Bioloģisko smērvielu ražošana: procesa intensifikācija ar ultraskaņas iedarbību

Smērvielu nozare ienāk izšķirošā posmā, kas saistīts ar inovācijām smērvielu sastāva jomā. Tā kā rūpnieciskie lietotāji, mobilitātes nozares, jūras transporta operatori un videi jutīgi lietojumi pāriet uz bioloģiski noārdāmām un atjaunojamām alternatīvām, smērvielu ražotāji saskaras ar arvien lielāku spiedienu piedāvāt augstas veiktspējas bioloģiskās smērvielas, neietekmējot viskozitātes kontroli, oksidatīvo stabilitāti, nodiluma aizsardzību vai ilgtermiņa uzglabāšanas stabilitāti. Tirgus analītiķi ziņo par bioloģisko smērvielu tirgus nepārtrauktu izaugsmi, ko veicina pieprasījums pēc bioloģiski noārdāmām, zemāku emisiju un ilgtspējīgām smērvielu risinājumiem transporta un rūpniecības jomās.

Bioloģisko smērvielu ražošana, izmantojot ultraskaņu: procesa intensifikācija ilgtspējīgu smērvielu ražošanai

Šajā kontekstā ultraskaņas apstrāde, kas pazīstama arī kā sonikācija, kļūst arvien nozīmīgāka rūpniecībā kā daudzpusīga ražošanas tehnoloģija bioloģisko smērvielu ražošanai. Augstas jaudas ultraskaņu var izmantot ultraskaņas dispersijai, sonohimiskai transesterifikācijai, emulgēšanai un mikroģela daļiņu sagatavošanai, tādējādi sniedzot formulētājiem spēcīgu rīku, lai uzlabotu gan ķīmisko pārveidošanu, gan fizikālo formulējuma kvalitāti. Tādējādi sonikācija kļūst par ļoti efektīvu apstrādes metodi, ko izmanto bioloģisko smērvielu eļļu, bioloģisko smērvielu smērvielu, ūdens bāzes bioloģisko smērvielu un pārtikas nozarei paredzēto smērvielu ražošanā.

Kāpēc ultraskaņas apstrāde ir svarīga bioloģisko smērvielu ražotājiem

Bioloģiskās smērvielas bieži vien tiek ražotas, izmantojot sarežģītas izejvielu sistēmas: augu eļļas, sintētiskos esterus, bioloģiskas izcelsmes polimērus, celulozes atvasinājumus, funkcionālās piedevas, antioksidantus, korozijas inhibitorus, pretnodiluma līdzekļus, berzes modifikatorus, kā arī ūdens bāzes vai emulsijas tipa fāzes. Šo sastāvdaļu polaritāte, viskozitāte, daļiņu izmērs, šķīdība un mijrobežu īpašības var ievērojami atšķirties. Parastie maisītāji, rotora-statora sistēmas vai ilgstoša partiju maisīšana ne vienmēr nodrošina pietiekamu enerģijas blīvumu, lai iegūtu smalkas, stabilas dispersijas vai panāktu ātras mijrobežu reakcijas.
Ultraskaņas apstrāde risina šīs problēmas, izmantojot akustisko kavitāciju. Kad šķidrumā tiek ievadīts augstas intensitātes ultraskaņas viļņi, veidojas, aug un sabrūk mikroskopiski kavitācijas burbuļi. Tas rada lokalizētu augstu šķērsspēku, intensīvu mikrosajaukšanu, turbulenci, daļiņu deaglomerāciju un reaktīvās zonas, kas var paātrināt masas pārnesi un ķīmiskās reakcijas. Transesterifikācijas pētījumos ultraskaņa ir plaši pētīta kā veids, kā pārvarēt lēno reakcijas kinētiku un neefektīvo kontaktu starp eļļas un spirta fāzēm.
Smērvielu ražotājiem tas nozīmē, ka ultraskaņa nav vienkārši laboratorijas homogenizācijas metode. Tā ir procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas var veicināt stabilāku, vienveidīgāku un efektīvāku bioloģiskas izcelsmes smērvielu formulējumu ražošanu.
 

Ar ultraskaņas zondes tipa disperģētāju tiek ražotas augstas veiktspējas bioloģiskās smērvielas.
(Pētījums un attēls: Liu u. c., 2020)

Bioloģiskas izcelsmes smērvielu piedevu ultraskaņas dispersija

Viena no galvenajām problēmām bioloģisko smērvielu formulēšanā ir bioloģiskas izcelsmes piedevu vienmērīga iekļaušana. Tādi materiāli kā karboksimetilceluloze, celulozes nanošķiedras, biopolimēri, dabiskās gumijas, lignīna atvasinājumi, bioloģiskas izcelsmes biezinātāji un funkcionālās nanodaļiņas var būtiski ietekmēt viskozitāti, eļļošanas spēju, nodiluma novēršanas īpašības, plēves veidošanos un suspensijas stabilitāti. Tomēr šie materiāli bieži vien ir tendēti uz aglomerāciju, lēni hidratējas vai veido nevienmērīgas gēla struktūras.
Ultraskaņas dispersija palīdz ražotājiem samazināt aglomerātu veidošanos un vienmērīgāk sadalīt piedevas visā smērvielas matricā. Tas ir īpaši vērtīgi ūdens bāzes smērvielām, nanosmērvielām, eļļveida sistēmām un emulsiju bāzes bioloģiskajām smērvielām. Nesen veiktie pētījumi par celulozes bāzes sistēmām liecina, ka ultraskaņas apstrāde var ievērojami ietekmēt dispersijas uzvedību, reoloģiju un tīkla struktūru, padarot to par noderīgu apstrādes rīku celulozes saturošu preparātu pielāgošanai.

Smērvielu ražotājiem labāka dispersija var nozīmēt:

• Vienmērīgāka viskozitāte un reoloģiskās īpašības
• Uzlabota piedevas efektivitāte pie zemākiem devu līmeņiem
• Samazināta nogulsnēšanās, fāžu atdalīšanās vai peldošas cietās daļiņas
• Vairāk reproducējami triboloģiskie rādītāji
• Īsāks apstrādes laiks salīdzinājumā ar ilgstošu mehānisku maisīšanu

Karboximetilceluloze ir īpaši nozīmīga, jo to plaši izmanto kā celulozes atvasinājumu ar vērtīgām viskozitātes, virsmas un plēves veidojošām īpašībām. Smērvielu sistēmās ultraskaņas apstrāde var palīdzēt integrēt CMC un citus biopolimērus stabilos ūdens vai emulsijas sastāvos, tādējādi veicinot videi draudzīgāku smērvielu izstrādi ar kontrolētu plūstamību un uzlabotu sastāva stabilitāti.
 

Bioloģiskās smērvielas ar ultraskaņas ceļā disperģētu karboksimetilcelulozi. Ultraskaņas disperģēšana nodrošina ilgtermiņā stabilas nano-bioloģiskās smērvielas
Pētījums un attēli: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonoķīmiskā transesterifikācija diesteru un esteru bāzes bioloģisko smērvielu ražošanai

Esteri ir vieni no svarīgākajiem bāzes šķidrumiem augstas veiktspējas bioloģiskajām smērvielām. Atkarībā no izejvielas un molekulārās struktūras tie var nodrošināt labu smērētspēju, augstu viskozitātes indeksu, bioloģisko noārdāmību un labvēlīgas īpašības zemās temperatūrās. Diesteri un poliolu esteri ir īpaši svarīgi tādās lietojuma jomās kā hidrauliskās šķidrumi, kompresoru eļļas, metālapstrādes šķidrumi, motorzāģu eļļas, kuģu smērvielas un speciālās rūpnieciskās smērvielas.
Viens no daudzsološajiem ultraskaņas pielietojumiem ir esteru sonohimiskā sagatavošana, izmantojot transesterifikāciju. Tradicionālajā transesterifikācijā nesajaucamām reaģentām, piemēram, eļļām un spirtiem, bieži vien nepieciešama intensīva sajaukšana, paaugstināta temperatūra, katalizatori un ilgāks reakcijas laiks. Ultraskaņa uzlabo masas pārnesi, veidojot smalkas emulsijas starp reaģentu fāzēm un nepārtraukti atjaunojot saskares virsmu, kurā notiek reakcija.
Ar ultraskaņas palīdzību veikta transesterifikācija ir labi izstrādāta metode, kas piemērotos apstākļos ir pierādījusi savas priekšrocības, piemēram, ātrāku reakcijas gaitu, uzlabotu fāžu kontaktu, īsāku atdalīšanas laiku, augstu iznākumu un samazinātu atkritumu veidošanos. Smērvielu ražotāji izmanto ultraskaņas transesterifikācijas metodi, lai ražotu uz esteriem balstītas bioloģisko smērvielu sastāvdaļas, tostarp diesterus un citas funkcionālas estera struktūras.

Ultraskaņas transesterifikācija palīdz ražotājiem:

• Uzlabot kontaktu starp eļļas, spirta un katalizatora fāzēm
• Samazināt reakcijas laiku, pastiprinot masas pārnesi starp fāzēm
• Atbalstīt zemākas temperatūras vai energoefektīvākus apstrādes režīmus
• Uzlabot konversijas stabilitāti partiju vai nepārtrauktas ražošanas procesā
• Nodrošināt kompaktu reaktoru konstrukciju izmantošanu mērogojamai estera ražošanai

Uzņēmumiem, kas ražo bioloģisko smērvielu bāzes eļļas, ultraskaņa piedāvā iespēju pastiprināt esterifikācijas un transesterifikācijas procesus, vienlaikus veicinot tīrāku un efektīvāku ražošanu.

Smērvielu maisījumu ultraskaņas emulsifikācija

Daudzas mūsdienu bioloģiskās smērvielas nav vienkāršas vienfāzes eļļas. Tās var ietvert „ūdens eļļā” emulsijas, „eļļa ūdenī” emulsijas, piedevu koncentrātus, vaska dispersijas, ar polimēriem modificētas sistēmas vai sarežģītas daudzfāzu sistēmas. Šo emulsiju kvalitāte tieši ietekmē uzglabāšanas stabilitāti, smērētspēju, dzesēšanas efektivitāti, korozijas aizsardzību un lietošanas īpašības.
Ultraskaņas emulgēšana ir ļoti efektīva, jo kavitācija rada intensīvas lokālas šķēres spēkus, kas sadala pilieniņus mazākos gabaliņos un veido šauru pilieniņu izmēru sadalījumu. Smērvielu ražošanā to var izmantot, lai emulgētu bioloģiskas izcelsmes eļļas, esteru fāzes, ūdens fāzes, virsmaktīvās vielas, polimēru stabilizatorus un funkcionālās piedevas, veidojot stabilus preparātus.

Tas jo īpaši attiecas uz:

• bioloģiskās smērvielas uz ūdens bāzes
• Metālapstrādes šķidrumi un griešanas šķidrumi
• Hidrauliskās šķidrumi ar atjaunojamām sastāvdaļām
• Emulsijas tipa smērvielas un puscietas smērvielas
• Piedevu koncentrāti un priekšdisperģenti
• Smērvielu sistēmas, kas satur biopolimērus vai celulozes atvasinājumus

Smalkā emulgēšana uzlabo smērvielu sastāvu fizikālo stabilitāti un var samazināt nepieciešamību pēc pārmērīga virsmaktīvo vielu daudzuma. Ražotājiem tas sniedz gan veiktspējas, gan izmaksu priekšrocības: uzlabotu stabilitāti, efektīvāku piedevu izmantošanu un lielāku sastāva elastīgumu.

Ultraskaņas apstrāde emulsijas mikroģeļu daļiņu iegūšanai

Vēl viena strauji attīstoša joma ir emulsijas mikroģeļu daļiņu ražošana modernām smērvielu formulām. Mikrogēli var darboties kā reoloģijas modificatori, aktīvo sastāvdaļu nesēji, berzes modificatori vai reaģējoši strukturējoši aģenti. Bioloģiskas izcelsmes smērvielu sistēmās mikrogēla daļiņas var ražot no dabīgiem polimēriem, modificētas celulozes, polisaharīdiem, olbaltumvielām vai citām atjaunojamām polimēru sistēmām.
Ultraskaņas apstrāde atbalsta mikroģela sagatavošanu, nodrošinot kontrolētu emulgēšanu, pilienu izmēra samazināšanu, polimēru dispersiju un fāžu strukturēšanu. Tie paši kavitācijas vadītie mehānismi, kas rada smalkas emulsijas, var palīdzēt arī izveidot mazus, vienveidīgus prekursoru pilienus vai disperģētas polimēru domēnas, kuras pēc tam tiek pārvērstas ģelā, sašūtas vai stabilizētas.

Optimizējiet bioloģisko smērvielu ražošanu, izmantojot ultraskaņas apstrādi

Viens no svarīgākajiem jautājumiem smērvielu ražotājiem ir tas, vai ultraskaņas apstrāde var tikt droši integrēta ražošanas līnijās. Izmantojot Hielscher ultraskaņas iekārtas, atbilde ir nepārprotami „jā”. Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas ir izstrādātas nepārtrauktai darbībai, integrētai apstrādei un vienkāršai integrācijai esošajās ražošanas līnijās, tādējādi padarot tās par jaudīgu un uzticamu risinājumu rūpnieciskajai bioloģisko smērvielu ražošanai.
Tipiskā rūpnieciskā iekārtā smērvielas priekšmaisījums, piedevu šķidrums, eļļas un spirta reakcijas maisījums vai emulsijas padeve tiek sūknēta caur ultraskaņas plūsmas kameru, kur tā tiek pakļauta precīzi kontrolētai ultraskaņas enerģijai. Galvenos procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu, uzturēšanās laiku un specifisko enerģijas patēriņu, var precīzi regulēt, uzraudzīt un tie tiek automātiski reģistrēti. Šī augstā kontrolējamība nodrošina smērvielu ražotājiem procesa drošību, kas nepieciešama reproducējamai formulācijas kvalitātei, validētiem ražošanas protokoliem un konsekventai ražošanas mēroga palielināšanai no pētniecības&D izmēģinājumi, lai uzsāktu eksperimentālo ražošanu un sasniegtu pilnu rūpniecisko jaudu.
Bioloģisko smērvielu ražotājiem šī mērogojamība ir īpaši svarīga, jo prasības pret sastāvu kļūst arvien stingrākas. Klienti sagaida ilgtspējīgus produktus, taču vienlaikus cer uz tādu pašu vai pat labāku veiktspēju nekā tradicionālajām naftas bāzes smērvielām. Hielscher ultraskaņas iekārtas palīdz ražotājiem pārvarēt šo plaisu, apvienojot jaudu, uzticamību, vadāmību un lineāru mērogojamību vienā izturīgā ultraskaņas platformā. Šīs priekšrocības padara Hielscher ultraskaņas iekārtas par vēlamo izvēli uzņēmumiem, kam nepieciešama rūpnieciskā līmeņa ultraskaņas apstrāde, lai izstrādātu augstas kvalitātes bioloģiskas izcelsmes smērvielu formulācijas.

 
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces