Výroba biomazív: Intenzifikácia procesu pomocou ultrazvuku

Odvetvie mazív vstupuje do rozhodujúcej fázy inovácií v oblasti zloženia produktov. Vzhľadom na to, že priemyselní používatelia, odvetvie mobility, námorné prevádzky a aplikácie citlivé na životné prostredie prechádzajú na biologicky rozložiteľné a obnoviteľné alternatívy, výrobcovia mazív čelia rastúcemu tlaku na dodávanie vysoko výkonných biomazív bez toho, aby došlo k zhoršeniu regulácie viskozity, oxidačnej stability, ochrany proti opotrebeniu alebo dlhodobej skladovacej stability. Analytici trhu zaznamenávajú pokračujúci rast v oblasti biomazív, ktorý je poháňaný dopytom po biologicky rozložiteľných, nízkouhlíkových a udržateľných mazacích riešeniach v dopravných a priemyselných aplikáciách.

Ultrazvuková výroba biomasťov: intenzifikácia procesu na výrobu udržateľných mazív

V tejto súvislosti nadobúda ultrazvukové spracovanie, známe aj ako sonikácia, na priemyselnom význame ako univerzálna výrobná technológia pre výrobu biomazív. Vysokovýkonný ultrazvuk sa dá využiť na ultrazvukovú disperziu, sonochemickú transesterifikáciu, emulgáciu a prípravu mikrogelových častíc, čím poskytuje vývojárom receptúr spoľahlivý nástroj na zlepšenie chemickej konverzie aj fyzikálnej kvality receptúry. Vďaka tomu je sonikácia vysoko efektívnou spracovateľskou technikou používanou pri výrobe biomazacích olejov, biomazacích tukov, biomazív na vodnej báze a mazív vhodných pre styk s potravinami.

Prečo je ultrazvukové spracovanie dôležité pre výrobcov biolubrikantov

Biomazivá sa často opierajú o komplexné systémy surovín: rastlinné oleje, syntetické estery, polyméry na biologickej báze, deriváty celulózy, funkčné prísady, antioxidanty, inhibítory korózie, prostriedky proti opotrebeniu, modifikátory trenia a fázy na vodnej báze alebo emulzného typu. Tieto zložky sa môžu výrazne líšiť v polarite, viskozite, veľkosti častíc, rozpustnosti a správaní na rozhraní fáz. Bežné miešače, systémy s rotorom a statorom alebo dlhodobé dávkové miešanie nemusia vždy poskytovať dostatočnú hustotu energie na vytvorenie jemných, stabilných disperzií alebo rýchlych reakcií na rozhraní fáz.
Ultrazvuk rieši tieto výzvy prostredníctvom akustickej kavitácie. Keď sa do kvapalín zavádza ultrazvuk s vysokou intenzitou, vytvárajú sa mikroskopické kavitačné bubliny, ktoré rastú a následne kolabujú. Tým vzniká lokálne vysoké šmykové namáhanie, intenzívne mikromiešanie, turbulencia, deaglomerácia častíc a reaktívne zóny, ktoré môžu urýchliť prenos hmoty a chemické reakcie. Vo výskume transesterifikácie sa ultrazvuk široko skúma ako spôsob prekonania pomalej reakčnej kinetiky a neefektívneho kontaktu medzi olejovou a alkoholovou fázou.
Pre výrobcov mazív to znamená, že ultrazvuk nie je len laboratórnou metódou homogenizácie. Ide o technológiu na zintenzívnenie procesov, ktorá môže podporiť výrobu stabilnejších, jednotnejších a efektívnejších receptúr mazív na biologickej báze.
 

Ultrazvukový dispergátor so sondou slúži na výrobu vysokoúčinných biomazív.
(Štúdia a obrázok: Liu a kol., 2020)

Ultrazvuková disperzia prísad do mazív na biologickej báze

Kľúčovou výzvou pri vývoji receptúr biomazív je homogénne začlenenie prísad na biologickej báze. Materiály, ako sú karboxymetylcelulóza, celulózové nanovlákna, biopolyméry, prírodné gumy, deriváty lignínu, zahusťovadlá na báze biomasy a funkčné nanočastice, môžu výrazne ovplyvniť viskozitu, mazivosť, odolnosť proti opotrebeniu, tvorbu filmu a stabilitu suspenzie. Tieto materiály však majú často tendenciu aglomerovať, pomaly hydratovať alebo vytvárať nerovnomerné gélové štruktúry.
Ultrazvuková disperzia pomáha výrobcom obmedziť tvorbu aglomerátov a rovnomernejšie rozložiť prísady v matrici maziva. To je obzvlášť cenné v prípade mazív na vodnej báze, nanomazív, systémov podobných mazacím tukom a biomazív na báze emulzií. Najnovší výskum systémov na báze celulózy ukazuje, že sonikácia môže výrazne ovplyvniť disperzné správanie, reológiu a štruktúru siete, čím sa stáva užitočným spracovateľským nástrojom na vyladenie zložiek obsahujúcich celulózu.

Pre výrobcov mazív môže lepšia disperzia znamenať:

• Konzistentnejšia viskozita a reologické vlastnosti
• Zvýšená účinnosť prísady pri nižších dávkach
• Znížená sedimentácia, fázová separácia alebo plávajúce tuhé častice
• Reprodukovateľnejšie tribologické vlastnosti
• Kratšie doby spracovania v porovnaní s dlhším mechanickým miešaním

Karboxymetylcelulóza je obzvlášť dôležitá, pretože sa široko používa ako derivát celulózy s užitočnými viskozitnými, povrchovými a filmotvornými vlastnosťami. V systémoch mazív môže ultrazvuková úprava pomôcť pri začleňovaní CMC a iných biopolymérov do stabilných vodných alebo emulzných zmesí, čím podporuje vývoj ekologicky vylepšených mazív s kontrolovaným tokovým správaním a zvýšenou stabilitou zmesí.
 

Biomazivá s ultrazvukovo dispergovanou karboxymetylcelulózou. Ultrazvuková disperzia vedie k vzniku dlhodobo stabilných nano-biomazív
Štúdia a obrázky: ©Rahmadiawan a kol., 2022

Sonochemická transesterifikácia na výrobu biomaščob na báze diesterov a esterov

Estery patria medzi najdôležitejšie základné kvapaliny pre vysokovýkonné biomazivá. V závislosti od suroviny a molekulárnej štruktúry môžu ponúkať dobrú mazivosť, vysoký viskozitný index, biologickú rozložiteľnosť a priaznivé správanie pri nízkych teplotách. Diestery a polyolestery sú obzvlášť dôležité pre aplikácie, ako sú hydraulické kvapaliny, oleje do kompresorov, kvapaliny na spracovanie kovov, oleje do reťazových píl, námorné mazivá a špeciálne priemyselné mazivá.
Jednou z perspektívnych aplikácií ultrazvuku je sonochemická príprava esterov prostredníctvom transesterifikácie. Pri konvenčnej transesterifikácii si nemiešateľné reaktanty, ako sú oleje a alkoholy, často vyžadujú intenzívne miešanie, zvýšené teploty, katalyzátory a dlhšie reakčné časy. Ultrazvuk zlepšuje prenos hmoty vytváraním jemných emulzií medzi fázami reaktantov a neustálym obnovovaním rozhrania, kde prebieha reakcia.
Transesterifikácia podporovaná ultrazvukom je osvedčená technika, ktorá sa za vhodných podmienok vyznačuje takými výhodami, ako sú rýchlejšie reakčné rýchlosti, lepší kontakt medzi fázami, kratšie doby separácie, vysoké výťažky a znížená tvorba odpadu. Výrobcovia mazív využívajú metódu ultrazvukovej transesterifikácie na výrobu zložiek biomazív na báze esterov, vrátane diesterov a iných funkčných esterových štruktúr.

Ultrazvuková transesterifikácia pomáha výrobcom:

• Zlepšiť kontakt medzi fázami oleja, alkoholu a katalyzátora
• Skrátenie reakčného času prostredníctvom zintenzívnenia medzifázového prenosu hmoty
• Podporovať spracovateľské okná s nižšou teplotou alebo vyššou energetickou účinnosťou
• Zlepšiť konzistentnosť konverzie pri dávkovej alebo nepretržitej výrobe
• Umožniť vývoj kompaktných reaktorov pre škálovateľnú výrobu esterov

Pre spoločnosti vyrábajúce základné oleje pre biomazivá ponúka ultrazvuk možnosť zintenzívniť procesy esterifikácie a transesterifikácie a zároveň prispieva k čistejšej a efektívnejšej výrobe.

Ultrazvuková emulzifikácia mazacích zmesí

Mnohé moderné biomazivá nie sú jednoduché jednofázové oleje. Môžu zahŕňať emulzie typu voda v oleji, emulzie typu olej vo vode, koncentráty prísad, disperzie voskov, systémy modifikované polymérmi alebo komplexné viacfázové zmesi. Kvalita týchto emulzií má priamy vplyv na skladovaciu stabilitu, mazivosť, chladiaci výkon, ochranu proti korózii a správanie sa pri aplikácii.
Ultrazvuková emulgácia je vysoko účinná, pretože kavitácia vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, ktoré rozbíjajú kvapôčky na menšie častice a vytvárajú úzke rozdelenie veľkostí kvapôčok. Pri výrobe mazív sa tento proces dá využiť na emulgáciu olejov na biologickej báze, esterových fáz, vodných fáz, povrchovo aktívnych látok, polymérnych stabilizátorov a funkčných prísad do stabilných zmesí.

To platí najmä pre:

• biomazivá na vodnej báze
• Kvapaliny na spracovanie kovov a rezné kvapaliny
• Hydraulické kvapaliny s obsahom zložiek z obnoviteľných zdrojov
• Mazivá emulzného typu a polotuhé mazivá
• Koncentráty prísad a preddisperzie
• Mazacie systémy obsahujúce biopolyméry alebo deriváty celulózy

Dôkladná emulgácia zlepšuje fyzikálnu stabilitu zloženia mazív a môže znížiť potrebu nadmerného množstva povrchovo aktívnych látok. Pre výrobcov to prináša výhody tak z hľadiska výkonu, ako aj nákladov: zlepšenú stabilitu, efektívnejšie využitie prísad a väčšiu flexibilitu pri zostavovaní zloženia.

Ultrazvuková úprava na výrobu mikrogelových častíc v emulzii

Ďalšou rozvíjajúcou sa oblasťou je výroba emulzných mikrogelových častíc pre pokročilé zloženia mazív. Mikrogély môžu pôsobiť ako modifikátory reológie, nosiče aktívnych zložiek, modifikátory trenia alebo reaktívne štrukturujúce činidlá. V systémoch mazív na biologickej báze sa častice mikrogélov môžu vyrábať z prírodných polymérov, modifikovanej celulózy, polysacharidov, bielkovín alebo iných systémov obnoviteľných polymérov.
Ultrazvukové spracovanie podporuje prípravu mikrogelov tým, že umožňuje kontrolovanú emulgáciu, zmenšovanie veľkosti kvapôčok, disperziu polymérov a štruktúrovanie fáz. Tie isté mechanizmy založené na kavitácii, ktoré vedú k vzniku jemných emulzií, môžu tiež pomôcť pri vytváraní malých, jednotných kvapôčok prekurzorov alebo dispergovaných polymérnych domén, ktoré sa následne zgelujú, zosieťujú alebo stabilizujú.

Optimalizujte výrobu biomasťových mazív pomocou ultrazvuku

Jednou z najdôležitejších otázok pre výrobcov mazív je, či je možné spoľahlivo integrovať ultrazvukové spracovanie do výrobných liniek. V prípade sonikátorov spoločnosti Hielscher je odpoveď jednoznačne áno. Vysoko výkonné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher sú navrhnuté pre nepretržitú prevádzku, spracovanie v rámci výrobnej linky a hladkú integráciu do existujúcich výrobných liniek, čo z nich robí výkonné a spoľahlivé riešenie pre priemyselnú výrobu biomazív.
V typickom priemyselnom zariadení sa predzmiešaná mazivá, suspenzia aditív, reakčná zmes oleja a alkoholu alebo emulzná surovina čerpá cez ultrazvukovú prietokovú komoru, kde je vystavená presne regulovanej ultrazvukovej energii. Kľúčové parametre procesu, ako sú amplitúda, tlak, teplota, prietok, doba zdržania a špecifický príkon energie, je možné presne nastaviť, monitorovať a automaticky dokumentovať. Táto vysoká úroveň ovládateľnosti poskytuje výrobcom mazív procesnú istotu potrebnú na dosiahnutie reprodukovateľnej kvality zloženia, validovaných výrobných protokolov a konzistentného zväčšovania výroby z R&Skúšky typu D zamerané na pilotnú výrobu a plnú priemyselnú kapacitu.
Pre výrobcov biomazív je táto škálovateľnosť obzvlášť dôležitá, pretože požiadavky na zloženie sú čoraz náročnejšie. Zákazníci očakávajú udržateľné produkty, ale zároveň očakávajú rovnaký alebo lepší výkon ako u konvenčných mazív na báze ropy. Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher pomáhajú výrobcom prekonať túto prekážku kombináciou výkonu, spoľahlivosti, ovládateľnosti a lineárnej škálovateľnosti v jednej robustnej ultrazvukovej platforme. Vďaka týmto výhodám sú ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher preferovanou voľbou pre spoločnosti, ktoré potrebujú priemyselnú sonikáciu na výrobu vysoko kvalitných bio-mazív.

 
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie