Ултразвучна синтеза диестара за производњу биомазива високих перформанси

Прелазак са мазива добијених из нафте на обновљива, биоразградива мазива високих перформанси на бази естара убрзава се у различитим индустријским секторима. Произвођачи мазива су под све већим притиском да смање утицај на животну средину, а да притом задрже захтевне критеријуме перформанси, као што су висок индекс вискозности, ниска испарљивост, добра мазивост, термичка стабилност и поуздано понашање на ниским температурама. У том контексту, ултразвучна трансестерификација нуди моћну стратегију интензификације процеса за синтезу сировина на бази естара које се користе у савременим формулацијама биомазива.

Ултразвучна трансестерификација диестара за биомазива

Ултразвучна трансестерификација биљних уља и масти је одржива техника која значајно повећава принос естара, смањује ограничења процеса и чини поступак трансестерификације привлачнијим за индустријску производњу мазива. Соникатори са сондом компаније Hielscher користе се за ефикасну синтезу естара у проточној производњи под контролисаним процесним условима.

Синтеза биомазива трансестерификацијом

Биљна уља су привлачне сировине за биомазива јер су обновљива, биоразградива и имају добру мазивост. Међутим, непрерађена биљна уља често имају ограничену оксидативну стабилност и лоша својства на ниским температурама. Уобичајена стратегија за превазилажење ових недостатака јесте претварање метил естара добијених из биљних уља у естре полиола, као што су естри пентаеритритола, путем трансестерификације.
У студији „Оптимизација процесних параметара ултразвучне трансестерификације при синтези биомазива на бази естара полиола применом методологије површине одзива и алгоритма претраге врана“, коју су спровели Arumugam и сар., уље уљане репице је најпре претворено у метил естар уља уљане репице. У другом кораку, овај метил естар је реаговао са пентаеритритолом у присуству p-толуенсулфонске киселине као катализатора и ксилена као растварача. Циљни производ био је естар пентаеритритола погодан као базно уље за биомазива. Ова реакција је веома значајна за произвођаче мазива јер се естри полиола широко користе као синтетичке базне компоненте мазива за компресорска уља, хидрауличне течности, уља за расхладне системе и друге примене мазива високих перформанси.
Главни изазов код конвенционалне трансестерификације јесте то што је реакција често ограничена слабим преносом масе између реактаната. Метил естри, полиоли и катализатори не формирају увек идеалан хомоген реакциони систем. Конвенционално мешање може захтевати дуго време реакције, високу температуру и повећан унос енергије, а да притом и даље даје умерене приносе. Управо ту ултразвучна обрада пружа пресудну предност.

Дијаграм тока процеса ултразвучне трансестерификације за добијање естра пентаеритритола
Студија и графички приказ: ©Arumugam et al,.2019

Како ултразвучна трансестерификација интензивира синтезу естара

Ултразвучна трансестерификација користи ултразвук високог интензитета за стварање акустичне кавитације у течној реакционој средини. Кавитација ствара микроскопске мехуриће који расту и нагло колабирају. То ствара интензивне локалне силе смицања, микромлазеве, акустично струјање и микроемулговање.
За синтезу естара ови ефекти су веома драгоцени јер:

• смањују величину капљица и побољшавају контакт између фаза
• повећавају међуфазну површину између реактаната који се не мешају или се слабо мешају
• повећавају доступност катализатора
• убрзавају пренос масе
• побољшавају кинетику реакције
• доприносе већем приносу естара под оптимизованим условима

Студија објашњава да турбуленција изазвана кавитацијом и микроемулзије превазилазе ограничења преноса масе код конвенционалне трансестерификације. Као резултат тога, реактанти се ефикасније диспергују, а каталитичка реакција се одвија брже и потпуније.

Резултати студије: већи принос естара уз ултразвук

У студији је процес потпомогнут ултразвуком оптимизован применом методологије одзивне површине и алгоритма претраге врана. Испитиване процесне променљиве биле су ултразвучни импулс, ултразвучна амплитуда, концентрација катализатора и температура реакције.
Оптимизовани услови ултразвучног процеса били су:
Систем за соникацију: Соникатор са сондом Hielscher UP400St
Ултразвучни импулс: 15 секунди
Ултразвучна амплитуда: 60%
Концентрација катализатора: 1,5 wt.%
Температура реакције: 100°C

У овим оптимизованим условима, трансестерификацијом потпомогнутом ултразвуком постигнут је принос естра пентаеритритола од приближно 81,4%. Поређења ради, конвенционалним поступком трансестерификације остварен је принос од само око 47% у условима испитаним у студији. То значи да је ултразвучна обрада повећала принос естра за више од 70% у односу на конвенционални поступак.
За произвођаче мазива ово је веома значајан резултат. Већи принос значи боље искоришћење сировина, смањене споредне токове, побољшану економичност процеса и потенцијално ниже трошкове производње по килограму естарског базног уља.

Потврда настанка естра

Студија Arumugam et al. (2019) потврдила је настанак естра пентаеритритола помоћу FTIR спектроскопије и гасне хроматографије. FTIR анализа показала је карактеристичне пикове естарске карбонилне групе и естарске C–O везе, док су додатни пикови поткрепили присуство пентаеритритил групе. Гасна хроматографија додатно је потврдила састав производа, укључујући фракције моноестара, диестара, триестара и тетраестара.
За производњу биомазива ова аналитичка потврда је важна јер својства мазива у великој мери зависе од естарског састава. Могућност подстицања настанка жељених естарских структура контролисаном ултразвучном трансестерификацијом пружа произвођачима практично средство за побољшање квалитета базног уља и уједначености процеса.
 

FTIR спектар естра пентаеритритола добијеног ултразвучном трансестерификацијом
Студија и графички приказ: ©Arumugam et al., 2019

Предности соникатора Hielscher за произвођаче мазива

Hielscher нуди комплетан асортиман соникатора, од уређаја за истраживање и развој до потпуно индустријских ултразвучних система. То омогућава да се процес развије у лабораторијским размерама, а затим пренесе на пилотске и производне размере применом истих основних ултразвучних принципа.
Сви соникатори снаге од 200 вати и више имају дигитално управљање, програмабилна подешавања, даљинско управљање путем прегледача, аутоматско бележење података, прикључиве сензоре температуре и притиска и још много тога за највећу једноставност употребе и поновљиве резултате.
За индустријску производњу мазива, асортиман компаније Hielscher обухвата компактне лабораторијске соникаторе за студије изводљивости, системе пилотских размера за оптимизацију процеса и индустријске ултразвучне процесоре као што су UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT и већа постројења са више уређаја за континуирану обраду великих запремина.
Проточни реактори омогућавају контролисано време задржавања, рад под притиском за интензивнију кавитацију, управљање температуром и интеграцију у ток постојећих производних линија за естерификацију или трансестерификацију.

Ултразвучни процесори Hielscher нуде значајне предности за синтезу естара и биомазива:

• прецизна контрола амплитуде за поновљив интензитет кавитације
• подесив импулсни рад за оптимизацију уноса енергије и управљања топлотом
• соникација сондом велике снаге за директан и ефикасан пренос енергије у реакциони медијум
• шаржни рад и рад у континуираном протоку за флексибилан развој процеса
• могућност повећања размера од лабораторијских испитивања до индустријске производње великог капацитета
• робусна конструкција опреме за захтевна окружења хемијске прераде

 
 
Табела у наставку даје оријентациони преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Ултразвучна синтеза диестара као производна стратегија

Принцип процеса ултразвучне трансестерификације уља и масти непосредно је релевантан за ултразвучну синтезу диестара и ширу производњу биомазива на бази естара. Диестри су важне синтетичке базне компоненте мазива због свог повољног вискозитетно-температурног понашања, мазивости и нискотемпературних својстава. Као и друге реакције естерификације и трансестерификације, синтеза диестара често има користи од побољшаног контакта реактаната, бржег преноса масе и ефикаснијег искоришћења катализатора.
Ултразвучна обрада је стога практичан алат за интензификацију процеса за произвођаче који производе естре од обновљивих сировина, метил естара масних киселина, алкохола, полиола или других прекурсора естара. Уместо ослањања искључиво на топлоту и механичко мешање, ултразвук уводи мешање изазвано кавитацијом на микроскопском нивоу, на којем се заправо јављају многа ограничења реакције.

За процесне инжењере то значи да се ултразвучни реактори могу користити за побољшање следећег:

• брзине реакције
• приноса естара
• ефикасности катализатора
• дисперговања фаза/li>
• уједначености између шаржи
• компактности процеса
• енергетске ефикасности у поређењу са дуготрајном конвенционалном обрадом

Ултразвучна трансестерификација достиже приближно 75% конверзије у првих 1,5 минута и достиже плато на око 90% конверзије након 6 минута.
Конвенционална метода показује знатно мању брзину конверзије, достижући само око 40% конверзије након 8 минута.
Студија и графички приказ: ©Fayyazi et al., 2014

Од лабораторијске студије до индустријске производње биомазива

Трансестерификација потпомогнута ултразвуком погодна је метода за производњу естара за мазива (као што је биомазиво на бази естара пентаеритритола), уз побољшан принос и блаже реакционе услове у поређењу са конвенционалним поступком. Arumugam et al. (2019) пријавили су повећање приноса са 47% на приближно 81,4%, што јасно показује комерцијални значај ултразвучне интензификације процеса.
За произвођаче мазива, закључци су јасни: ултразвучна трансестерификација може помоћи да се обновљиве сировине ефикасније претворе у естарска базна уља високе вредности. Уз соникаторе Hielscher, иста технолошка платформа која се користи за лабораторијску оптимизацију може се скалирати за континуални индустријски рад. Тиме ултразвучна обрада постаје не само истраживачки алат већ и одржива производна стратегија за биомазива следеће генерације.
Интеграцијом ултразвучних реактора Hielscher у линије за синтезу естара, произвођачи могу интензивирати трансестерификацију, побољшати приносе и развити одрживије базне компоненте мазива од сировина добијених из биљних уља. Како потражња за биоразградивим и обновљивим мазивима наставља да расте, ултразвучна синтеза диестара и естара полиола нуди снажан пут ка чистијој, ефикаснијој и комерцијално конкурентној производњи биомазива.

Литература / Референце

• 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.