biolubrificanti ad alte prestazioni.
(Studio e immagine: Liu et al., 2020)

Dispersione a ultrasuoni di additivi lubrificanti di origine biologica

Una sfida fondamentale nella formulazione dei biolubrificanti è l’incorporazione omogenea degli additivi di origine biologica. Materiali quali carbossimetilcellulosa, nanofibre di cellulosa, biopolimeri, gomme naturali, derivati della lignina, addensanti di origine biologica e nanoparticelle funzionali possono influenzare fortemente la viscosità, il potere lubrificante, 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 gelificate non uniformi.
La dispersione a ultrasuoni aiuta i produttori a ridurre gli agglomerati e a distribuire gli additivi in modo più uniforme in tutta la matrice lubrificante. Questo è particolarmente utile per i lubrificanti a base acquosa, i nanolubrificanti, i sistemi simili ai grassi e i biolubrificanti a base di emulsioni. Ricerche recenti sui sistemi a base di cellulosa mostrano che la sonicazione può influenzare significativamente il comportamento di dispersione, la reologia e la struttura della rete, rendendola uno strumento di trattamento utile per regolare le formulazioni contenenti cellulosa.

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

• Viscosità e comportamento reologico più costanti
• Maggiore efficienza degli additivi a dosaggi inferiori
• Riduzione della sedimentazione, della separazione di fase o dei solidi galleggianti
• Prestazioni tribologiche più riproducibili
• Tempi di trattamento più brevi rispetto all’agitazione meccanica prolungata

La carbossimetilcellulosa è particolarmente rilevante perché è ampiamente utilizzata come derivato della cellulosa con utili proprietà relative alla viscosità, alla superficie e alla formazione di film. 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 con migliori caratteristiche ambientali, comportamento di flusso controllato e maggiore stabilità della formulazione.
 

Biolubrificanti con carbossimetilcellulosa dispersa mediante ultrasuoni. La dispersione a ultrasuoni produce nanobiolubrificanti 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 di base più importanti per i biolubrificanti ad alte prestazioni. Possono offrire un buon potere lubrificante, un elevato indice di viscosità, biodegradabilità e un comportamento favorevole alle basse temperature, a seconda della materia prima e della struttura molecolare. I diesteri e gli esteri di polioli sono particolarmente importanti 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 degli esteri mediante transesterificazione. Nella transesterificazione convenzionale, reagenti immiscibili come oli e alcoli richiedono spesso miscelazione intensa, 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 dalla sonicazione è una tecnica consolidata, i cui vantaggi sono ampiamente dimostrati: velocità di reazione più elevate, migliore contatto tra le fasi, tempi di separazione più brevi, rese elevate e ridotta formazione di rifiuti in condizioni appropriate. I produttori di lubrificanti utilizzano il metodo della transesterificazione a ultrasuoni per produrre componenti biolubrificanti a base di esteri, inclusi diesteri e altre strutture esteree funzionali.

La transesterificazione a ultrasuoni aiuta i produttori a:

• Migliorare il contatto tra le fasi oleosa, alcolica e del catalizzatore
• Ridurre il tempo di reazione intensificando il trasferimento di massa interfacciale
• Favorire intervalli operativi a temperature inferiori o con maggiore efficienza energetica
• Migliorare la costanza della conversione nella produzione in batch o continua
• Consentire la progettazione di reattori compatti per una produzione scalabile di esteri

Per le aziende che producono basi per biolubrificanti, gli ultrasuoni offrono un modo per intensificare i processi di esterificazione e transesterificazione, favorendo al contempo una produzione più pulita e più efficiente.

Emulsificazione a ultrasuoni di formulazioni lubrificanti

Molti biolubrificanti moderni non sono semplici oli monofase. Possono includere emulsioni acqua in olio, emulsioni olio in acqua, concentrati di additivi, dispersioni di cere, sistemi modificati con polimeri o miscele multifase complesse. La qualità di queste emulsioni ha un impatto diretto sulla stabilità durante lo stoccaggio, sul potere lubrificante, sulle prestazioni di raffreddamento, sulla protezione dalla corrosione e sul comportamento durante l’applicazione.
L’emulsificazione a ultrasuoni è altamente efficace perché la cavitazione genera intense forze di taglio locali che frammentano le gocce in gocce più piccole e creano distribuzioni dimensionali ristrette. Nella produzione di lubrificanti, questo può essere utilizzato per emulsionare oli di origine biologica, fasi esteree, fasi acquose, tensioattivi, stabilizzanti polimerici e additivi funzionali in formulazioni stabili.

Questo 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

L’emulsificazione fine migliora la stabilità fisica delle formulazioni lubrificanti e può ridurre la necessità di un dosaggio eccessivo di tensioattivi. Per i produttori, questo offre vantaggi sia in termini di prestazioni sia di costi: maggiore stabilità, uso più efficiente degli additivi e maggiore flessibilità formulativa.

Sonicazione per particelle di microgel in emulsione

Un altro ambito emergente è la produzione di particelle di microgel in emulsione per formulazioni lubrificanti avanzate. I microgel possono agire come modificatori reologici, veicoli per principi attivi, modificatori dell’attrito o agenti strutturanti sensibili agli stimoli. Nei sistemi lubrificanti di origine biologica, le particelle di microgel possono essere prodotte da polimeri naturali, cellulosa modificata, polisaccaridi, proteine o altri sistemi polimerici rinnovabili.
Il trattamento a ultrasuoni favorisce la preparazione dei microgel consentendo un’emulsificazione controllata, la riduzione delle dimensioni delle gocce, la dispersione dei polimeri e la strutturazione delle fasi. Gli stessi meccanismi indotti dalla cavitazione che producono emulsioni fini possono anche contribuire a creare piccole gocce precursori uniformi o domini polimerici dispersi, che vengono successivamente gelificati, reticolati o stabilizzati.

Ottimizzate la vostra 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 Hielscher ad alte prestazioni sono progettati per il funzionamento continuo, il trattamento in linea e l’integrazione agevole nelle linee di produzione esistenti, rendendoli una soluzione potente e affidabile per la produzione industriale di biolubrificanti.
In una tipica configurazione industriale, la premiscela lubrificante, la sospensione di additivi, la miscela di reazione olio-alcol o l’emulsione di alimentazione viene pompata attraverso una cella di flusso a ultrasuoni, dove è esposta a energia ultrasonica controllata con precisione. Parametri di processo fondamentali 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 una qualità riproducibile delle formulazioni, protocolli di produzione convalidati e un aumento di scala coerente dalle prove di ricerca e sviluppo alla produzione pilota e alla piena capacità produttiva industriale.
Per i produttori di biolubrificanti, questa scalabilità è particolarmente importante perché i requisiti delle formulazioni stanno diventando più esigenti. I clienti si aspettano prodotti sostenibili, ma si aspettano anche prestazioni uguali 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 piattaforma a ultrasuoni robusta. Questi vantaggi rendono i sonicatori Hielscher la scelta preferita per le aziende che necessitano di sonicazione di livello industriale per formulazioni lubrificanti di origine biologica di alta qualità.

 
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sui sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

Letteratura / Riferimenti bibliografici

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