ულტრაბგერითი დიესტერული სინთეზი მაღალეფექტური ბიოლუბრიკანტების წარმოებისთვის

ნავთობწარმოშობილი ზეთებისგან განახლებად, ბიოდეგრადირებად და მაღალეფექტურ ესტერულ ზეთებზე გადასვლა ინდუსტრიულ სექტორებში აქტიურად მიმდინარეობს. ზეთების მწარმოებლები მზარდ ზეწოლას განიცდიან გარემოზე ზემოქმედების შესამცირებლად, ამავდროულად კი მკაცრი ეფექტურობის კრიტერიუმების შესანარჩუნებლად, როგორიცაა მაღალი სიბლანტის ინდექსი, დაბალი აქროლადობა, კარგი ზეთოვანება, თერმული სტაბილურობა და დაბალტემპერატურული პირობებისადმი სანდო დამოკიდებულება. ამ კონტექსტში, ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია სთავაზობს ძლიერ პროცესის ინტენსიფიკაციის სტრატეგიას თანამედროვე ბიოლუბრიკანტების ფორმულაციებში გამოყენებული ესტერული საწყისი მასალების სინთეზისთვის.

ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია ბიოლუბრიკანტებისთვის დიესტერების სინთეზში

მცენარეული ზეთებისა და ცხიმების ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია არის მდგრადი ტექნიკა, რომელიც მნიშვნელოვნად ზრდის ესტერების გამოსავლიანობას, ამცირებს დამუშავების შეზღუდვებს და ტრანსესტერიფიკაციის გზას უფრო მიმზიდველს ხდის ინდუსტრიული ზეთების წარმოებისთვის. Hielscher-ის პრობის ტიპის სონიკატორები გამოიყენება ეფექტური ესტერული სინთეზისთვის ინლაინ წარმოებაში, კონტროლირებადი პროცესის პირობებში.

 

ბიოლუბრიკანტების სინთეზი ტრანსესტერიფიკაციის გზით

მცენარეული ზეთები მიმზიდველი საწყისი მასალებია ბიოლუბრიკანტებისთვის, რადგან ისინი განახლებადია, ბიოდეგრადირებადია და კარგი ზეთოვანება აქვთ. თუმცა, დამუშავების გარეშე მყოფი მცენარეული ზეთები ხშირად განიცდიან ჟანგვის სტაბილურობის შეზღუდვას და დაბალტემპერატურული თვისებების სიმცირეს. ამ ნაკლოვანებების დასაძლევად გავრცელებული სტრატეგიაა მცენარეული ზეთიდან მიღებული მეთილესტერების პოლიოლესტერებად, მაგალითად, პენტაერიტრიტოლის ესტერებად, ტრანსესტერიფიკაციის გზით გადაქცევა.
Arumugam et al.-ის მიერ შესრულებულ კვლევაში “RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant”, რაფსის ზეთი ჯერ რაფსის ზეთის მეთილესტერად იქცა. მეორე ეტაპზე, ეს მეთილესტერი რეაგირებდა პენტაერიტრიტოლთან p-ტოლუოლსულფონის მჟავას კატალიზატორისა და კსილოლის, როგორც გამხსნელის, არსებობის პირობებში. სამიზნე პროდუქტი იყო პენტაერიტრიტოლის ესტერი, რომელიც შესაფერისი იყო ბიოლუბრიკანტის საბაზისო ზეთად. ეს რეაქცია უმნიშვნელოვანესია ზეთების მწარმოებლებისთვის, რადგან პოლიოლესტერები ფართოდ გამოიყენება, როგორც სინთეზური ზეთების საბაზისო მასალები კომპრესორული ზეთებისთვის, ჰიდრავლიკური სითხეებისთვის, საყინულო ზეთებისთვის და სხვა მაღალეფექტური ზეთოვანი გამოყენებებისთვის.
კონვენციური ტრანსესტერიფიკაციის მთავარი გამოწვევა ისაა, რომ რეაქცია ხშირად შეზღუდულია რეაგენტებს შორის მასათა ცვლის ცუდი ეფექტურობის გამო. მეთილესტერები, პოლიოლები და კატალიზატორები ყოველთვის არ ქმნიან იდეალურ ჰომოგენულ რეაქციულ სისტემას. კონვენციური აღრევა შეიძლება მოითხოვდეს რეაქციის ხანგრძლივ დროს, მაღალ ტემპერატურასა და გაზრდილ ენერგეტიკულ ხარჯებს, ამავდროულად კი მხოლოდ ზომიერ გამოსავლიანობას იძლევა. სწორედ აქ უზრუნველყოფს ულტრაბგერითი დამუშავება გადამწყვეტ უპირატესობას.

 

პენტაერიტრიტოლის ესტერის ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაციის პროცესის ბლოკ-სქემა
კვლევა და გრაფიკა: ©Arumugam et al., 2019

როგორ აინტენსიფიკებს ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია ესტერული სინთეზის პროცესს

ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია იყენებს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერას აკუსტიკური კავიტაციის შესაქმნელად თხევად რეაქციულ გარემოში. კავიტაცია ქმნის მიკროსკოპული ზომის ბუშტუკებს, რომლებიც იზრდებიან და ძლიერად იმსხვრევიან. ეს იწვევს ინტენსიურ ადგილობრივ ძვრის ძალებს, მიკროჯეტებს, აკუსტიკურ ნაკადსა და მიკროემულსიფიკაციას.
ესტერული სინთეზისთვის ეს ეფექტები უმნიშვნელოვანესია, რადგან ისინი:

• ამცირებენ წვეთების ზომას და აუმჯობესებენ ფაზურ კონტაქტს
• ზრდიან ფაზათშორისი საზღვრის ფართობს არაშერევად ან ცუდად შერევად რეაგენტებს შორის
• აუმჯობესებენ კატალიზატორის ხელმისაწვდომობას
• აჩქარებენ მასათა ცვლას
• აუმჯობესებენ რეაქციის კინეტიკას
• ხელს უწყობენ უფრო მაღალ ესტერულ გამოსავლიანობას ოპტიმიზირებული პირობების დროს

კვლევა ხსნის, რომ კავიტაციით გამოწვეული ტურბულენტობა და მიკროემულსიები აღმოფხვრიან კონვენციური ტრანსესტერიფიკაციის მასათა ცვლის შეზღუდვებს. შედეგად, რეაგენტები უფრო ეფექტურად იფანტება და კატალიზური რეაქცია უფრო სწრაფად და სრულყოფილად მიმდინარეობს.

კვლევის შედეგები: ულტრაბგერის გამოყენებით ესტერული გამოსავლიანობის ზრდა

კვლევაში ოპტიმიზებული იყო ულტრაბგერითი პროცესი რეაგირების ზედაპირის მეთოდისა და crow search ალგორითმის გამოყენებით. შესწავლილი პროცესის ცვლადები იყო ულტრაბგერითი იმპულსი, ულტრაბგერითი ამპლიტუდა, კატალიზატორის კონცენტრაცია და რეაქციის ტემპერატურა.
ოპტიმიზებული ულტრაბგერითი პროცესის პირობები იყო:
სონიკატორის სისტემა: Hielscher UP400St პრობის ტიპის სონიკატორი
ულტრაბგერითი იმპულსი: 15 წამი
ულტრაბგერითი ამპლიტუდა: 60%
კატალიზატორის კონცენტრაცია: 1,5 wt.%
რეაქციის ტემპერატურა: 100°C

ამ ოპტიმიზებულ პირობებში ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაციამ მიაღწია პენტაერიტრიტოლის ესტერის დაახლოებით 81,4%-იან გამოსავლიანობას. შესადარებლად, კონვენციურმა ტრანსესტერიფიკაციის გზამ მიაღწია მხოლოდ დაახლოებით 47%-იან გამოსავლიანობას კვლევაში შეფასებულ პირობებში. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითმა დამუშავებამ ესტერის გამოსავლიანობა გაზარდა 70%-ზე მეტით კონვენციურ გზასთან შედარებით.
ზეთის მწარმოებლებისთვის ეს მაღალმნიშვნელოვანი შედეგია. უფრო მაღალი გამოსავლიანობა ნიშნავს საწყისი მასალების უკეთეს გამოყენებას, გვერდითი ნაკადების შემცირებას, პროცესის ეკონომიკის გაუმჯობესებას და ესტერის საბაზისო ზეთის თითოეულ კილოგრამზე შესაძლოა უფრო დაბალ წარმოების ღირებულებას.

ესტერის წარმოქმნის დადასტურება

Arumugam et al.-ის (2019) კვლევამ დაადასტურა პენტაერიტრიტოლის ესტერის წარმოქმნა FTIR სპექტროსკოპიით და აირქრომატოგრაფიით. FTIR ანალიზმა აჩვენა დამახასიათებელი ესტერის კარბონილის და ესტერის C–O პიკები, ხოლო დამატებითმა პიკებმა დაადასტურა პენტაერიტრიტილის ჯგუფის არსებობა. აირქრომატოგრაფიამ კიდევ უფრო დაადასტურა პროდუქტის შემადგენლობა, მათ შორის მონოესტერის, დიესტერის, ტრიესტერის და ტეტრაესტერის ფრაქციები.
ბიოზეთის წარმოებისთვის ეს ანალიტიკური დადასტურება მნიშვნელოვანია, რადგან ზეთის მუშაობა ძლიერ არის დამოკიდებული ესტერის შემადგენლობაზე. შესაძლებლობა, რომ ხელშეწყობილი იყოს სასურველი ესტერული სტრუქტურების წარმოქმნა კონტროლირებადი ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაციის გზით, მწარმოებლებს უზრუნველყოფს პრაქტიკულ ინსტრუმენტს საბაზისო ზეთის ხარისხისა და პროცესის მუდმივობის გასაუმჯობესებლად.

ულტრაბგერითად ტრანსესტერიფიცირებული პენტაერიტრიტოლის ესტერის FTIR სპექტრი
კვლევა და გრაფიკა: ©Arumugam et al., 2019

Hielscher სონიკატორების უპირატესობები ზეთის მწარმოებლებისთვის

Hielscher გთავაზობთ სონიკატორების სრულ დიაპაზონს R&D ერთეულებიდან სრულად ინდუსტრიულ ულტრაბგერით სისტემებამდე. ეს საშუალებას აძლევს პროცესს, რომელიც განვითარდა ლაბორატორიულ მასშტაბზე, გადავიდეს საცდელ და წარმოების მასშტაბზე იგივე ფუნდამენტური ულტრაბგერითი პრინციპების გამოყენებით.
ყველა სონიკატორი 200 ვატისა და მეტი სიმძლავრის მქონე, მახასიათებლებია ციფრული კონტროლი, პროგრამირებადი პარამეტრები, დისტანციური მართვა ბრაუზერის საშუალებით, ავტომატიზებული მონაცემთა პროტოკოლირება, ჩასმული ტემპერატურისა და წნევის სენსორები და ბევრი სხვა რამ უმაღლესი მოხმარების მარტივობისა და გამეორებადი შედეგებისთვის.
ინდუსტრიული ზეთის წარმოებისთვის, Hielscher-ის დიაპაზონი მოიცავს კომპაქტურ ლაბორატორიულ სონიკატორებს შესაძლებლობის შესწავლისთვის, საცდელი მასშტაბის სისტემებს პროცესის ოპტიმიზაციისთვის და ინდუსტრიულ ულტრაბგერით პროცესორებს, როგორიცაა UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT და უფრო დიდი მრავალერთიანი ინსტალაციები უწყვეტი მაღალი მოცულობის დამუშავებისთვის.
გამდინარე რეაქტორები საშუალებას იძლევა კონტროლირებადი იყოს რეაქციაში ყოფნის დრო, წნევის მატება უფრო ინტენსიური კავიტაციისთვის, ტემპერატურის მართვა და ინლაინ ინტეგრაცია არსებულ ესტერიფიკაციის ან ტრანსესტერიფიკაციის წარმოების ხაზებში.

Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები გთავაზობთ მნიშვნელოვან უპირატესობებს ესტერის და ბიოზეთის სინთეზისთვის:

• ზუსტი ამპლიტუდის კონტროლი გამეორებადი კავიტაციის ინტენსივობისთვის
• რეგულირებადი იმპულსები ენერგიის შეტანისა და თერმული მართვის ოპტიმიზაციისთვის
• მაღალი სიმძლავრის პრობის ულტრაბგერითი დამუშავება რეაქციის გარემოში პირდაპირი და ეფექტური ენერგიის გადაცემისთვის
• პარტიული და უწყვეტი ნაკადის ოპერაცია მოქნილი პროცესის განვითარებისთვის
• ინდუსტრიული მასშტაბირება ლაბორატორიული ტესტირებიდან მაღალი გამტარუნარიანობის წარმოებამდე
• მდგრადი მოწყობილობის დიზაინი მოთხოვნადი ქიმიური დამუშავების გარემოსთვის

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავების დაახლოებითი სიმძლავრის შესახებ:

ულტრაბგერითი დიესტერული სინთეზი, როგორც წარმოების სტრატეგია

ზეთებისა და ცხიმების ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაციის პროცესის პრინციპი პირდაპირ კავშირშია ულტრაბგერით დიესტერულ სინთეზთან და უფრო ფართო ესტერზე დაფუძნებული ბიოლუბრიკანტების წარმოებასთან. დიესტერები მნიშვნელოვანი სინთეზური საპოხი მასალების საბაზისო კომპონენტებია მათი ხელსაყრელი სიბლანტე-ტემპერატურული მახასიათებლების, საპოხი თვისებებისა და დაბალტემპერატურული თვისებების გამო. სხვა ესტერიფიკაციისა და ტრანსესტერიფიკაციის რეაქციების მსგავსად, დიესტერული სინთეზი ხშირად სარგებლობს რეაგენტების კონტაქტის გაუმჯობესებით, მასათა გადატანის გაჩქარებითა და კატალიზატორის უფრო ეფექტური გამოყენებით.
ულტრაბგერითი დამუშავება, შესაბამისად, პრაქტიკული ინტენსიფიკაციის ინსტრუმენტია მწარმოებლებისთვის, რომლებიც აწარმოებენ ესტერებს განახლებადი საკვები მასალებიდან, ცხიმოვანი მჟავების მეთილესტერებიდან, სპირტებიდან, პოლიოლებიდან ან სხვა ესტერული წინამორბედებიდან. მხოლოდ სითბოსა და მექანიკურ არევაზე დაყრდნობის ნაცვლად, ულტრაბგერა იწვევს მიკროსკოპულ დონეზე კავიტაციით განპირობებულ შერევას, სადაც რეაქციის მრავალი შეზღუდვა რეალურად წარმოიშობა.

პროცესის ინჟინრებისთვის ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი რეაქტორები შეიძლება გამოიყენებოდეს შემდეგი მაჩვენებლების გასაუმჯობესებლად:

• რეაქციის სიჩქარე
• ესტერული გამოსავლიანობა
• კატალიზატორის ეფექტურობა
• ფაზური დისპერსია
• პარტიებს შორის თანმიმდევრულობა
• პროცესის კომპაქტურობა
• ენერგოეფექტურობა გახანგრძლივებულ კონვენციურ დამუშავებასთან შედარებით

ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია აღწევს დაახლოებით 75%-იან კონვერსიას პირველ 1,5 წუთში და პლატოს აღწევს დაახლოებით 90%-იანი კონვერსიით 6 წუთის შემდეგ.
კონვენციური მეთოდი აჩვენებს ბევრად ნელა მიმდინარე კონვერსიის სიჩქარეს, აღწევს მხოლოდ დაახლოებით 40%-იან კონვერსიას 8 წუთის შემდეგ.
კვლევა და გრაფიკა: ©Fayyazi et al., 2014

ლაბორატორიული კვლევიდან მრეწველობით ბიოლუბრიკანტების წარმოებამდე

ულტრაბგერითი დახმარებით ტრანსესტერიფიკაცია არის შესაფერისი მეთოდი საპოხი მასალებისთვის ესტერების (მაგალითად, პენტაერიტრიტის ესტერზე დაფუძნებული ბიოლუბრიკანტების) წარმოებისთვის, გაუმჯობესებული გამოსავლიანობითა და შემცირებული რეაქციის სიმძიმით კონვენციურ გზასთან შედარებით. Arumugam et al. (2019) აღნიშნეს გამოსავლიანობის ზრდა 47%-დან დაახლოებით 81,4%-მდე, რაც ცალსახად აჩვენებს ულტრაბგერითი პროცესის ინტენსიფიკაციის კომერციულ მნიშვნელობას.
საპოხი მასალების მწარმოებლებისთვის დასკვნები მარტივია: ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია შეიძლება დაეხმაროს განახლებადი საკვები მასალების უფრო ეფექტურად გადაქცევას მაღალღირებულებიან ესტერულ საბაზისო ზეთებად. Hielscher-ის სონიკატორებით, იგივე ტექნოლოგიური პლატფორმა, რომელიც გამოიყენება ლაბორატორიული ოპტიმიზაციისთვის, შეიძლება გადიდდეს უწყვეტ სამრეწველო ოპერაციამდე. ეს ხდის ულტრაბგერით დამუშავებას არა მხოლოდ კვლევის ინსტრუმენტად, არამედ ცხოველმყოფელ საწარმოო სტრატეგიად მომავალი თაობის ბიოლუბრიკანტებისთვის.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი რეაქტორების ესტერული სინთეზის ხაზებში ინტეგრირებით, მწარმოებლებს შეუძლიათ გააძლიერონ ტრანსესტერიფიკაცია, გააუმჯობესონ გამოსავლიანობა და შეიმუშაონ უფრო მდგრადი საპოხი მასალების საბაზისო კომპონენტები მცენარეული ზეთისგან მიღებული საკვები მასალებიდან. რადგან ბიოდეგრადირებადი და განახლებადი საპოხი მასალების მოთხოვნა გრძელდება, ულტრაბგერითი დიესტერული და პოლიოლესტერული სინთეზი გთავაზობთ ძლიერ გზას უფრო სუფთა, ეფექტური და კომერციულად კონკურენტუნარიანი ბიოლუბრიკანტების წარმოებისკენ.

ლიტერატურა / რეფერენსები

• 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.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.