Ultraschallgestëtzten Diestersynthes fir d’Produktioun vu leeschtungsstaarke Bioschmiermëttelen

Den Iwwergank vu Schmiermëttelen op Pëtrolsbasis zu erneierbaren, biologesch ofbaubaren a leeschtungsstaarke Schmiermëttelen op Esterbasis beschleunegt sech an den Industriesecteuren. Hiersteller vu Schmiermëttele stinn ënner ëmmer méi groussen Drock, d’Ëmweltbelaaschtung ze reduzéieren a gläichzäiteg usprochsvoll Leeschtungscritèrë wéi en héije Viskositéitsindex, eng niddreg Volatilitéit, eng gutt Schmierfäegkeet, thermesch Stabilitéit an en zouverlässegt Verhale bei niddregen Temperaturen anzehalen. An dësem Kontext bitt d’Ultraschalltransesterifikatioun eng wierkungsvoll Strategie fir d’Prozessintensivéierung bei der Synthes vun esterbaséierte Réistoffer, déi a moderne Bioschmiermëttelformuléierunge benotzt ginn.

Ultraschalltransesterifikatioun vun Diestere fir Bioschmiermëttelen

D’Ultraschalltransesterifikatioun vu planzlechen Ueleger a Fetter ass eng nohalteg Technik, déi den Esterrendement däitlech verbessert, d’Aschränkunge bei der Veraarbechtung reduzéiert an d’Transesterifikatioun als Verfare fir d’industriell Produktioun vu Schmiermëttele méi attraktiv mécht. Hielscher Sonikatore mat Sond gi fir eng effizient Estersynthes an der Inlineproduktioun ënner kontrolléierte Prozessbedéngunge benotzt.

Synthes vu Bioschmiermëttelen duerch Transesterifikatioun

Planzlech Ueleger sinn attraktiv Ausgangsstoffer fir Bioschmiermëttelen, well se erneierbar a biologesch ofbaubar sinn an eng gutt Schmierfäegkeet hunn. Onbehandelt planzlech Ueleger hunn awer dacks eng begrenzt oxidativ Stabilitéit a schlecht Eegenschafte bei niddregen Temperaturen. Eng verbreet Strategie, fir dës Nodeeler ze iwwerwannen, ass d’Ëmwandlung vu Methylesteren aus planzlechen Ueleger a Polyolesteren, wéi Pentaerythritolesteren, duerch Transesterifikatioun.
An der Studie “Optimiséierung vun de Prozessparametere vun der Ultraschalltransesterifikatioun bei der Synthes vun engem Bioschmiermëttel op Polyolesterbasis mat RSM an engem Crow-Search-Algorithmus” vun Arumugam et al. gouf Rapsueleg fir d’éischt a Rapsuelegmethylester ëmgewandelt. An engem zweete Schrëtt gouf dëse Methylester mat Pentaerythritol a Presenz vu p-Toluolsulfonsaier als Katalysator a Xylol als Léisungsmëttel zur Reaktioun bruecht. D’Zilprodukt war e Pentaerythritolester, dee sech als Basisueleg fir Bioschmiermëttelen eegent. Dës Reaktioun ass fir Hiersteller vu Schmiermëttele vu grousser Bedeitung, well Polyolestere vill als syntheetesch Basisstoffer fir Kompresserueleger, Hydraulikflëssegkeeten, Kältemaschinnenueleger an aner Uwendunge vu leeschtungsstaarke Schmiermëttele benotzt ginn.
Déi gréissten Erausfuerderung bei der konventioneller Transesterifikatioun ass, datt d’Reaktioun dacks duerch e schlechten Stofftransport tëscht de Reaktante begrenzt gëtt. Methylesteren, Polyolen a Katalysatore bilden net ëmmer en ideaalt homogent Reaktiounssystem. Konventionellt Réiere ka laang Reaktiounszäiten, eng héich Temperatur an eng erhéicht Energiezouféierung erfuerderen an dobäi trotzdeem nëmme mëttelméisseg Rendementer liwweren. Genee hei bitt d’Ultraschallveraarbechtung en entscheedende Virdeel.

Fléissschema vum Prozess vun der Ultraschalltransesterifikatioun fir Pentaerythritolester
Studie a Grafik: ©Arumugam et al,.2019

Wéi d’Ultraschalltransesterifikatioun d’Estersynthes intensivéiert

D’Ultraschalltransesterifikatioun benotzt Ultraschall mat héijer Intensitéit, fir akustesch Kavitatioun am flëssege Reaktiounsmedium ze erzeugen. D’Kavitatioun erzeugt mikroskopesch Blosen, déi wuessen an hefteg zesummefalen. Doduerch entstinn intensiv lokal Schéierkräften, Mikrostralen, akustesch Stréimungen a Mikroemulgéierung.
Fir d’Estersynthes sinn dës Effekter vu groussem Wäert, well se:

• d’Drëpsengréisst reduzéieren an de Kontakt tëscht de Phase verbesseren
• d’Grenzfläch tëscht net mëschbaren oder schlecht mëschbare Reaktante vergréisseren
• d’Zougänglechkeet vum Katalysator verbesseren
• de Stofftransport beschleunegen
• d’Reaktiounskinetik verbesseren
• ënner optiméierte Bedéngungen e méi héijen Esterrendement begënschtegen

D’Studie erkläert, datt duerch Kavitatioun ausgeléisten Turbulenzen a Mikroemulsiounen d’Begrenzunge vum Stofftransport bei der konventioneller Transesterifikatioun iwwerwannen. Als Resultat ginn d’Reaktante méi effektiv dispergéiert, an d’katalytesch Reaktioun leeft méi séier a méi vollstänneg of.

Studieresultater: Méi héijen Esterrendement mat Ultraschall

D’Studie huet den ultraschallënnerstëtzte Prozess mat der Methodologie vun den Äntwertflächen an engem Crow-Search-Algorithmus optiméiert. Déi ënnersichte Prozessvariabele waren den Ultraschallimpuls, d’Ultraschallamplitud, d’Katalysatorkonzentratioun an d’Reaktiounstemperatur.
Déi optiméiert Ultraschallprozessbedéngunge waren:
Sonikatorsystem: Hielscher UP400St Sonikator mat Sond
Ultraschallimpuls: 15 Sekonnen
Ultraschallamplitud: 60%
Katalysatorkonzentratioun: 1,5 wt.%
Reaktiounstemperatur: 100°C

Ënner dësen optiméierte Bedéngungen huet déi ultraschallënnerstëtzt Transesterifikatioun e Pentaerythritolesterrendement vun ongeféier 81,4% erreecht. Am Verglach dozou huet de konventionellen Transesterifikatiounswee ënner de Bedéngungen, déi an der Studie evaluéiert goufen, nëmmen ongeféier 47% Rendement erreecht. Dat bedeit, datt d’Ultraschallbehandlung den Esterrendement ëm méi wéi 70% am Verglach zum konventionelle Wee erhéicht huet.
Fir Schmierstoffhiersteller ass dat e ganz relevant Resultat. E méi héije Rendement bedeit eng besser Notzung vun de Réistoffer, manner Niewestréim, eng verbessert Wirtschaftlechkeet vum Prozess a méiglecherweis méi niddreg Produktiounskäschte pro Kilogramm Esterbasisueleg.

Bestätegung vun der Esterbildung

D’Studie vun Arumugam et al. (2019) huet d’Bildung vu Pentaerythritolester duerch FTIR-Spektroskopie a Gaschromatographie bestätegt. D’FTIR-Analys huet charakteristesch Peaks vun den Ester-Carbonylgruppen an den Ester-C–O-Bindunge gewisen, wärend zousätzlech Peaks d’Presenz vun der Pentaerythritylgrupp ënnerstëtzt hunn. D’Gaschromatographie huet d’Zesummesetzung vum Produkt weider bestätegt, dorënner Monoester-, Diester-, Triester- an Tetraesterfraktiounen.
Fir d’Produktioun vu Bioschmierstoffer ass dës analytesch Bestätegung wichteg, well d’Leeschtung vum Schmierstoff staark vun der Esterzesummesetzung ofhänkt. D’Méiglechkeet, d’Bildung vun de gewënschten Esterstrukturen duerch kontrolléiert Ultraschalltransesterifikatioun ze fërderen, gëtt den Hiersteller e praktescht Instrument, fir d’Qualitéit vum Basisueleg an d’Konstanz vum Prozess ze verbesseren.
 

FTIR-Spektrum vu Pentaerythritolester, deen duerch Ultraschall transesterifizéiert gouf
Studie a Grafik: ©Arumugam et al., 2019

Virdeeler vun Hielscher Sonikatore fir Schmierstoffhiersteller

Hielscher bitt eng komplett Gamme vu Sonikatoren, vun Apparater fir Fuerschung an Entwécklung bis zu vollindustriellen Ultraschallsystemer. Doduerch kann e Prozess am Labormoossstaf entwéckelt an duerno mat de selwechte grondleeënden Ultraschallprinzippien op de Pilot- a Produktiounsmoossstaf iwwerdroe ginn.
All Sonikatore mat enger Leeschtung vun 200 Watt oder méi verfüügen iwwer eng digital Steierung, programméierbar Astellungen, Fernbedienung iwwer de Browser, automatiséiert Dateprotokolléierung, ustiechbar Temperatur- an Drocksensoren a villes méi fir héchst Benotzerfrëndlechkeet a widderhuelbar Resultater.
Fir d’industriell Schmierstoffproduktioun ëmfaasst d’Gamme vun Hielscher kompakt Laborsonikatore fir Machbarkeetsstudien, Systemer am Pilotmoossstaf fir d’Prozessoptiméierung an industriell Ultraschallprozessoren ewéi den UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT a méi grouss Anlagen aus méi Eenheete fir déi kontinuéierlech Veraarbechtung vu grousse Volumenen.
Duerchflossreaktoren erméiglechen eng kontrolléiert Openthaltszäit, Drockbeaufschlagung fir eng méi intensiv Kavitatioun, Temperaturmanagement an Inline-Integratioun a bestoend Produktiounslinne fir Esterifikatioun oder Transesterifikatioun.

Hielscher Ultraschallprozessoren bidden wichteg Virdeeler fir d’Ester- a Bioschmierstoffsynthes:

• präzis Amplitudesteierung fir eng reproduzéierbar Kavitatiounsintensitéit
• astellbare Pulsbetrib fir den Energieantrag an d’thermescht Management ze optiméieren
• Ultraschallbehandlung mat enger leeschtungsstaarker Sond fir eng direkt an effizient Energieiwwerdroung an d’Reaktiounsmedium
• Chargen- a kontinuéierlechen Duerchflossbetrib fir eng flexibel Prozessentwécklung
• industriell Skaléierbarkeet vu Laborversich bis zur Produktioun mat héijem Duerchsaz
• robust Konstruktioun vun den Apparater fir usprochsvoll Ëmfelder an der cheemescher Veraarbechtung

 
 
Déi folgend Tabell gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Ultraschallgestëtzten Diestersynthes als Produktiounsstrategie

De Prozessprinzip vun der ultraschallgestëtzter Transesterifikatioun vun Ueleger a Fetter ass direkt relevant fir d’ultraschallgestëtzten Diestersynthes an déi méi breet Produktioun vun esterbaséierte Bioschmiermëttelen. Diestere si wichteg syntheetesch Basisstoffer fir Schmiermëttelen, well se e gënschtegt Viskositéit-Temperatur-Verhalen, gutt Schmiereegenschaften a gutt Eegenschafte bei niddregen Temperaturen hunn. Wéi aner Veresterungs- an Transesterifikatiounsreaktioune profitéiert d’Diestersynthes dacks vun engem verbesserte Kontakt tëscht de Reaktanten, engem méi séiere Stofftransport an enger méi effektiver Notzung vum Katalysator.
D’Ultraschallbehandlung ass dofir e praktescht Mëttel fir d’Prozessintensivéierung fir Hiersteller, déi Esteren aus erneierbare Rohstoffer, Fettsaiermethylesteren, Alkoholen, Polyolen oder aneren Estervirleefer hierstellen. Amplaz sech nëmmen op Hëtzt a mechanescht Réieren ze verloossen, bréngt den Ultraschall eng duerch Kavitatioun ugedriwwe Mëschung op mikroskopeschem Niveau an de Prozess an, wou vill Reaktiounslimitatiounen tatsächlech optrieden.

Fir Prozessingenieure bedeit dat, datt Ultraschallreaktore benotzt kënne ginn, fir Follgendes ze verbesseren:

• Reaktiounsvitess
• Esterausbezuelung
• Katalysatoreffizienz
• Dispersioun vun de Phasen/li>
• Konstanz vun enger Charge zur anerer
• Kompaktheet vum Prozess
• Energieeffizienz am Verglach mat enger laang dauernder konventioneller Veraarbechtung

D’ultraschallgestëtzten Transesterifikatioun erreecht bannent den éischten 1,5 Minutten en Ëmsaz vun ongeféier 75% an erreecht no 6 Minutten e Plateau bei ronn 90% Ëmsaz.
Déi konventionell Method weist eng vill méi lues Ëmsazvitess an erreecht no 8 Minutten nëmmen ongeféier 40% Ëmsaz.
Etüd a Grafik: ©Fayyazi et al., 2014

Vun der Laboetüd zur industrieller Produktioun vu Bioschmiermëttelen

D’ultraschallgestëtzten Transesterifikatioun ass eng gëeegent Method, fir Esteren fir Schmiermëttelen (wéi e Bioschmiermëttel op Basis vu Pentaerythritolester) mat enger verbesserter Ausbezuelung a manner haarde Reaktiounsbedéngungen am Verglach mam konventionelle Verfare produzéieren ze kënnen. Arumugam et al. (2019) hunn eng Erhéijung vun der Ausbezuelung vu 47% op ongeféier 81,4% gemellt, wat déi kommerziell Relevanz vun der ultraschallgestëtzter Prozessintensivéierung kloer weist.
Fir Schmiermëttelhiersteller sinn d’Konsequenze kloer: D’ultraschallgestëtzten Transesterifikatioun kann hëllefen, erneierbar Rohstoffer méi effizient an héichwäerteg Esterbasisueleger ëmzewandelen. Mat den Ultraschallapparater vun Hielscher kann déiselwecht Technologieplattform, déi bei der Optimiséierung am Labo agesat gëtt, op e kontinuéierlechen industrielle Betrib eropskaléiert ginn. Doduerch ass d’Ultraschallveraarbechtung net nëmmen e Fuerschungsinstrument, mee och eng praktikabel Produktiounsstrategie fir Bioschmiermëttele vun der nächster Generatioun.
Duerch d’Integratioun vun Hielscher Ultraschallreaktoren an Estersyntheslinne kënnen Hiersteller d’Transesterifikatioun intensivéieren, d’Ausbezuelunge verbesseren a méi nohalteg Basisstoffer fir Schmiermëttelen aus Rohstoffer entwéckelen, déi aus planzlechen Ueleger gewonne ginn. Well d’Nofro no biologesch ofbaubaren an erneierbare Schmiermëttele weider wiisst, bitt d’ultraschallgestëtzten Diester- a Polyolestersynthes e staarke Wee zu enger méi propperer, méi effizienter a kommerziell konkurrenzfäeger Produktioun vu Bioschmiermëttelen.

Literatur / Referenzen

• 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.