Produção de biolubrificantes: intensificação do processo através da sonicação

A indústria dos lubrificantes está a entrar numa fase decisiva de inovação em termos de formulação. À medida que os utilizadores industriais, os setores da mobilidade, os operadores marítimos e as aplicações sensíveis do ponto de vista ambiental avançam para alternativas biodegradáveis e renováveis, os fabricantes de lubrificantes estão sob pressão crescente para fornecer biolubrificantes de alto 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 apontam para um crescimento contínuo dos biolubrificantes, impulsionado pela procura de soluções de lubrificação biodegradáveis, com menores emissões e sustentáveis, em aplicações de transporte e industriais.

Produção por ultrassons de biolubrificantes: intensificação do processo para a obtenção de 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. O ultrassom de alta potência pode ser utilizado para a dispersão ultrassónica, a transesterificação sonoquímica, a emulsificação e a preparação de partículas de microgel, proporcionando aos formuladores uma ferramenta robusta para melhorar tanto a conversão química como a qualidade física da formulação. Isto torna a sonicação uma técnica de processamento altamente eficiente utilizada em óleos biolubrificantes, massas lubrificantes biolubrificantes, biolubrificantes à base de água e lubrificantes de qualidade alimentar.

Por que razão o processamento ultrassónico é importante para os fabricantes de biolubrificantes

Os biolubrificantes dependem frequentemente de sistemas complexos de matérias-primas: óleos vegetais, ésteres sintéticos, polímeros de base biológica, derivados da 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 das partículas, solubilidade e comportamento interfacial. Os misturadores convencionais, os sistemas rotor-estator ou a agitação prolongada em lotes podem nem sempre fornecer densidade energética suficiente para produzir dispersões finas e estáveis ou reações interfaciais rápidas.
A sonicação dá resposta a estes desafios através da cavitação acústica. Quando se introduz ultrassom de alta intensidade em líquidos, formam-se bolhas de cavitação microscópicas, que crescem e colapsam. Isto cria um elevado cisalhamento localizado, uma micromistura intensa, turbulência, desaglomeração de partículas e zonas reativas que podem acelerar a transferência de massa e as reações químicas. Na investigação sobre a transesterificação, o ultrassom tem sido amplamente estudado como forma de superar a cinética de reação lenta e o contacto ineficiente entre as fases oleosa e alcoólica.
Para os fabricantes de lubrificantes, isto significa que o ultrassom não é apenas um método de homogeneização laboratorial. Trata-se de uma tecnologia de intensificação de processos capaz de apoiar a produção de formulações de lubrificantes de base biológica mais estáveis, mais uniformes e mais eficientes.
 

Os dispersores ultrassónicos do tipo sonda permitem a produção de biolubrificantes de alto desempenho.
(Estudo e imagem: Liu et al., 2020)

Dispersão por ultrassons de aditivos lubrificantes de origem biológica

Um dos principais desafios na formulação de biolubrificantes é a incorporação homogénea de aditivos de origem biológica. Materiais como a carboximetilcelulose, as nanofibras de celulose, os biopolímeros, as gomas naturais, os derivados da lignina, os espessantes de origem biológica e as nanopartículas funcionais podem influenciar significativamente a viscosidade, a lubrificação, 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 por ultrassons ajuda os fabricantes a reduzir os aglomerados e a distribuir os aditivos de forma mais uniforme por toda a matriz do lubrificante. Isto é particularmente valioso para lubrificantes à base de água, nanolubrificantes, sistemas semelhantes a massas lubrificantes e biolubrificantes à base de emulsão. Estudos recentes sobre sistemas à base de celulose demonstram 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 do aditivo com doses mais baixas
• Redução da sedimentação, separação de fases ou sólidos flutuantes
• Desempenho tribológico mais reprodutível
• Tempos de processamento mais curtos em comparação com a agitação mecânica prolongada

A carboximetilcelulose reveste-se de especial importância, uma vez que é amplamente utilizada como derivado da celulose, apresentando propriedades úteis em termos de viscosidade, superfície e formação de película. Nos sistemas lubrificantes, a sonicação pode ajudar a integrar a CMC e outros biopolímeros em formulações aquosas ou em emulsão estáveis, contribuindo para o desenvolvimento de lubrificantes mais ecológicos, com comportamento de fluxo controlado e maior estabilidade da formulação.
 

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

Transesterificação sonoquímica para biolubrificantes à base de diésteres e ésteres

Os ésteres estão entre os fluidos de base mais importantes para os biolubrificantes de alto desempenho. Podem oferecer boa lubrificação, 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 poliol são particularmente importantes para aplicações como fluidos hidráulicos, óleos para compressores, fluidos para trabalho de metais, óleos para motosserras, lubrificantes marítimos e lubrificantes industriais especializados.
Uma aplicação promissora do ultrassom é a preparação sonoquímica de ésteres por transesterificação. Na transesterificação convencional, os reagentes imiscíveis, como óleos e álcoois, exigem frequentemente uma mistura intensiva, temperaturas elevadas, catalisadores e tempos de reação prolongados. O ultrassom melhora a transferência de massa ao criar emulsões finas entre as fases dos reagentes e ao renovar continuamente a interface onde a reação ocorre.
A transesterificação assistida por ultrassons é uma técnica consolidada e comprovada pelas suas vantagens, tais como velocidades de reação mais rápidas, melhor contacto entre as fases, tempos de separação mais curtos, rendimentos elevados e redução da formação de resíduos em condições adequadas. Os fabricantes de lubrificantes utilizam o método de transesterificação por ultrassons para produzir componentes de biolubrificantes à base de ésteres, incluindo diésteres e outras estruturas funcionais de ésteres.

A transesterificação por ultrassons ajuda os fabricantes a:

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

Para as empresas que produzem matérias-primas para biolubrificantes, o ultrassom oferece uma forma de intensificar os processos de esterificação e transesterificação, contribuindo simultaneamente para uma produção mais limpa e eficiente.

Emulsificação por ultrassons de formulações de lubrificantes

Muitos biolubrificantes modernos não são simples óleos monofásicos. Podem incluir emulsões do tipo água-em-óleo, emulsões do tipo óleo-em-água, concentrados de aditivos, dispersões de cera, sistemas modificados com polímeros ou formulações multifásicas complexas. A qualidade destas emulsões tem um impacto direto na estabilidade de armazenamento, na lubrificação, no desempenho de arrefecimento, na proteção contra a corrosão e no comportamento de aplicação.
A emulsificação por ultrassons é altamente eficaz, uma vez que a cavitação gera forças de cisalhamento locais intensas que fragmentam as gotículas em tamanhos mais pequenos e criam distribuições estreitas do tamanho das gotículas. No fabrico de lubrificantes, este processo pode ser utilizado para emulsionar óleos de base biológica, fases de éster, fases aquosas, tensioativos, estabilizadores poliméricos e aditivos funcionais, obtendo-se formulações estáveis.

Isto é particularmente relevante para:

• biolubrificantes à base de água
• Fluidos para metalurgia e fluidos de corte
• Fluidos hidráulicos com componentes renováveis
• Graxas do tipo emulsão e lubrificantes semissólidos
• Concentrados de aditivos e pré-dispersões
• Sistemas lubrificantes que contêm biopolímeros ou derivados da celulose

Uma emulsificação fina melhora a estabilidade física das formulações de lubrificantes e pode reduzir a necessidade de uma dosagem excessiva 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 na formulação.

Sonicação para a produção de partículas de microgel em emulsão

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

Otimize a sua produção de biolubrificantes com a 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 da Hielscher, a resposta é claramente sim. Os sonicadores de alto desempenho da Hielscher são concebidos para funcionamento contínuo, processamento em linha e integração perfeita nas linhas de produção existentes, tornando-os uma solução potente e fiável para o fabrico industrial de biolubrificantes.
Num ambiente industrial típico, a pré-mistura de lubrificante, a pasta de aditivos, a mistura de reação óleo-álcool ou a alimentação de emulsão é bombeada através de uma célula de fluxo ultrassónica, onde é exposta a energia ultrassónica controlada com precisão. Parâmetros-chave do processo, tais como amplitude, pressão, temperatura, caudal, tempo de residência e entrada de energia específica, podem ser ajustados com precisão, monitorizados e são automaticamente documentados. Este elevado nível de controlabilidade proporciona aos fabricantes de lubrificantes a segurança de processo necessária para uma qualidade de formulação reprodutível, protocolos de produção validados e um aumento de escala consistente desde a fase de I&D&Ensaios D para a produção-piloto e a produção industrial em grande escala.
Para os produtores de biolubrificantes, esta escalabilidade é especialmente importante, uma vez que os requisitos de formulação estão a tornar-se cada vez 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 da Hielscher ajudam os fabricantes a colmatar esta lacuna, combinando potência, fiabilidade, controlabilidade e escalabilidade linear numa única plataforma ultrassónica robusta. Estas vantagens tornam os sonicadores da Hielscher a escolha preferida para empresas que necessitam de sonicação de nível industrial para formulações de lubrificantes de base biológica de alta qualidade.

 
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

Literatura / Referências