Síntese de diésteres por ultrassons para a produção de biolubrificantes de alto desempenho

A transição dos lubrificantes derivados do petróleo para lubrificantes à base de ésteres, renováveis, biodegradáveis e de alto desempenho, está a acelerar em todos os setores industriais. Os fabricantes de lubrificantes estão sob pressão crescente para reduzir o impacto ambiental, mantendo simultaneamente critérios de desempenho exigentes, tais como elevado índice de viscosidade, baixa volatilidade, boa lubrificação, estabilidade térmica e comportamento fiável a baixas temperaturas. Neste contexto, a transesterificação por ultrassons oferece uma estratégia poderosa de intensificação do processo para a síntese de matérias-primas à base de ésteres utilizadas nas formulações modernas de biolubrificantes.

Transesterificação por ultrassons de diésteres para biolubrificantes

A transesterificação por ultrassons de óleos e gorduras vegetais é uma técnica sustentável que melhora significativamente o rendimento de ésteres, reduz as limitações do processo e torna a via da transesterificação mais atrativa para a produção industrial de lubrificantes. Os sonicadores de sonda da Hielscher são utilizados para a síntese eficiente de ésteres na produção em linha, sob condições de processo controladas.

Síntese de biolubrificantes por transesterificação

Os óleos vegetais são matérias-primas atraentes para a produção de biolubrificantes, uma vez que são renováveis, biodegradáveis e possuem boa lubrificação. No entanto, os óleos vegetais não tratados apresentam frequentemente uma estabilidade oxidativa limitada e propriedades deficientes a baixas temperaturas. Uma estratégia comum para superar estas desvantagens consiste na conversão de ésteres metílicos derivados de óleos vegetais em ésteres de polióis, tais como os ésteres de pentaeritritol, através da transesterificação.
No estudo “Otimização, com base nos algoritmos RSM e Crow Search, dos parâmetros do processo de transesterificação por ultrassons na síntese de biolubrificantes à base de ésteres de poliol” Segundo Arumugam et al., o óleo de colza foi primeiro convertido em éster metílico de óleo de colza. Numa segunda etapa, este éster metílico foi submetido a reação com pentaeritritol na presença de um catalisador de ácido p-toluenossulfónico e de xileno como solvente. O produto pretendido era um éster de pentaeritritol adequado como óleo base para biolubrificantes. Esta reação é altamente relevante para os fabricantes de lubrificantes, uma vez que os ésteres de polióis são amplamente utilizados como óleos base sintéticos para óleos de compressores, fluidos hidráulicos, óleos de refrigeração e outras aplicações de lubrificantes de alto desempenho.
O principal desafio na transesterificação convencional reside no facto de a reação ser frequentemente limitada por uma fraca transferência de massa entre os reagentes. Os ésteres metílicos, os polióis e os catalisadores nem sempre formam um sistema de reação homogéneo ideal. A agitação convencional pode exigir tempos de reação longos, temperaturas elevadas e um consumo de energia elevado, produzindo, ainda assim, rendimentos moderados. É aqui que o processamento ultrassónico oferece uma vantagem decisiva.

Fluxograma do processo de transesterificação por ultrassons do éster de pentaeritritol
Estudo e gráfico: ©Arumugam et al., 2019

Como a transesterificação por ultrassons intensifica a síntese de ésteres

A transesterificação por ultrassons utiliza ultrassons de alta intensidade para criar cavitação acústica no meio de reação líquido. A cavitação gera bolhas microscópicas que crescem e colapsam violentamente. Isto produz forças de cisalhamento locais intensas, microjatos, fluxo acústico e microemulsificação.
No que diz respeito à síntese de ésteres, estes efeitos são extremamente valiosos porque:

• reduzir o tamanho das gotículas e melhorar o contacto entre as fases
• aumentar a área interfacial entre reagentes imiscíveis ou pouco miscíveis
• melhorar a acessibilidade do catalisador
• Acelerar a transferência de massa
• melhorar a cinética da reação
• favorecer um maior rendimento de ésteres em condições otimizadas

O estudo explica que a turbulência induzida pela cavitação e as microemulsões superam as limitações de transferência de massa da transesterificação convencional. Consequentemente, os reagentes são dispersos de forma mais eficaz e a reação catalítica decorre mais rapidamente e de forma mais completa.

Resultados do estudo: maior rendimento de ésteres com o uso de ultrassons

O estudo otimizou o processo assistido por ultrassons utilizando a metodologia da superfície de resposta e um algoritmo de pesquisa do corvo. As variáveis do processo investigadas foram o impulso ultrassónico, a amplitude ultrassónica, a concentração do catalisador e a temperatura de reação.
As condições otimizadas do processo ultrassónico foram:
Sistema Sonicator: Sonicador de sonda Hielscher UP400St
Impulso ultrassónico: 15 segundos
Amplitude ultra-sónica: 60%
Concentração do catalisador: um e meio por cento em peso
Temperatura de reação: 100°C

Nestas condições otimizadas, a transesterificação assistida por ultrassons alcançou um rendimento de éster de pentaeritritol de aproximadamente 81,4%. Em comparação, o processo convencional de transesterificação produziu apenas cerca de 47% de rendimento nas condições avaliadas no estudo. Isto significa que o processamento ultrassónico aumentou o rendimento do éster em mais de 70% em relação ao processo convencional.
Para os fabricantes de lubrificantes, este é um resultado extremamente relevante. Um rendimento mais elevado significa uma melhor utilização das matérias-primas, uma redução dos resíduos, uma melhor rentabilidade do processo e, potencialmente, um custo de produção mais baixo por quilograma de óleo base de éster.

Confirmação da formação de ésteres

O estudo de Arumugam et al. (2019) confirmou a formação de éster de pentaeritritol através da espectroscopia FTIR e da cromatografia gasosa. A análise FTIR revelou picos característicos de carbonilo de éster e de C–O de éster, enquanto picos adicionais confirmaram a presença do grupo pentaeritritilo. A cromatografia gasosa confirmou ainda a composição do produto, incluindo frações de monoéster, diéster, triéster e tetraéster.
No que diz respeito à produção de biolubrificantes, esta confirmação analítica é importante, uma vez que o desempenho do lubrificante depende fortemente da composição dos ésteres. A capacidade de promover a formação das estruturas de ésteres pretendidas através da transesterificação ultrassónica controlada proporciona aos fabricantes uma ferramenta prática para melhorar a qualidade do óleo base e a consistência do processo.
 

Espectro FTIR do éster de pentaeritritol transesterificado por via ultrassónica
Estudo e gráfico: ©Arumugam et al., 2019

Vantagens dos sonicadores Hielscher para os fabricantes de lubrificantes

A Hielscher oferece uma gama completa de sonicadores, desde o modelo R&Desde unidades D até sistemas ultrassónicos totalmente industriais. Isto permite que um processo seja desenvolvido à escala laboratorial e, posteriormente, transferido para a escala piloto e de produção, utilizando os mesmos princípios fundamentais da ultrassónica.
Todos os sonicadores com potência igual ou superior a 200 watts dispõem de controlo digital, configurações programáveis, operação remota através de navegador, registo automático de dados, sensores de temperatura e pressão conectáveis e muito mais, para garantir a máxima facilidade de utilização e resultados repetíveis.
Para a produção de lubrificantes industriais, a gama da Hielscher inclui sonicadores de laboratório compactos para estudos de viabilidade, sistemas em escala-piloto para otimização de processos e processadores ultrassónicos industriais, tais como o UIP500hdT, o UIP1000hdT, o UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT e instalações maiores com várias unidades para o processamento contínuo de grandes volumes.
Os reatores de fluxo contínuo permitem controlar o tempo de permanência, a pressurização para uma cavitação mais intensa, a gestão da temperatura e a integração em linha nas linhas de produção existentes de esterificação ou transesterificação.

Os processadores ultrassónicos da Hielscher oferecem vantagens importantes para a síntese de ésteres e biolubrificantes:

• controlo preciso da amplitude para uma intensidade de cavitação reprodutível
• pulsação ajustável para otimizar o consumo de energia e a gestão térmica
• sonicação com sonda de alta potência para uma transferência direta e eficiente de energia para o meio de reação
• operação em lote e em fluxo contínuo para um desenvolvimento flexível do processo
• escalabilidade industrial, desde os ensaios laboratoriais até à produção em grande escala
• concepção robusta de equipamentos para ambientes exigentes de processamento químico

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

Síntese de diésteres por ultrassons como estratégia de fabrico

O princípio do processo de transesterificação ultrassónica de óleos e gorduras está diretamente relacionado com a síntese ultrassónica de diésteres e com a produção mais ampla de biolubrificantes à base de ésteres. Os diésteres são importantes matérias-primas para lubrificantes sintéticos devido ao seu comportamento favorável em termos de viscosidade-temperatura, lubrificação e propriedades a baixas temperaturas. Tal como outras reações de esterificação e transesterificação, a síntese de diésteres beneficia frequentemente de um melhor contacto entre os reagentes, de uma transferência de massa mais rápida e de uma utilização mais eficaz do catalisador.
A ultrassonação é, portanto, uma ferramenta prática de intensificação para os fabricantes que produzem ésteres a partir de matérias-primas renováveis, ésteres metílicos de ácidos gordos, álcoois, polióis ou outros precursores de ésteres. Em vez de depender exclusivamente do calor e da agitação mecânica, o ultrassom introduz uma mistura induzida por cavitação a nível microscópico, onde, na verdade, ocorrem muitas das limitações da reação.

Para os engenheiros de processo, isto significa que os reatores ultrassónicos podem ser utilizados para melhorar:

• taxa de reação
• rendimento de éster
• eficiência do catalisador
• fase de dispersão/li>
• consistência entre lotes
• compacidade do processo
• eficiência energética em comparação com o processamento convencional prolongado

A transesterificação por ultrassons atinge uma conversão de aproximadamente 75 % nos primeiros 1,5 minutos e estabiliza em cerca de 90 % de conversão após 6 minutos.
O método convencional apresenta uma taxa de conversão muito mais lenta, atingindo apenas cerca de 40% de conversão após 8 minutos.
Estudo e gráfico: ©Fayyazi et al., 2014

Do estudo laboratorial à produção industrial de biolubrificantes

A transesterificação assistida por ultrassons é um método adequado para a produção de ésteres para lubrificantes (tais como o biolubrificante à base de ésteres de pentaeritritol), com um rendimento melhorado e uma severidade de reação reduzida em comparação com a via convencional. Arumugam et al. (2019) relataram um aumento do rendimento de 47% para aproximadamente 81,4%, o que demonstra claramente a relevância comercial da intensificação do processo por ultrassons.
Para os fabricantes de lubrificantes, as implicações são claras: a transesterificação por ultrassons pode ajudar a converter matérias-primas renováveis em óleos-base de éster de elevado valor de forma mais eficiente. Com os sonicadores da Hielscher, a mesma plataforma tecnológica utilizada na otimização laboratorial pode ser adaptada à operação industrial contínua. Isto torna o processamento ultrassónico não só uma ferramenta de investigação, mas também uma estratégia de fabrico viável para os biolubrificantes da próxima geração.
Ao integrarem os reatores ultrassónicos da Hielscher nas linhas de síntese de ésteres, os fabricantes podem intensificar a transesterificação, melhorar os rendimentos e desenvolver matérias-primas para lubrificantes mais sustentáveis a partir de matérias-primas derivadas de óleos vegetais. À medida que a procura por lubrificantes biodegradáveis e renováveis continua a crescer, a síntese ultrassónica de diésteres e ésteres de polióis oferece um caminho promissor para uma produção de biolubrificantes mais limpa, mais eficiente e comercialmente competitiva.

Literatura / Referências