Ultraskaņas diesteru sintēze augstas veiktspējas bioloģisko smērvielu ražošanai

Visās rūpniecības nozarēs strauji pieaug pāreja no naftas izcelsmes smērvielām uz atjaunojamām, bioloģiski noārdāmām un augstas veiktspējas estera bāzes smērvielām. Smērvielu ražotāji saskaras ar arvien lielāku spiedienu samazināt ietekmi uz vidi, vienlaikus saglabājot augstas prasības atbilstošus veiktspējas rādītājus, piemēram, augstu viskozitātes indeksu, zemu gaistošumu, labu smērētspēju, termisko stabilitāti un uzticamu darbību zemās temperatūrās. Šajā kontekstā ultraskaņas transesterifikācija piedāvā efektīvu procesa intensifikācijas stratēģiju, lai sintezētu uz esteriem balstītas izejvielas, ko izmanto mūsdienu bioloģisko smērvielu formulās.

Diesteru ultraskaņas transesterifikācija bioloģisko smērvielu ražošanai

Augu eļļu un tauku ultraskaņas transesterifikācija ir ilgtspējīga tehnoloģija, kas ievērojami palielina estera iznākumu, samazina pārstrādes ierobežojumus un padara transesterifikācijas metodi pievilcīgāku rūpniecisko smērvielu ražošanai. Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas tiek izmantotas efektīvai estera sintēzei nepārtrauktas ražošanas procesā kontrolētos apstākļos.

Bioloģiskās smērvielas sintēze, izmantojot transesterifikāciju

Augu eļļas ir pievilcīgs izejmateriāls bioloģiskajām smērvielām, jo tās ir atjaunojamas, bioloģiski noārdāmas un piemīt tām labas smērēšanas īpašības. Tomēr neapstrādātām augu eļļām bieži piemīt ierobežota oksidatīvā stabilitāte un sliktas īpašības zemās temperatūrās. Izplatīta stratēģija šo trūkumu novēršanai ir augu eļļu atvasināto metilesteru pārveidošana par poliolu esteriem, piemēram, pentaeritritola esteriem, izmantojot transesterifikāciju.
Pētījumā “Uz RSM un „Crow Search“ algoritmu balstīta ultraskaņas transesterifikācijas procesa parametru optimizācija poliola estera bāzes bioloģiskās smērvielas sintēzē” Saskaņā ar Arumugam u.c. pētījumu, rapšu eļļa vispirms tika pārvērsta par rapšu eļļas metilesteri. Otrajā posmā šis metilesters tika pakļauts reakcijai ar pentaeritritolu, izmantojot p-tolūensulfonskābes katalizatoru un ksilolu kā šķīdinātāju. Mērķa produkts bija pentaeritritola esters, kas piemērots kā bioloģiskās smērvielas bāzes eļļa. Šī reakcija ir ļoti nozīmīga smērvielu ražotājiem, jo poliolu esteri tiek plaši izmantoti kā sintētiskās smērvielas bāzes eļļas kompresoru eļļām, hidrauliskajām šķidrumiem, saldēšanas eļļām un citām augstas veiktspējas smērvielu lietojumiem.
Galvenais izaicinājums tradicionālajā transesterifikācijā ir tas, ka reakciju bieži ierobežo nepietiekama masas pārnese starp reaģentiem. Metilesteri, polioli un katalizatori ne vienmēr veido ideālu viendabīgu reakcijas sistēmu. Tradicionālā maisīšana var prasīt ilgu reakcijas laiku, augstu temperatūru un lielu enerģijas patēriņu, vienlaikus nodrošinot tikai vidēju iznākumu. Tieši šeit ultraskaņas apstrāde sniedz izšķirošu priekšrocību.

Pentaeritritola estera ultraskaņas transesterifikācijas procesa shēma
Pētījums un grafiks: ©Arumugam et al., 2019

Kā ultraskaņas transesterifikācija pastiprina estera sintēzi

Ultraskaņas transesterifikācijā tiek izmantota augstas intensitātes ultraskaņa, lai šķidrā reakcijas vidē radītu akustisko kavitāciju. Kavitācijas rezultātā rodas mikroskopiski burbuļi, kas strauji palielinās un pēkšņi sabrūk. Tas rada intensīvas lokālas šķērsspēkas, mikrostrūklas, akustisko plūsmu un mikroemulsifikāciju.
Esteru sintēzē šie efekti ir ļoti vērtīgi, jo tie:

• samazināt pilienu izmēru un uzlabot fāžu saskari
• palielināt saskares virsmas laukumu starp nesajaucamiem vai grūti sajaucamiem reaģentiem
• uzlabot katalizatora pieejamību
• Paātrināt masas pārnesi
• uzlabot reakcijas kinētiku
• nodrošina augstāku estera iznākumu optimizētos apstākļos

Pētījumā paskaidrots, ka kavitācijas izraisītā turbulence un mikroemulsijas ļauj pārvarēt tradicionālās transesterifikācijas masas pārneses ierobežojumus. Rezultātā reaģenti tiek efektīvāk izkliedēti, un katalītiskā reakcija noris ātrāk un pilnīgāk.

Pētījuma rezultāti: lielāks estera iznākums, izmantojot ultraskaņu

Pētījumā tika optimizēts ultraskaņas atbalstītais process, izmantojot atbildes virsmas metodiku un „vārnu meklēšanas” algoritmu. Pētītie procesa mainīgie bija ultraskaņas impulss, ultraskaņas amplitūda, katalizatora koncentrācija un reakcijas temperatūra.
Optimizētie ultraskaņas procesa apstākļi bija šādi:
Sonicator sistēma: Hielscher UP400St zondes tipa ultraskaņas iekārta
Ultraskaņas impulss: 15 sekundes
Ultraskaņas amplitūda: 60 %
Katalizatora koncentrācija: viens ar pusi svara procenta
Reakcijas temperatūra: 100°C

Šajos optimizētajos apstākļos, izmantojot ultraskaņas palīdzību transesterifikācijas procesā, tika sasniegts pentaeritritola estera iznākums aptuveni 81,4 % apmērā. Salīdzinājumam — izmantojot tradicionālo transesterifikācijas metodi, pētījumā novērtētajos apstākļos tika iegūts tikai apmēram 47 % iznākums. Tas nozīmē, ka ultraskaņas apstrāde palielināja estera iznākumu par vairāk nekā 70 % salīdzinājumā ar tradicionālo metodi.
Eļļošanas līdzekļu ražotājiem šis ir ļoti nozīmīgs rezultāts. Augstāks iznākums nozīmē labāku izejvielu izmantošanu, blakusproduktu daudzuma samazināšanos, procesa rentabilitātes uzlabošanos un, iespējams, zemākas ražošanas izmaksas par vienu esteru bāzes eļļas kilogramu.

Estera veidošanās apstiprinājums

Arumugam u.c. (2019) pētījumā, izmantojot FTIR spektroskopiju un gāzes hromatogrāfiju, tika apstiprināta pentaeritritola estera veidošanās. FTIR analīze parādīja raksturīgos estera karbonila un estera C–O pīķus, savukārt papildu pīķi apstiprināja pentaeritritila grupas klātbūtni. Gāzes hromatogrāfija turklāt apstiprināja produkta sastāvu, tostarp monoestera, diestera, triestera un tetraestera frakcijas.
Bioloģisko smērvielu ražošanā šis analītiskais apstiprinājums ir svarīgs, jo smērvielas darbības rādītāji lielā mērā ir atkarīgi no estera sastāva. Spēja veicināt vēlamo estera struktūru veidošanos, izmantojot kontrolētu ultraskaņas transesterifikāciju, ražotājiem sniedz praktisku līdzekli, ar ko uzlabot bāzes eļļas kvalitāti un procesa stabilitāti.
 

Ultraskaņas ietekmē transesterificēta pentaeritritola estera FTIR spektrs
Pētījums un attēls: ©Arumugam et al., 2019

Hielscher ultraskaņas iekārtu priekšrocības smērvielu ražotājiem

Hielscher piedāvā pilnu ultraskaņas iekārtu klāstu, sākot no R&No D vienībām līdz pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām. Tas ļauj izstrādāt procesu laboratorijas mērogā un pēc tam to pārnest uz eksperimentālo un ražošanas mērogu, izmantojot tos pašus ultraskaņas pamatprincipus.
Visiem ultraskaņas ģeneratoriem ar jaudu 200 vati un vairāk ir digitālā vadība, programmējami iestatījumi, tālvadība, izmantojot pārlūku, automatizēta datu protokolēšana, pievienojami temperatūras un spiediena sensori, kā arī daudzas citas funkcijas, kas nodrošina maksimālu lietošanas ērtību un atkārtojamus rezultātus.
Rūpniecisko smērvielu ražošanai Hielscher piedāvājumā ietilpst kompakti laboratorijas ultraskaņas iekārtas priekšizpētei, eksperimentāla mēroga sistēmas procesa optimizācijai un rūpnieciskie ultraskaņas procesori, piemēram, UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT, kā arī lielākas daudzelementu iekārtas nepārtrauktai liela apjoma apstrādei.
Plūsmas reaktori ļauj kontrolēt uzturēšanās laiku, radīt spiedienu intensīvākas kavitācijas nodrošināšanai, regulēt temperatūru un integrēt tos esošajās esterifikācijas vai transesterifikācijas ražošanas līnijās.

Hielscher ultraskaņas procesori piedāvā nozīmīgas priekšrocības esteru un bioloģisko smērvielu sintēzē:

• precīza amplitūdas regulēšana, lai nodrošinātu atkārtojamu kavitācijas intensitāti
• regulējama pulsēšana, lai optimizētu enerģijas patēriņu un siltuma vadību
• augstas jaudas ultraskaņas apstrāde ar zondi, lai nodrošinātu tiešu un efektīvu enerģijas pārnesi reakcijas vidē
• partiju un nepārtrauktas plūsmas darbība elastīgai procesa izstrādei
• rūpnieciskā mērogojamība — no laboratorijas testēšanas līdz ražošanai ar lielu caurlaidspēju
• izturīga iekārtu konstrukcija, kas paredzēta prasīgām ķīmiskās pārstrādes vidēm

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

Ultraskaņas diesteru sintēze kā ražošanas stratēģija

Eļļu un tauku ultraskaņas transesterifikācijas procesa princips ir tieši saistīts ar ultraskaņas diesteru sintēzi un plašāku uz esteriem balstītu bioloģisko smērvielu ražošanu. Diesteri ir svarīgas sintētisko smērvielu bāzes vielas, pateicoties to labvēlīgajām viskozitātes un temperatūras īpašībām, smērspējai un īpašībām zemās temperatūrās. Tāpat kā citās esterifikācijas un transesterifikācijas reakcijās, diesteru sintēzē bieži vien palīdz uzlabots reaģentu kontakts, ātrāka masas pārnese un efektīvāka katalizatora izmantošana.
Tādējādi ultraskaņas apstrāde ir praktisks procesa intensifikācijas līdzeklis ražotājiem, kas ražo esterus no atjaunojamām izejvielām, taukskābju metilesteriem, spirtiem, polioliem vai citiem estera prekursoriem. Tā vietā, lai paļautos vienīgi uz siltumu un mehānisku maisīšanu, ultraskaņa nodrošina kavitācijas vadītu sajaukšanu mikroskopiskā līmenī, kur faktiski rodas daudzi reakcijas ierobežojumi.

Procesu inženieriem tas nozīmē, ka ultraskaņas reaktorus var izmantot, lai uzlabotu:

• reakcijas ātrums
• estera iznākums
• katalizatora efektivitāte
• disperģēšanas fāze/li>
• partiju savstarpējā atbilstība
• procesa kompaktsums
• energoefektivitāte salīdzinājumā ar ilgstošu tradicionālo apstrādi

Ultraskaņas transesterifikācijā pārveidošanās pakāpe pirmajās 1,5 minūtēs sasniedz aptuveni 75 % un pēc 6 minūtēm stabilizējas apmēram 90 % līmenī.
Tradicionālā metode uzrāda daudz lēnāku konversijas koeficientu, sasniedzot tikai aptuveni 40 % konversiju pēc 8 minūtēm.
Pētījums un attēls: ©Fayyazi et al., 2014

No laboratorijas pētījumiem līdz bioloģisko smērvielu ražošanai rūpnieciskā mērogā

Ar ultraskaņu atbalstīta transesterifikācija ir piemērota metode eļļošanas līdzekļu esteru ražošanai (piemēram, bioloģiskajai eļļai uz pentaeritritola estera bāzes), kas nodrošina labāku iznākumu un mazāku reakcijas intensitāti salīdzinājumā ar tradicionālo metodi. Arumugam et al. (2019) ziņoja par iznākuma pieaugumu no 47 % līdz aptuveni 81,4 %, kas skaidri liecina par ultraskaņas procesa intensifikācijas komerciālo nozīmi.
Smērvielu ražotājiem no tā izriet vienkāršs secinājums: ultraskaņas transesterifikācija var palīdzēt efektīvāk pārvērst atjaunojamos izejmateriālus augstas vērtības esteru bāzes eļļās. Izmantojot Hielscher ultraskaņas iekārtas, to pašu tehnoloģisko platformu, ko izmanto laboratorijas optimizācijā, var pielāgot nepārtrauktai rūpnieciskai ražošanai. Tādējādi ultraskaņas apstrāde kļūst ne tikai par pētniecības rīku, bet arī par dzīvotspējīgu ražošanas stratēģiju nākamās paaudzes bioloģiskajām smērvielām.
Integrējot Hielscher ultraskaņas reaktorus estera sintēzes līnijās, ražotāji var paātrināt transesterifikāciju, uzlabot iznākumu un izstrādāt ilgtspējīgākas smērvielu bāzes no augu eļļas atvasinātiem izejmateriāliem. Tā kā pieprasījums pēc bioloģiski noārdāmiem un atjaunojamiem smērvielu produktiem turpina pieaugt, ultraskaņas diesteru un poliolu esteru sintēze piedāvā efektīvu ceļu uz tīrāku, efektīvāku un komerciāli konkurētspējīgāku bioloģisko smērvielu ražošanu.

Literatūra / Atsauces