Produção de biolubrificantes: intensificação de processos com sonicação

A indústria dos lubrificantes está a entrar numa fase decisiva de inovação na formulação. À medida que os utilizadores industriais, os setores da mobilidade, os operadores marítimos e as aplicações ambientalmente sensíveis passam a adotar alternativas biodegradáveis e renováveis, os fabricantes de lubrificantes enfrentam uma pressão crescente para fornecer biolubrificantes de elevado desempenho sem comprometer o controlo da viscosidade, a estabilidade oxidativa, a proteção contra o desgaste ou a estabilidade de armazenamento a longo prazo. Os analistas de mercado registam um crescimento contínuo dos biolubrificantes, impulsionado pela procura de soluções lubrificantes biodegradáveis, com menores emissões e sustentáveis para aplicações nos transportes e na indústria.

Produção ultrassónica de biolubrificantes: intensificação de processos para lubrificantes sustentáveis

Neste contexto, o processamento ultrassónico, também conhecido como sonicação, está a ganhar relevância industrial como tecnologia de produção versátil para o fabrico de biolubrificantes. Os ultrassons de alta potência podem ser utilizados para dispersão ultrassónica, transesterificação sonoquímica, emulsificação e preparação de partículas de microgel, proporcionando aos responsáveis pela formulação uma ferramenta robusta para melhorar tanto a conversão química como a qualidade física da formulação. Isto faz da sonicação uma técnica de processamento altamente eficiente utilizada em óleos biolubrificantes, massas biolubrificantes, biolubrificantes à base de água e lubrificantes de grau alimentar.

Porque é importante o processamento ultrassónico para os fabricantes de biolubrificantes

Os biolubrificantes assentam frequentemente em sistemas complexos de matérias-primas: óleos vegetais, ésteres sintéticos, polímeros de base biológica, derivados de celulose, aditivos funcionais, antioxidantes, inibidores de corrosão, agentes antidesgaste, modificadores de atrito e fases à base de água ou do tipo emulsão. Estes ingredientes podem diferir significativamente em termos de polaridade, viscosidade, tamanho de partícula, solubilidade e comportamento interfacial. Os misturadores convencionais, os sistemas rotor-estator ou a agitação prolongada por lotes podem nem sempre fornecer uma densidade de energia suficiente para produzir dispersões finas e estáveis ou reações interfaciais rápidas.
A sonicação responde a estes desafios através da cavitação acústica. Quando se introduzem ultrassons de alta intensidade em líquidos, formam-se bolhas microscópicas de cavitação que crescem e colapsam. Isto cria um elevado cisalhamento localizado, micromistura intensa, turbulência, desaglomeração de partículas e zonas reativas que podem acelerar a transferência de massa e as reações químicas. Na investigação sobre transesterificação, os ultrassons têm sido amplamente estudados como forma de superar a cinética de reação lenta e o contacto ineficiente entre as fases de óleo e de álcool.
Para os fabricantes de lubrificantes, isto significa que os ultrassons não são apenas um método de homogeneização laboratorial. São uma tecnologia de intensificação de processos que pode apoiar a produção de formulações lubrificantes de base biológica mais estáveis, mais uniformes e mais eficientes.
 

Um dispersor ultrassónico do tipo sonda produz biolubrificantes de elevado desempenho.
(Estudo e imagem: Liu et al., 2020)

Dispersão ultrassónica de aditivos lubrificantes de base biológica

Um desafio fundamental na formulação de biolubrificantes é a incorporação homogénea de aditivos de base biológica. Materiais como a carboximetilcelulose, as nanofibras de celulose, os biopolímeros, as gomas naturais, os derivados de lignina, os espessantes de base biológica e as nanopartículas funcionais podem influenciar fortemente a viscosidade, a lubricidade, o desempenho antidesgaste, a formação de película e a estabilidade da suspensão. No entanto, estes materiais tendem frequentemente a aglomerar-se, a hidratar-se lentamente ou a formar estruturas de gel não uniformes.
A dispersão ultrassónica ajuda os fabricantes a reduzir os aglomerados e a distribuir os aditivos de forma mais uniforme por toda a matriz lubrificante. Isto é particularmente valioso para lubrificantes à base de água, nanolubrificantes, sistemas semelhantes a massas lubrificantes e biolubrificantes à base de emulsões. A investigação recente sobre sistemas à base de celulose mostra que a sonicação pode afetar significativamente o comportamento de dispersão, a reologia e a estrutura da rede, tornando-a uma ferramenta de processamento útil para ajustar formulações que contêm celulose.

Para os fabricantes de lubrificantes, uma melhor dispersão pode traduzir-se em:

• Viscosidade e comportamento reológico mais consistentes
• Maior eficiência dos aditivos com dosagens mais baixas
• Redução da sedimentação, da separação de fases ou dos sólidos flutuantes
• Desempenho tribológico mais reprodutível
• Tempos de processamento mais curtos em comparação com a agitação mecânica prolongada

A carboximetilcelulose é especialmente relevante por ser amplamente utilizada como derivado de celulose com propriedades úteis de viscosidade, de superfície e de formação de película. Nos sistemas lubrificantes, a sonicação pode ajudar a integrar a CMC e outros biopolímeros em formulações aquosas ou em emulsão estáveis, apoiando o desenvolvimento de lubrificantes com melhor desempenho ambiental, comportamento de escoamento controlado e maior estabilidade da formulação.
 

Biolubrificantes com carboximetilcelulose dispersa por ultrassons. A dispersão ultrassónica produz nanobiolubrificantes estáveis a longo prazo
Estudo e imagens: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transesterificação sonoquímica para biolubrificantes à base de diésteres e de ésteres

Os ésteres estão entre os fluidos de base mais importantes para biolubrificantes de elevado desempenho. Podem oferecer boa lubricidade, elevado índice de viscosidade, biodegradabilidade e um comportamento favorável a baixas temperaturas, dependendo da matéria-prima e da estrutura molecular. Os diésteres e os ésteres de polióis são particularmente importantes para aplicações como fluidos hidráulicos, óleos para compressores, fluidos para trabalho de metais, óleos para motosserras, lubrificantes marítimos e lubrificantes industriais especiais.
Uma aplicação promissora dos ultrassons é a preparação sonoquímica de ésteres por transesterificação. Na transesterificação convencional, reagentes imiscíveis como óleos e álcoois exigem frequentemente mistura intensiva, temperaturas elevadas, catalisadores e tempos de reação prolongados. Os ultrassons melhoram a transferência de massa ao criar emulsões finas entre as fases dos reagentes e ao renovar continuamente a interface onde ocorre a reação.
A transesterificação assistida por sonicação é uma técnica estabelecida com vantagens bem comprovadas, como velocidades de reação mais elevadas, melhor contacto entre fases, tempos de separação mais curtos, rendimentos elevados e menor formação de resíduos em condições adequadas. Os fabricantes de lubrificantes utilizam o método de transesterificação ultrassónica para produzir componentes de biolubrificantes à base de ésteres, incluindo diésteres e outras estruturas de ésteres funcionais.

A transesterificação ultrassónica ajuda os fabricantes a:

• Melhorar o contacto entre as fases de óleo, álcool e catalisador
• Reduzir o tempo de reação através da intensificação da transferência de massa interfacial
• Favorecer janelas de processamento a temperaturas mais baixas ou com maior eficiência energética
• Melhorar a consistência da conversão na produção por lotes ou contínua
• Permitir conceções de reatores compactos para uma produção de ésteres escalável

Para as empresas que produzem bases para biolubrificantes, os ultrassons oferecem uma via para intensificar os processos de esterificação e transesterificação, apoiando simultaneamente um fabrico mais limpo e mais eficiente.

Emulsificação ultrassónica de formulações lubrificantes

Muitos biolubrificantes modernos não são simples óleos monofásicos. Podem incluir emulsões de água em óleo, emulsões de óleo em água, concentrados de aditivos, dispersões de ceras, sistemas modificados com polímeros ou conjuntos multifásicos complexos. A qualidade destas emulsões tem um impacto direto na estabilidade de armazenamento, na lubricidade, no desempenho de arrefecimento, na proteção contra a corrosão e no comportamento durante a aplicação.
A emulsificação ultrassónica é altamente eficaz porque a cavitação gera forças locais intensas de cisalhamento que fragmentam as gotículas, reduzindo o seu tamanho e criando distribuições estreitas de tamanhos de gotícula. No fabrico de lubrificantes, isto pode ser utilizado para emulsionar óleos de base biológica, fases de ésteres, fases aquosas, tensioativos, estabilizadores poliméricos e aditivos funcionais em formulações estáveis.

Isto é particularmente relevante para:

• Biolubrificantes à base de água
• Fluidos para trabalho de metais e fluidos de corte
• Fluidos hidráulicos com componentes renováveis
• Massas lubrificantes do tipo emulsão e lubrificantes semissólidos
• Concentrados de aditivos e pré-dispersões
• Sistemas lubrificantes que contêm biopolímeros ou derivados de celulose

A emulsificação fina melhora a estabilidade física das formulações lubrificantes e pode reduzir a necessidade de quantidades excessivas de tensioativos. Para os fabricantes, isto oferece vantagens tanto em termos de desempenho como de custos: maior estabilidade, utilização mais eficiente dos aditivos e maior flexibilidade de formulação.

Sonicação para partículas de microgel em emulsão

Outra área emergente é a produção de partículas de microgel em emulsão para formulações lubrificantes avançadas. Os microgéis podem atuar como modificadores de reologia, veículos para ingredientes ativos, modificadores de atrito ou agentes estruturantes responsivos. Nos sistemas lubrificantes de base biológica, as partículas de microgel podem ser produzidas a partir de polímeros naturais, celulose modificada, polissacáridos, proteínas ou outros sistemas poliméricos renováveis.
O processamento ultrassónico apoia a preparação de microgéis ao permitir a emulsificação controlada, a redução do tamanho das gotículas, a dispersão de polímeros e a estruturação de fases. Os mesmos mecanismos induzidos pela cavitação que produzem emulsões finas também podem ajudar a criar pequenas gotículas precursoras uniformes ou domínios poliméricos dispersos que são posteriormente gelificados, reticulados ou estabilizados.

Otimize a sua produção de biolubrificantes com sonicação

Uma das questões mais importantes para os fabricantes de lubrificantes é saber se o processamento ultrassónico pode ser integrado de forma fiável nas linhas de produção. Com os sonicadores Hielscher, a resposta é claramente sim. Os sonicadores Hielscher de elevado desempenho são concebidos para funcionamento contínuo, processamento em linha e integração harmoniosa nas linhas de produção existentes, tornando-os uma solução potente e fiável para o fabrico industrial de biolubrificantes.
Numa instalação industrial típica, a pré-mistura lubrificante, a suspensão de aditivos, a mistura reacional de óleo e álcool ou a emulsão de alimentação é bombeada através de uma célula de fluxo ultrassónica, onde é exposta a energia ultrassónica controlada com precisão. Os principais parâmetros do processo, como amplitude, pressão, temperatura, caudal, tempo de residência e energia específica fornecida, podem ser ajustados e monitorizados com precisão e são documentados automaticamente. Este elevado nível de controlo proporciona aos fabricantes de lubrificantes a segurança do processo necessária para uma qualidade de formulação reprodutível, protocolos de produção validados e uma ampliação de escala consistente, desde os ensaios de I&D até à produção-piloto e à capacidade total de processamento industrial.
Para os produtores de biolubrificantes, esta escalabilidade é especialmente importante porque os requisitos de formulação estão a tornar-se mais exigentes. Os clientes esperam produtos sustentáveis, mas também esperam um desempenho igual ou superior ao dos lubrificantes convencionais à base de petróleo. Os sonicadores Hielscher ajudam os fabricantes a colmatar esta diferença ao combinar potência, fiabilidade, capacidade de controlo e escalabilidade linear numa única plataforma ultrassónica robusta. Estas vantagens fazem dos sonicadores Hielscher a escolha preferida das empresas que necessitam de sonicação de nível industrial para formulações lubrificantes de base biológica de elevada qualidade.

 
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos aparelhos ultrassónicos:

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os aparelhos ultrassónicos Hielscher são conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos aparelhos ultrassónicos em instalações industriais. Os aparelhos ultrassónicos Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada segundo normas ISO e dá especial importância a aparelhos ultrassónicos de elevado desempenho que incorporam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os aparelhos ultrassónicos Hielscher cumprem os requisitos CE e os requisitos de UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / Referências

• 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.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• Mosleh, Mohsen; Atnafu, Neway; Belk, John; Nobles, Orval (2009): Modification of sheet metal forming fluids with dispersed nanoparticles for improved lubrication. Wear 267, 2009. 1220-1225.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.