Sinteza me ultratinguj e diestereve për prodhimin e biolubrifikantëve me performancë të lartë

Kalimi nga lubrifikantët me prejardhje nga nafta te lubrifikantët me bazë esteresh, të rinovueshëm, të biodegradueshëm dhe me performancë të lartë po përshpejtohet në sektorët industrialë. Prodhuesit e lubrifikantëve janë nën trysni gjithnjë e më të madhe për të zvogëluar ndikimin mjedisor, duke përmbushur njëkohësisht kritere kërkuese të performancës, si indeksi i lartë i viskozitetit, avullueshmëria e ulët, aftësia e mirë lubrifikuese, qëndrueshmëria termike dhe sjellja e besueshme në temperatura të ulëta. Në këtë kontekst, transesterifikimi me ultratinguj ofron një strategji të fuqishme për intensifikimin e procesit të sintezës së lëndëve të para me bazë esteresh, të përdorura në formulimet moderne të biolubrifikantëve.

Transesterifikimi me ultratinguj i diestereve për biolubrifikantë

Transesterifikimi me ultratinguj i vajrave dhe yndyrave bimore është një teknikë e qëndrueshme që përmirëson ndjeshëm rendimentin e estereve, zvogëlon kufizimet e përpunimit dhe e bën rrugën e transesterifikimit më tërheqëse për prodhimin industrial të lubrifikantëve. Sonikatorët Hielscher të tipit sondë përdoren për sintezë efikase të estereve në prodhim në linjë, në kushte të kontrolluara të procesit.

Sinteza e biolubrifikantëve nëpërmjet transesterifikimit

Vajrat bimore janë lëndë të para tërheqëse për biolubrifikantët, sepse janë të rinovueshme, të biodegradueshme dhe kanë aftësi të mirë lubrifikuese. Megjithatë, vajrat bimore të patrajtuara shpesh kanë qëndrueshmëri të kufizuar ndaj oksidimit dhe veti të dobëta në temperatura të ulëta. Një strategji e zakonshme për tejkalimin e këtyre mangësive është shndërrimi i estereve metilike me prejardhje nga vajrat bimore në estere të polioleve, si esteret e pentaeritritolit, nëpërmjet transesterifikimit.
Në studimin “Optimizimi i parametrave të procesit të transesterifikimit me ultratinguj për sintezën e një biolubrifikanti me bazë esteresh të polioleve, duke përdorur RSM dhe algoritmin e kërkimit të sorrave” nga Arumugam et al., vaji i kolzës fillimisht u shndërrua në ester metilik të vajit të kolzës. Në një hap të dytë, ky ester metilik u vu në reaksion me pentaeritritolin në prani të acidit p-toluensulfonik si katalizator dhe ksilenit si tretës. Produkti i synuar ishte një ester i pentaeritritolit, i përshtatshëm si vaj bazë për biolubrifikantë. Ky reaksion ka rëndësi të madhe për prodhuesit e lubrifikantëve, sepse esteret e polioleve përdoren gjerësisht si lëndë bazë të lubrifikantëve sintetikë për vajra kompresorësh, lëngje hidraulike, vajra për sisteme ftohjeje dhe përdorime të tjera të lubrifikantëve me performancë të lartë.
Sfida kryesore në transesterifikimin konvencional është se reaksioni shpesh kufizohet nga transferimi i dobët i masës ndërmjet reaktantëve. Esteret metilike, poliolet dhe katalizatorët nuk formojnë gjithmonë një sistem reaksioni homogjen ideal. Përzierja konvencionale mund të kërkojë kohë të gjata reaksioni, temperaturë të lartë dhe furnizim të shtuar me energji, duke dhënë megjithatë rendimente mesatare. Pikërisht këtu përpunimi me ultratinguj ofron një avantazh vendimtar.

Skema e rrjedhës së procesit të transesterifikimit me ultratinguj për esterin e pentaeritritolit
Studimi dhe grafiku: ©Arumugam et al,.2019

Si e intensifikon transesterifikimi me ultratinguj sintezën e estereve

Transesterifikimi me ultratinguj përdor ultratinguj me intensitet të lartë për të krijuar kavitacion akustik në mjedisin e lëngshëm të reaksionit. Kavitacioni gjeneron flluska mikroskopike që rriten dhe shemben vrullshëm. Kjo prodhon forca të forta lokale të prerjes, mikrorryma në formë çurkash, rrjedhje akustike dhe mikroemulsifikim.
Për sintezën e estereve, këto efekte janë shumë të vlefshme, sepse ato:

• zvogëlojnë madhësinë e pikëzave dhe përmirësojnë kontaktin ndërmjet fazave
• rrisin sipërfaqen ndërfazore ndërmjet reaktantëve që nuk përzihen ose përzihen pak me njëri-tjetrin
• përmirësojnë qasjen e reaktantëve te katalizatori
• përshpejtojnë transferimin e masës
• përmirësojnë kinetikën e reaksionit
• favorizojnë një rendiment më të lartë të estereve në kushte të optimizuara

Studimi shpjegon se turbulenca e shkaktuar nga kavitacioni dhe mikroemulsionet kapërcejnë kufizimet e transferimit të masës në transesterifikimin konvencional. Si rezultat, reaktantët shpërndahen në mënyrë më efektive dhe reaksioni katalitik zhvillohet më shpejt dhe më plotësisht.

Rezultatet e studimit: Rendiment më i lartë i estereve me ultratinguj

Studimi optimizoi procesin e asistuar nga ultratingujt duke përdorur metodologjinë e sipërfaqes së përgjigjes dhe një algoritëm kërkimi të korbave. Variablat e procesit të hetuara ishin pulsi ultrasonik, amplituda ultrasonike, përqendrimi i katalizatorit dhe temperatura e reaksionit.
Kushtet e optimizuara të procesit ultrasonik ishin:
Sistemi i sonikatorit: Sonikatori me sondë Hielscher UP400St
Pulsi ultrasonik: 15 sekonda
Amplituda ultrasonike: 60%
Përqendrimi i katalizatorit: 1,5 wt.%
Temperatura e reaksionit: 100°C

Në këto kushte të optimizuara, transesterifikimi i asistuar nga ultratingujt arriti një rendiment të esterit të pentaeritritolit prej afërsisht 81,4%. Për krahasim, rruga konvencionale e transesterifikimit dha një rendiment prej vetëm rreth 47% në kushtet e vlerësuara në studim. Kjo do të thotë se përpunimi ultrasonik e rriti rendimentin e esterit me më shumë se 70% krahasuar me rrugën konvencionale.
Për prodhuesit e lubrifikantëve, ky është një rezultat me rëndësi të madhe. Një rendiment më i lartë do të thotë shfrytëzim më i mirë i lëndëve të para, pakësim i rrjedhave anësore, përmirësim i aspektit ekonomik të procesit dhe potencialisht kosto më e ulët prodhimi për kilogram të vajit bazë esterik.

Konfirmimi i formimit të esterit

Studimi i Arumugam et al. (2019) konfirmoi formimin e esterit të pentaeritritolit me anë të spektroskopisë FTIR dhe kromatografisë së gazit. Analiza FTIR tregoi pike karakteristike të karbonilit esterik dhe të lidhjes esterike C–O, ndërsa pike shtesë mbështetën praninë e grupit pentaeritritil. Kromatografia e gazit konfirmoi më tej përbërjen e produktit, përfshirë fraksionet e monoesterit, diesterit, triesterit dhe tetraesterit.
Për prodhimin e biolubrifikantëve, ky konfirmim analitik është i rëndësishëm sepse performanca e lubrifikantit varet shumë nga përbërja esterike. Aftësia për të nxitur formimin e strukturave esterike të dëshiruara përmes transesterifikimit ultrasonik të kontrolluar u jep prodhuesve një mjet praktik për përmirësimin e cilësisë së vajit bazë dhe të qëndrueshmërisë së procesit.
 

Spektri FTIR i esterit të pentaeritritolit të transesterifikuar me ultratinguj
Studimi dhe grafiku: ©Arumugam et al., 2019

Përparësitë e sonikatorëve Hielscher për prodhuesit e lubrifikantëve

Hielscher ofron një gamë të plotë sonikatorësh, nga njësitë për kërkim dhe zhvillim deri te sistemet ultrasonike plotësisht industriale. Kjo mundëson zhvillimin e një procesi në shkallë laboratorike dhe më pas transferimin e tij në shkallë pilot dhe prodhimi, duke përdorur të njëjtat parime themelore ultrasonike.
Të gjithë sonikatorët me fuqi nga 200 vat e lart kanë kontroll digjital, cilësime të programueshme, funksionim në distancë përmes shfletuesit, regjistrim të automatizuar të të dhënave, sensorë të lidhshëm të temperaturës dhe presionit dhe shumë veçori të tjera për lehtësinë më të lartë të përdorimit dhe rezultate të përsëritshme.
Për prodhimin industrial të lubrifikantëve, gama e Hielscher përfshin sonikatorë laboratorikë kompaktë për studime fizibiliteti, sisteme në shkallë pilot për optimizimin e procesit dhe përpunues ultrasonikë industrialë si UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT dhe instalime më të mëdha me shumë njësi për përpunim të vazhdueshëm të vëllimeve të mëdha.
Reaktorët me rrjedhje përmes tyre mundësojnë kohë qëndrimi të kontrolluar, rritje të presionit për kavitacion më intensiv, menaxhim të temperaturës dhe integrim drejtpërdrejt në linjat ekzistuese të prodhimit me esterifikim ose transesterifikim.

Përpunuesit ultrasonikë Hielscher ofrojnë përparësi të rëndësishme për sintezën e estereve dhe biolubrifikantëve:

• kontroll i saktë i amplitudës për intensitet të riprodhueshëm të kavitacionit
• pulsim i rregullueshëm për optimizimin e energjisë së futur dhe të menaxhimit termik
• sonikim me sondë me fuqi të lartë për transferim të drejtpërdrejtë dhe efikas të energjisë në mjedisin e reaksionit
• funksionim me lote dhe me rrjedhje të vazhdueshme për zhvillim fleksibël të procesit
• mundësi zgjerimi në shkallë industriale, nga testimi laboratorik deri te prodhimi me kapacitet të lartë përpunimi
• konstruksion i qëndrueshëm i pajisjeve për mjedise të përpunimit kimik me kërkesa të larta

 
 
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona ultrasonike:

Sinteza e diestereve me ultratinguj si strategji prodhimi

Parimi i procesit të transesterifikimit të vajrave dhe yndyrave me ultratinguj lidhet drejtpërdrejt me sintezën e diestereve me ultratinguj dhe me prodhimin më të gjerë të biolubrifikantëve me bazë estere. Diesteret janë lëndë bazë të rëndësishme për lubrifikantët sintetikë për shkak të sjelljes së tyre të favorshme viskozitet–temperaturë, aftësisë lubrifikuese dhe vetive në temperatura të ulëta. Ashtu si reaksionet e tjera të esterifikimit dhe transesterifikimit, sinteza e diestereve shpesh përfiton nga kontakti i përmirësuar ndërmjet reaktantëve, transferimi më i shpejtë i masës dhe shfrytëzimi më efektiv i katalizatorit.
Prandaj, trajtimi me ultratinguj është një mjet praktik për intensifikimin e procesit për prodhuesit që prodhojnë estere nga lëndë të para të rinovueshme, estere metilike të acideve yndyrore, alkoole, poliole ose pararendës të tjerë të estereve. Në vend që të mbështeten vetëm te nxehtësia dhe përzierja mekanike, ultratingujt mundësojnë përzierje të nxitur nga kavitacioni në nivel mikroskopik, ku ndodhin realisht shumë prej kufizimeve të reaksionit.

Për inxhinierët e proceseve, kjo do të thotë se reaktorët me ultratinguj mund të përdoren për të përmirësuar:

• shpejtësinë e reaksionit
• rendimentin e estereve
• efikasitetin e katalizatorit
• dispergimin e fazave/li>
• njëtrajtshmërinë nga një seri prodhimi në tjetrën
• kompaktësinë e procesit
• efikasitetin energjetik krahasuar me përpunimin konvencional të zgjatur

Transesterifikimi me ultratinguj arrin afërsisht 75% konvertim brenda 1,5 minutave të para dhe stabilizohet në rreth 90% konvertim pas 6 minutash.
Metoda konvencionale shfaq një shpejtësi shumë më të ulët konvertimi, duke arritur vetëm rreth 40% konvertim pas 8 minutash.
Studimi dhe grafiku: ©Fayyazi et al., 2014

Nga studimi laboratorik te prodhimi industrial i biolubrifikantëve

Transesterifikimi i asistuar nga ultratingujt është një metodë e përshtatshme për prodhimin e estereve për lubrifikantë (si biolubrifikanti me bazë esteri të pentaeritritolit), me rendiment të përmirësuar dhe kushte më pak të ashpra të reaksionit krahasuar me rrugën konvencionale. Arumugam et al. (2019) raportuan një rritje të rendimentit nga 47% në afërsisht 81,4%, çka tregon qartë rëndësinë tregtare të intensifikimit të procesit me ultratinguj.
Për prodhuesit e lubrifikantëve, rrjedhojat janë të qarta: transesterifikimi me ultratinguj mund të ndihmojë në shndërrimin më efikas të lëndëve të para të rinovueshme në vajra bazë esterikë me vlerë të lartë. Me sonikatorët Hielscher, e njëjta platformë teknologjike e përdorur në optimizimin laboratorik mund të shkallëzohet për funksionim industrial të vazhdueshëm. Kjo e bën përpunimin me ultratinguj jo vetëm një mjet kërkimor, por edhe një strategji të zbatueshme prodhimi për biolubrifikantët e brezit të ardhshëm.
Duke integruar reaktorët me ultratinguj Hielscher në linjat e sintezës së estereve, prodhuesit mund të intensifikojnë transesterifikimin, të përmirësojnë rendimentet dhe të zhvillojnë lëndë bazë më të qëndrueshme për lubrifikantë nga lëndë të para të përftuara nga vajrat bimore. Ndërsa kërkesa për lubrifikantë të biodegradueshëm dhe të rinovueshëm vazhdon të rritet, sinteza e diestereve dhe estereve të polioleve me ultratinguj ofron një rrugë të fuqishme drejt një prodhimi më të pastër, më efikas dhe konkurrues në treg të biolubrifikantëve.

Literatura / Referencat

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.