Sinteza diesterilor prin ultrasunete pentru producția de biolubrifianți de înaltă performanță

Trecerea de la lubrifianții derivați din petrol la lubrifianți pe bază de esteri, regenerabili, biodegradabili și de înaltă performanță, se accelerează în toate sectoarele industriale. Producătorii de lubrifianți se confruntă cu o presiune din ce în ce mai mare de a reduce impactul asupra mediului, menținând în același timp criterii exigente de performanță, precum un indice de vâscozitate ridicat, volatilitate scăzută, lubrifiere bună, stabilitate termică și comportament fiabil la temperaturi scăzute. În acest context, transesterificarea cu ultrasunete oferă o strategie puternică de intensificare a procesului pentru sinteza materiilor prime pe bază de esteri utilizate în formulele moderne de biolubrifianți.

Transesterificarea cu ultrasunete a diesterilor pentru biolubrifianți

Transesterificarea cu ultrasunete a uleiurilor și grăsimilor vegetale este o tehnică durabilă care îmbunătățește semnificativ randamentul de esteri, reduce limitările de procesare și face ca procesul de transesterificare să devină mai atractiv pentru producția industrială de lubrifianți. Sonicatoarele de tip sondă Hielscher sunt utilizate pentru sinteza eficientă a esterilor în cadrul producției în linie, în condiții de proces controlate.

Sinteza biolubrifianților prin transesterificare

Uleiurile vegetale reprezintă materii prime atractive pentru biolubrifianți, deoarece sunt regenerabile, biodegradabile și au o lubrifiere bună. Cu toate acestea, uleiurile vegetale netratate prezintă adesea o stabilitate oxidativă limitată și proprietăți slabe la temperaturi scăzute. O strategie obișnuită de a depăși aceste dezavantaje este transformarea esterilor metilici derivați din uleiuri vegetale în esteri de poliol, cum ar fi esterii de pentaeritritol, prin transesterificare.
În cadrul studiului “Optimizarea parametrilor procesului de transesterificare cu ultrasunete, bazată pe algoritmii RSM și Crow, în vederea sintezei unui biolubrifiant pe bază de esteri de poliol” Conform studiului realizat de Arumugam și colab., uleiul de rapiță a fost mai întâi transformat în ester metilic de ulei de rapiță. Într-o a doua etapă, acest ester metilic a fost supus unei reacții cu pentaeritritol în prezența unui catalizator pe bază de acid p-toluen-sulfonic și a xilenului ca solvent. Produsul țintă a fost un ester de pentaeritritol adecvat ca ulei de bază pentru biolubrifianți. Această reacție prezintă o importanță deosebită pentru producătorii de lubrifianți, deoarece esterii de poliol sunt utilizați pe scară largă ca uleiuri de bază sintetice pentru lubrifianți, precum uleiurile pentru compresoare, fluidele hidraulice, uleiurile de refrigerare și alte aplicații de lubrifianți de înaltă performanță.
Principala provocare în cazul transesterificării convenționale constă în faptul că reacția este adesea limitată de un transfer de masă deficitar între reactanți. Esterii metilici, poliolii și catalizatorii nu formează întotdeauna un sistem de reacție omogen ideal. Agitarea convențională poate necesita timpi de reacție îndelungați, temperaturi ridicate și un consum ridicat de energie, obținându-se totuși randamente moderate. Aici procesarea cu ultrasunete oferă un avantaj decisiv.

Diagrama de flux a procesului de transesterificare cu ultrasunete a esterului de pentaeritritol
Studiu și grafic: ©Arumugam et al., 2019

Cum intensifică transesterificarea cu ultrasunete sinteza esterilor

Transesterificarea cu ultrasunete utilizează ultrasunete de intensitate ridicată pentru a genera cavitație acustică în mediul lichid de reacție. Cavitația generează bule microscopice care se măresc și se sparg violent. Acest proces produce forțe de forfecare locale intense, microjeturi, curenți acustici și microemulsificare.
În cazul sintezei esterilor, aceste efecte sunt extrem de valoroase, deoarece:

• reducerea dimensiunii picăturilor și îmbunătățirea contactului între faze
• creșterea suprafeței interfaciale dintre reactanții imiscibili sau slab miscibili
• îmbunătățirea accesibilității catalizatorului
• Accelerarea transferului de masă
• îmbunătățirea cineticii reacției
• să asigure un randament mai mare de esteri în condiții optimizate

Studiul explică faptul că turbulența indusă de cavitație și microemulsiile depășesc limitările legate de transferul de masă ale transesterificării convenționale. Drept urmare, reactanții sunt dispersați mai eficient, iar reacția catalitică se desfășoară mai rapid și mai complet.

Rezultatele studiului: Randament mai mare de esteri cu ajutorul ultrasunetelor

Studiul a optimizat procesul asistat de ultrasunete folosind metodologia suprafeței de răspuns și un algoritm de tip „crow search”. Variabilele de proces analizate au fost impulsul ultrasonic, amplitudinea ultrasonică, concentrația catalizatorului și temperatura de reacție.
Condițiile optimizate ale procesului cu ultrasunete au fost următoarele:
Sistemul Sonicator: Sonicator cu sondă Hielscher UP400St
Impuls ultrasonic: 15 secunde
Amplitudine ultrasonică: 60 %
Concentrația catalizatorului: un procent și jumătate din greutate
Temperatura de reacție: 100°C

În aceste condiții optimizate, transesterificarea asistată de ultrasunete a atins un randament al esterului de pentaeritritol de aproximativ 81,4%. Prin comparație, metoda convențională de transesterificare a produs un randament de doar aproximativ 47% în condițiile evaluate în cadrul studiului. Acest lucru înseamnă că prelucrarea cu ultrasunete a crescut randamentul de ester cu peste 70% față de metoda convențională.
Pentru producătorii de lubrifianți, acesta este un rezultat extrem de relevant. Un randament mai ridicat înseamnă o utilizare mai eficientă a materiilor prime, reducerea fluxurilor secundare, îmbunătățirea rentabilității procesului și, potențial, scăderea costului de producție pe kilogram de ulei de bază esterificat.

Confirmarea formării esterului

Studiul realizat de Arumugam et al. (2019) a confirmat formarea esterului de pentaeritritol prin spectroscopie FTIR și cromatografie în fază gazoasă. Analiza FTIR a evidențiat vârfuri caracteristice de carbonil al esterului și de legătură C–O a esterului, în timp ce vârfuri suplimentare au confirmat prezența grupării pentaeritritil. Cromatografia de gaze a confirmat în continuare compoziția produsului, incluzând fracțiunile de monoester, diester, triester și tetraester.
În ceea ce privește producția de biolubrifianți, această confirmare analitică este importantă, deoarece performanța lubrifiantului depinde în mare măsură de compoziția esterilor. Capacitatea de a favoriza formarea structurilor de esteri dorite prin transesterificare ultrasonică controlată oferă producătorilor un instrument practic pentru îmbunătățirea calității uleiului de bază și a uniformității procesului.
 

Spectrul FTIR al esterului de pentaeritritol transesterificat prin ultrasunete
Studiu și grafic: ©Arumugam et al., 2019

Avantajele sonicatoarelor Hielscher pentru producătorii de lubrifianți

Hielscher oferă o gamă completă de sonicatoare, de la R&De la unități de tip D până la sisteme ultrasonice complet industriale. Acest lucru permite dezvoltarea unui proces la scară de laborator și apoi transferul acestuia la scară pilot și de producție, folosind aceleași principii fundamentale ale ultrasunetelor.
Toate aparatele de sonicare cu o putere de 200 de wați sau mai mare sunt dotate cu control digital, setări programabile, comandă de la distanță prin browser, înregistrare automată a datelor, senzori de temperatură și presiune conectabili și multe alte funcții, pentru o ușurință maximă în utilizare și rezultate repetabile.
Pentru producția de lubrifianți industriali, gama Hielscher include sonicatoare compacte de laborator pentru studii de fezabilitate, sisteme la scară pilot pentru optimizarea proceselor și procesoare industriale cu ultrasunete, precum UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT și instalații mai mari, cu mai multe unități, pentru prelucrarea continuă a volumelor mari.
Reactoarele cu curgere continuă permit controlul timpului de staționare, presurizarea pentru o cavitație mai intensă, gestionarea temperaturii și integrarea în linie în liniile de producție existente de esterificare sau transesterificare.

Procesoarele cu ultrasunete Hielscher oferă avantaje importante pentru sinteza esterilor și a biolubrifianților:

• control precis al amplitudinii pentru o intensitate reproductibilă a cavitației
• pulsare reglabilă pentru optimizarea consumului de energie și a gestionării termice
• sonicare cu sondă de mare putere pentru transferul direct și eficient al energiei în mediul de reacție
• funcționare în serie și în flux continuu pentru o dezvoltare flexibilă a proceselor
• scalabilitate industrială, de la testarea în laborator până la producția de mare capacitate
• proiectarea unor echipamente robuste pentru medii exigente de prelucrare chimică

 
 
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Sinteza diesterilor prin ultrasunete ca strategie de producție

Principiul procesului de transesterificare cu ultrasunete a uleiurilor și grăsimilor are o relevanță directă pentru sinteza diesterilor cu ultrasunete și pentru producția mai amplă de biolubrifianți pe bază de esteri. Diesterii reprezintă materii prime importante pentru lubrifianții sintetici, datorită comportamentului favorabil al vâscozității în funcție de temperatură, a lubrifierii și a proprietăților la temperaturi scăzute. La fel ca în cazul altor reacții de esterificare și transesterificare, sinteza diesterilor beneficiază adesea de un contact îmbunătățit între reactanți, de un transfer de masă mai rapid și de o utilizare mai eficientă a catalizatorului.
Prin urmare, tratamentul cu ultrasunete reprezintă un instrument practic de intensificare a proceselor pentru producătorii care fabrică esteri din materii prime regenerabile, esteri metilici ai acizilor grași, alcooli, polioli sau alți precursori ai esterilor. În loc să se bazeze exclusiv pe căldură și agitare mecanică, ultrasunetele introduc o amestecare determinată de cavitație la nivel microscopic, unde apar, de fapt, multe dintre limitările reacției.

Pentru inginerii de proces, acest lucru înseamnă că reactoarele cu ultrasunete pot fi utilizate pentru a îmbunătăți:

• viteza de reacție
• randamentul de esterificare
• eficiența catalizatorului
• faza de dispersie/li>
• consistența de la un lot la altul
• compactitatea procesului
• eficiența energetică în comparație cu procesarea convențională de lungă durată

Transesterificarea cu ultrasunete atinge un grad de conversie de aproximativ 75% în primele 1,5 minute și se stabilizează la un grad de conversie de aproximativ 90% după 6 minute.
Metoda convențională arată o rată de conversie mult mai lentă, atingând doar aproximativ 40% după 8 minute.
Studiu și grafic: ©Fayyazi et al., 2014

De la studiile de laborator la producția industrială de biolubrifianți

Transesterificarea asistată de ultrasunete este o metodă adecvată pentru producerea de esteri destinați lubrifianților (cum ar fi biolubrifianții pe bază de esteri de pentaeritritol), oferind un randament îmbunătățit și o severitate redusă a reacției în comparație cu metoda convențională. Arumugam et al. (2019) au raportat o creștere a randamentului de la 47% la aproximativ 81,4%, ceea ce demonstrează în mod clar relevanța comercială a intensificării procesului cu ultrasunete.
Pentru producătorii de lubrifianți, implicațiile sunt clare: transesterificarea cu ultrasunete poate contribui la transformarea mai eficientă a materiilor prime regenerabile în uleiuri de bază pe bază de esteri cu valoare ridicată. Cu ajutorul sonicatoarelor Hielscher, aceeași platformă tehnologică utilizată în optimizarea de laborator poate fi adaptată pentru funcționarea industrială continuă. Acest lucru face ca procesarea cu ultrasunete să fie nu doar un instrument de cercetare, ci și o strategie viabilă de producție pentru biolubrifianții de nouă generație.
Prin integrarea reactoarelor cu ultrasunete Hielscher în liniile de sinteză a esterilor, producătorii pot intensifica procesul de transesterificare, pot îmbunătăți randamentele și pot dezvolta baze lubrifiante mai durabile din materii prime derivate din uleiuri vegetale. Pe măsură ce cererea de lubrifianți biodegradabili și regenerabili continuă să crească, sinteza ultrasonică a diesterilor și a esterilor de poliol oferă o cale promițătoare către o producție de biolubrifianți mai curată, mai eficientă și mai competitivă din punct de vedere comercial.

Literatură / Referințe