Proizvodnja bioloških maziv: intenzifikacija procesa z ultrazvokom

Industrija maziv vstopa v odločilno fazo inovacij na področju formulacij. Ker se industrijski uporabniki, sektorji mobilnosti, pomorski operaterji in okolju občutljive aplikacije usmerjajo k biorazgradljivim in obnovljivim alternativam, so proizvajalci maziv pod vse večjim pritiskom, da zagotovijo visoko zmogljiva biomaziva, ne da bi pri tem ogrožali nadzor nad viskoznostjo, oksidacijsko stabilnost, zaščito pred obrabo ali dolgoročno stabilnost pri skladiščenju. Tržni analitiki poročajo o nadaljnji rasti na področju bioloških maziv, ki jo poganjajo povpraševanje po biorazgradljivih, nizkoemisijskih in trajnostnih rešitvah za maziva v prometnih in industrijskih aplikacijah.

Ultrazvočna proizvodnja bioloških maziv: intenzifikacija procesa za trajnostna maziva

V tem kontekstu ultrazvočna obdelava, znana tudi kot sonikacija, pridobiva na industrijskem pomenu kot vsestranska proizvodna tehnologija za izdelavo bioloških maziv. Visokozmogljivi ultrazvok se lahko uporablja za ultrazvočno disperzijo, sonokemično transesterifikacijo, emulgacijo in pripravo mikrogelskih delcev, kar formulatorjem ponuja zanesljivo orodje za izboljšanje tako kemijske pretvorbe kot tudi fizikalne kakovosti formulacije. Zato je sonikacija visoko učinkovita tehnika obdelave, ki se uporablja pri bioloških mazalnih oljih, bioloških mazalnih mastih, bioloških mazivih na vodni osnovi in mazivih za stik z živili.

Zakaj je ultrazvočna obdelava pomembna za proizvajalce bioloških maziv

Biološka maziva pogosto temeljijo na kompleksnih sistemih surovin: rastlinska olja, sintetični estri, polimeri na biološki osnovi, derivati celuloze, funkcionalni dodatki, antioksidanti, zaviralci korozije, sredstva proti obrabi, modifikatorji trenja ter faze na vodni osnovi ali v obliki emulzij. Te sestavine se lahko med seboj znatno razlikujejo po polariteti, viskoznosti, velikosti delcev, topnosti in obnašanju na mejni ploskvi. Konvencionalni mešalniki, sistemi z rotorjem in statorjem ali dolgotrajno mešanje v serijah morda ne zagotavljajo vedno zadostne energijske gostote za pridobivanje finih, stabilnih disperzij ali hitrih reakcij na mejni ploskvi.
Ultrazvok te izzive rešuje z akustično kavitacijo. Ko se v tekočine vpelje ultrazvok visoke intenzivnosti, se tvorijo, rastejo in razpadajo mikroskopske kavitacijske mehurčke. To povzroča lokalizirano visoko strižno napetost, intenzivno mikromešanje, turbulenco, razpad aglomeratov delcev in reaktivne cone, ki lahko pospešijo prenos mase in kemijske reakcije. V raziskavah transesterifikacije se ultrazvok široko proučuje kot način za premagovanje počasne reakcijske kinetike in neučinkovitega stika med oljno in alkoholno fazo.
Za proizvajalce maziv to pomeni, da ultrazvok ni zgolj laboratorijska metoda homogenizacije. Gre za tehnologijo za intenzifikacijo procesov, ki lahko prispeva k proizvodnji stabilnejših, bolj enotnih in učinkovitejših formulacij maziv na biološki osnovi.
 

Ultrazvočni dispergator s sondo omogoča proizvodnjo visoko zmogljivih bioloških maziv.
(Študija in slika: Liu in sod., 2020)

Ultrazvočna disperzija aditivov za maziva na biološki osnovi

Ključni izziv pri razvoju formulacij bioloških maziv je homogeno vključevanje dodatkov biološkega izvora. Snovi, kot so karboksimetilceluloza, celulozna nano vlakna, biopolimeri, naravne smole, derivati lignina, biološka zgoščevalna sredstva in funkcionalni nanodelci, lahko močno vplivajo na viskoznost, mazivnost, zaščito pred obrabo, tvorbo filma in stabilnost suspenzije. Vendar se ti materiali pogosto aglomerirajo, počasi hidratirajo ali tvorijo neenakomerne gelne strukture.
Ultrazvočna disperzija proizvajalcem pomaga zmanjšati nastajanje aglomeratov in dodatke bolj enakomerno porazdeliti po matrici maziva. To je še posebej pomembno pri mazivih na vodni osnovi, nanomazivih, sistemih, podobnih mazivom, in bioloških mazivih na osnovi emulzij. Nedavne raziskave sistemov na osnovi celuloze kažejo, da lahko ultrazvok znatno vpliva na disperzijsko obnašanje, reologijo in strukturo mreže, kar ga naredi za uporabno orodje pri obdelavi za prilagajanje formulacij, ki vsebujejo celulozo.

Za proizvajalce maziv lahko boljša disperzija pomeni:

• Bolj enakomerna viskoznost in reološke lastnosti
• Večja učinkovitost aditiva pri nižjih odmerkih
• Zmanjšana sedimentacija, ločevanje faz ali plavajoče trdne snovi
• Bolj ponovljive tribološke lastnosti
• Krajši časi obdelave v primerjavi z daljšim mehanskim mešanjem

Karboksimetilceluloza je še posebej pomembna, saj se kot derivat celuloze pogosto uporablja zaradi svojih koristnih lastnosti glede viskoznosti, površine in tvorjenja filma. V sistemih maziv lahko ultrazvok pomaga pri vključevanju CMC in drugih biopolimerov v stabilne vodne ali emulzijske formulacije, s čimer podpira razvoj okolju prijaznejših maziv z nadzorovanim tokom in izboljšano stabilnostjo formulacije.
 

Biološka maziva z ultrazvočno dispergirano karboksimetilcelulozo. Ultrazvočna disperzija omogoča pridobivanje dolgoročno stabilnih nano-bioloških maziv
Študija in slike: ©Rahmadiawan in sod., 2022

Sono-kemijska transesterifikacija za biološka maziva na osnovi diesterjev in estrov

Esteri sodijo med najpomembnejše osnovne tekočine za visoko zmogljiva biološka maziva. Odvisno od izhodne surovine in molekulske strukture lahko zagotavljajo dobro mazljivost, visok indeks viskoznosti, biološko razgradljivost ter ugodno obnašanje pri nizkih temperaturah. Diestri in poliolni estri so še posebej pomembni za uporabo v hidravličnih tekočinah, oljih za kompresorje, tekočinah za obdelavo kovin, oljih za motorne žage, ladijskih mazivih in specialnih industrijskih mazivih.
Ena od obetavnih uporab ultrazvoka je sonokemična priprava estrov s transesterifikacijo. Pri konvencionalni transesterifikaciji se za nezdružljive reaktante, kot so olja in alkoholi, pogosto zahteva intenzivno mešanje, povišane temperature, katalizatorje in daljše reakcijske čase. Ultrazvok izboljša prenos mase z ustvarjanjem finih emulzij med fazami reaktantov in s stalnim obnavljanjem mejne plasti, kjer poteka reakcija.
Transesterifikacija z ultrazvokom je uveljavljena tehnika, ki se je v ustreznih pogojih izkazala za učinkovito zaradi prednosti, kot so hitrejše reakcijske hitrosti, boljši stik med fazami, krajši časi ločevanja, visoki izkoristki in manjše nastajanje odpadkov. Proizvajalci maziv uporabljajo metodo ultrazvočne transesterifikacije za proizvodnjo sestavin bioloških maziv na osnovi estrov, vključno z diestri in drugimi funkcionalnimi estrskimi strukturami.

Ultrazvočna transesterifikacija pomaga proizvajalcem:

• Izboljšajte stik med fazami olja, alkohola in katalizatorja
• Skrajšajte reakcijski čas z okrepitvijo medfaznega prenosa mase
• Omogočajo obdelavo pri nižjih temperaturah ali v energetsko učinkovitejših obdelovalnih oknih
• Izboljšajte doslednost pretvorbe pri serijski ali neprekinjeni proizvodnji
• Omogočiti kompaktne zasnove reaktorjev za proizvodnjo estrov v različnih obsegih

Za podjetja, ki proizvajajo osnovne olje za biološka maziva, ultrazvok ponuja možnost za pospešitev procesov esterifikacije in transesterifikacije, hkrati pa omogoča čistejšo in učinkovitejšo proizvodnjo.

Ultrazvočna emulzifikacija mazivnih formulacij

Mnoga sodobna biološka maziva niso preprosta enofazna olja. Lahko vključujejo emulzije tipa »voda v olju«, emulzije tipa »olje v vodi«, koncentrate aditivov, disperzije voskov, s polimeri modificirane sisteme ali kompleksne večfazne sestave. Kakovost teh emulzij neposredno vpliva na stabilnost pri skladiščenju, mazivnost, hlajenje, zaščito pred korozijo in obnašanje pri uporabi.
Ultrazvočna emulzifikacija je izredno učinkovita, saj kavitacija ustvarja močne lokalne strižne sile, ki kapljice razbijejo na manjše delce in ustvarijo ozko porazdelitev velikosti kapljic. Pri proizvodnji maziv se ta postopek lahko uporabi za emulzifikacijo olj biološkega izvora, estrskih faz, vodnih faz, površinsko aktivnih snovi, polimernih stabilizatorjev in funkcionalnih dodatkov v stabilne formulacije.

To velja zlasti za:

• biološka maziva na vodni osnovi
• Tekočine za obdelavo kovin in tekočine za rezanje
• Hidravlične tekočine z obnovljivimi sestavinami
• Maziva emulzijskega tipa in poltrdna maziva
• Koncentrati aditivov in preddisperzije
• Sistemi za mazanje, ki vsebujejo biopolimere ali derivate celuloze

Fina emulzifikacija izboljša fizikalno stabilnost formulacij maziv in lahko zmanjša potrebo po prekomernem dodajanju površinsko aktivnih snovi. Proizvajalcem to prinaša tako zmogljivostne kot stroškovne prednosti: izboljšano stabilnost, učinkovitejšo rabo dodatkov in večjo prožnost pri sestavljanju formulacij.

Ultrazvok za pripravo mikrogelnih delcev v emulziji

Še eno nastajajoče področje je proizvodnja emulzijskih mikrogelskih delcev za napredne formulacije maziv. Mikrogeli lahko delujejo kot modifikatorji reologije, nosilci aktivnih sestavin, modifikatorji trenja ali odzivna strukturna sredstva. V sistemih maziv na biološki osnovi se lahko delci mikrogela proizvajajo iz naravnih polimerov, modificirane celuloze, polisaharidov, beljakovin ali drugih sistemov obnovljivih polimerov.
Ultrazvočna obdelava podpira pripravo mikrogelov, saj omogoča nadzorovano emulgacijo, zmanjšanje velikosti kapljic, disperzijo polimerov in oblikovanje fazne strukture. Isti mehanizmi, ki temeljijo na kavitaciji in omogočajo nastanek finih emulzij, lahko pomagajo tudi pri ustvarjanju majhnih, enotnih kapljic predhodnikov ali dispergiranih polimernih domen, ki se nato gelirajo, prečnijo ali stabilizirajo.

Optimizirajte proizvodnjo bioloških maziv s sonikacijo

Eno najpomembnejših vprašanj za proizvajalce maziv je, ali je mogoče ultrazvočno obdelavo zanesljivo vključiti v proizvodne linije. Pri ultrazvočnih napravah podjetja Hielscher je odgovor nedvomno pritrdilen. Visokozmogljivi ultrazvočni aparati podjetja Hielscher so zasnovani za neprekinjeno delovanje, obdelavo v proizvodni liniji in nemoteno vključevanje v obstoječe proizvodne linije, kar jih naredi za zmogljivo in zanesljivo rešitev za industrijsko proizvodnjo bioloških maziv.
V tipični industrijski napravi se predmešana maziva, suspenzija aditivov, reakcijska mešanica olja in alkohola ali emulzija črpajo skozi ultrazvočno merilno celico, kjer so izpostavljene natančno nadzorovani ultrazvočni energiji. Ključne parametre procesa, kot so amplituda, tlak, temperatura, pretok, čas zadrževanja in specifični vnos energije, je mogoče natančno nastaviti, spremljati in se samodejno dokumentirajo. Ta visoka raven nadzorljivosti proizvajalcem maziv zagotavlja varnost procesa, potrebno za ponovljivo kakovost formulacij, validirane proizvodne protokole in dosledno povečanje obsega iz raziskovalne&Preskusi D za poskusno proizvodnjo in polno industrijsko zmogljivost.
Za proizvajalce bioloških maziv je ta prilagodljivost še posebej pomembna, saj so zahteve glede sestave vedno strožje. Stranke pričakujejo trajnostne izdelke, hkrati pa tudi enako ali boljšo zmogljivost kot pri konvencionalnih mazivih na osnovi nafte. Ultrazvočni aparati podjetja Hielscher proizvajalcem pomagajo premostiti to vrzel, saj v eni robustni ultrazvočni platformi združujejo moč, zanesljivost, nadzorljivost in linearno prilagodljivost. Zaradi teh prednosti so ultrazvočni aparati podjetja Hielscher prva izbira za podjetja, ki potrebujejo ultrazvočno obdelavo industrijske kakovosti za pripravo visokokakovostnih formulacij bioloških maziv.

 
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference