การสังเคราะห์ไดเอสเตอร์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงสำหรับการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพประสิทธิภาพสูง

การเปลี่ยนแปลงจากสารหล่อลื่นที่ได้จากปิโตรเลียมไปสู่สารหล่อลื่นที่มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาติ สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และมีประสิทธิภาพสูงซึ่งมีฐานเป็นเอสเตอร์ กำลังเร่งตัวขึ้นในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ ผู้ผลิตสารหล่อลื่นกำลังเผชิญกับแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่ยังคงรักษามาตรฐานประสิทธิภาพที่เข้มงวด เช่น ดัชนีความหนืดสูง ความระเหยต่ำ ความสามารถในการหล่อลื่นที่ดี ความเสถียรทางความร้อน และพฤติกรรมที่เชื่อถือได้ในอุณหภูมิต่ำ ในบริบทนี้ การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงนำเสนอเป็นกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการที่ทรงพลังสำหรับการสังเคราะห์วัตถุดิบที่มีพื้นฐานจากเอสเทอร์ซึ่งใช้ในสูตรสารหล่อลื่นชีวภาพสมัยใหม่

การเปลี่ยนรูปเอสเทอร์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของไดเอสเทอร์สำหรับสารหล่อลื่นชีวภาพ

การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกของน้ำมันและไขมันจากพืชเป็นเทคนิคที่ยั่งยืนซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตเอสเทอร์อย่างมีนัยสำคัญ ลดข้อจำกัดในการแปรรูป และทำให้กระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันน่าสนใจยิ่งขึ้นสำหรับการผลิตสารหล่อลื่นอุตสาหกรรม เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher ถูกใช้สำหรับการสังเคราะห์เอสเทอร์อย่างมีประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตแบบอินไลน์ภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้

การสังเคราะห์สารหล่อลื่นชีวภาพโดยกระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชัน

น้ำมันพืชเป็นวัตถุดิบที่น่าสนใจสำหรับน้ำมันหล่อลื่นชีวภาพเนื่องจากเป็นทรัพยากรหมุนเวียน สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และมีคุณสมบัติการหล่อลื่นที่ดี อย่างไรก็ตาม น้ำมันพืชที่ไม่ได้ผ่านการแปรรูปมักมีปัญหาด้านความเสถียรต่อปฏิกิริยาออกซิเดชันที่จำกัด และมีคุณสมบัติที่อุณหภูมิต่ำไม่ดี กลยุทธ์ทั่วไปในการเอาชนะข้อเสียเหล่านี้คือการเปลี่ยนเมทิลเอสเทอร์ที่ได้จากน้ำมันพืชเป็นโพลีออลเอสเทอร์ เช่น เอสเทอร์ของเพนทาอีริทริทอล โดยกระบวนการทรานเอสเทอริฟิเคชัน
ในการศึกษา “การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงโดยใช้ RSM และอัลกอริทึมค้นหาแบบครอว์สำหรับการสังเคราะห์ไบโอหล่อลื่นที่มีฐานโพลีออลเอสเทอร์” โดย Arumugam และคณะ น้ำมันคาโนลาถูกเปลี่ยนเป็นเมทิลเอสเทอร์ของน้ำมันคาโนลาในขั้นตอนแรก ในขั้นตอนที่สอง เมทิลเอสเทอร์นี้ถูกทำปฏิกิริยากับเพนทาเอริทริทอลในสภาวะที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา p-toluenesulfonic acid และใช้ไซลีนเป็นตัวทำละลาย ผลิตภัณฑ์เป้าหมายคือเอสเทอร์ของเพนตาอีริทริทอลที่เหมาะสมเป็นฐานน้ำมันหล่อลื่นชีวภาพ ปฏิกิริยานี้มีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับผู้ผลิตสารหล่อลื่นเนื่องจากเอสเทอร์โพลีออลถูกใช้อย่างแพร่หลายเป็นฐานน้ำมันหล่อลื่นสังเคราะห์สำหรับน้ำมันคอมเพรสเซอร์, ของเหลวไฮดรอลิก, น้ำมันทำความเย็น และการใช้งานสารหล่อลื่นประสิทธิภาพสูงอื่น ๆ
ความท้าทายหลักในการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันแบบดั้งเดิมคือ ปฏิกิริยามักถูกจำกัดโดยการถ่ายเทมวลที่ไม่ดีระหว่างสารตั้งต้น เมทิลเอสเทอร์ โพลีออล และตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้ก่อให้เกิดระบบปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์เสมอไป การกวนแบบดั้งเดิมอาจต้องใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาเป็นเวลานาน อุณหภูมิสูง และการใช้พลังงานในปริมาณมาก แต่ยังคงให้ผลผลิตในระดับปานกลาง นี่คือจุดที่การประมวลผลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงมอบข้อได้เปรียบที่ชัดเจน

แผนผังกระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของเอสเทอร์เพนตาอีริทอล
การศึกษาและกราฟิก: ©Arumugam และคณะ, 2019

วิธีการที่การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์เอสเทอร์

การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงใช้คลื่นเสียงความเข้มสูงเพื่อสร้างโพรงเสียงในตัวกลางปฏิกิริยาน้ำเหลว การเกิดโพรงเสียงจะสร้างฟองอากาศขนาดเล็กที่เติบโตและยุบตัวอย่างรุนแรง ซึ่งก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะที่อย่างรุนแรง ไมโครเจ็ต การไหลของคลื่นเสียง และการเกิดอิมัลซิฟิเคชันขนาดเล็ก
สำหรับการสังเคราะห์เอสเทอร์ ผลกระทบเหล่านี้มีคุณค่าสูงมากเนื่องจาก:

• ลดขนาดหยดและปรับปรุงการสัมผัสระหว่างเฟส
• เพิ่มพื้นที่ผิวระหว่างสารตั้งต้นที่ไม่สามารถผสมกันได้หรือผสมกันได้น้อย
• เพิ่มการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยา
• เร่งการถ่ายโอนมวล
• ปรับปรุงจลนพลศาสตร์การตอบสนอง
• สนับสนุนให้ผลผลิตเอสเทอร์สูงขึ้นภายใต้สภาวะที่เหมาะสม

การศึกษาอธิบายว่า ความปั่นป่วนที่เกิดจากการเกิดโพรงอากาศและไมโครอิมัลชันสามารถเอาชนะข้อจำกัดในการถ่ายโอนมวลของการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันแบบดั้งเดิมได้ ส่งผลให้ตัวทำปฏิกิริยาถูกกระจายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างรวดเร็วและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ผลการศึกษาระบุ: ผลผลิตเอสเทอร์สูงขึ้นด้วยการใช้คลื่นเสียงความถี่สูง

การศึกษาได้เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการที่ใช้คลื่นเสียงความถี่สูงร่วมกับวิธีการพื้นผิวตอบสนองและอัลกอริทึมการค้นหาแบบอีกา ตัวแปรกระบวนการที่ศึกษาได้แก่ คลื่นเสียงความถี่สูง ความเข้มของคลื่นเสียงความถี่สูง ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา และอุณหภูมิปฏิกิริยา
เงื่อนไขกระบวนการอัลตราโซนิกที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมคือ:
ระบบโซนิเคเตอร์: Hielscher UP400St โปรบไทป์โซนิเคเตอร์
คลื่นเสียงอัลตราโซนิก 15 วินาที
แอมพลิจูดอัลตราโซนิก: หกสิบเปอร์เซ็นต์
ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา: หนึ่งจุดห้าเปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก
อุณหภูมิปฏิกิริยา: 100 องศาเซลเซียส

ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมเหล่านี้ การทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นเสียงความถี่สูงช่วยสามารถผลิตเอสเตอร์เพนตาอีริทริทอลได้ประมาณร้อยละ 81.4 เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เส้นทางการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันแบบดั้งเดิมให้ผลผลิตเพียงประมาณ 47% ภายใต้เงื่อนไขที่ประเมินในการศึกษา ซึ่งหมายความว่า การประมวลผลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเพิ่มผลผลิตเอสเทอร์ได้มากกว่า 70% เมื่อเทียบกับเส้นทางแบบดั้งเดิม
สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น นี่คือผลลัพธ์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง ผลผลิตที่สูงขึ้นหมายถึงการใช้ประโยชน์จากวัตถุดิบได้ดีขึ้น ลดปริมาณของเสียในกระบวนการ กระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้น และอาจช่วยลดต้นทุนการผลิตต่อหนึ่งกิโลกรัมของน้ำมันพื้นฐานเอสเตอร์

การยืนยันการก่อตัวของเอสเทอร์

การศึกษาโดย Arumugam และคณะ (2019) ยืนยันการเกิดเอสเทอร์ของเพนตะอีรีทอลโดยใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปี FTIR และการโครมาโทกราฟีของแก๊ส การวิเคราะห์ด้วย FTIR แสดงให้เห็นพีคคาร์บอนิลและพีค C–O ของเอสเทอร์ที่เป็นลักษณะเฉพาะของเอสเทอร์ ในขณะที่พีคเพิ่มเติมสนับสนุนการมีอยู่ของกลุ่มเพนตะอีรีทิล การแยกด้วยแก๊สโครมาโทกราฟีได้ยืนยันองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม รวมถึงส่วนที่เป็นโมโนเอสเตอร์ ไดเอสเตอร์ ไตรเอสเตอร์ และเตตระเอสเตอร์
สำหรับการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ การยืนยันทางวิเคราะห์นี้มีความสำคัญเนื่องจากประสิทธิภาพของสารหล่อลื่นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเอสเทอร์อย่างมาก ความสามารถในการส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างเอสเทอร์ที่ต้องการผ่านการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงที่ควบคุมได้ มอบเครื่องมือที่เป็นประโยชน์ให้กับผู้ผลิตในการปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันพื้นฐานและความสม่ำเสมอของกระบวนการ
 

สเปกตรัม FTIR ของเอสเทอร์เพนทาเอริทริทอลที่ผ่านกระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง
การศึกษาและกราฟิก: ©Arumugam และคณะ, 2019

ข้อดีของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น

Hielscher นำเสนอเครื่องโซนิเคเตอร์ครบทุกรูปแบบตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการจนถึงระดับอุตสาหกรรม&หน่วย D ไปยังระบบอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ซึ่งช่วยให้สามารถพัฒนากระบวนการในระดับห้องปฏิบัติการและถ่ายโอนไปยังระดับนำร่องและการผลิตได้โดยใช้หลักการพื้นฐานของอัลตราโซนิกเดียวกัน
เครื่องโซนิเคเตอร์ทั้งหมดที่มีกำลังไฟตั้งแต่ 200 วัตต์ขึ้นไป มาพร้อมระบบควบคุมแบบดิจิทัล การตั้งค่าที่โปรแกรมได้ การควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ การบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ โปรโตคอลข้อมูลอัตโนมัติ เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและแรงดันที่สามารถถอดเปลี่ยนได้ และคุณสมบัติอื่น ๆ อีกมากมาย เพื่อความสะดวกในการใช้งานสูงสุดและผลลัพธ์ที่แม่นยำซ้ำได้
สำหรับการผลิตสารหล่อลื่นอุตสาหกรรม Hielscher มีเครื่องโซนิเคเตอร์ขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการสำหรับการศึกษาความเป็นไปได้ ระบบขนาดนำร่องสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ และเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรม เช่น UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT และการติดตั้งหลายหน่วยขนาดใหญ่สำหรับการประมวลผลปริมาณสูงอย่างต่อเนื่อง
เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านช่วยให้สามารถควบคุมระยะเวลาการพักอยู่ของสาร ปรับความดันเพื่อเพิ่มการเกิดคาวิเทชันอย่างเข้มข้น ควบคุมอุณหภูมิ และผสานการทำงานเข้ากับสายการผลิตเอสเทอริฟิเคชันหรือทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่มีอยู่เดิมได้อย่างต่อเนื่อง

เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher มอบข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการสังเคราะห์เอสเตอร์และสารหล่อลื่นชีวภาพ:

• การควบคุมแอมพลิจูดที่แม่นยำเพื่อความเข้มของการเกิดโพรงอากาศที่ซ้ำได้
• การปรับการกระพริบได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการจัดการความร้อน
• การสั่นด้วยหัววัดกำลังสูงสำหรับการถ่ายโอนพลังงานโดยตรงและมีประสิทธิภาพเข้าสู่ตัวกลางปฏิกิริยา
• การดำเนินการแบบชุดและแบบไหลต่อเนื่องเพื่อการพัฒนาขั้นตอนการผลิตที่ยืดหยุ่น
• ความสามารถในการขยายขนาดการผลิตจากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง
• การออกแบบอุปกรณ์ที่แข็งแรงทนทานสำหรับสภาพแวดล้อมการแปรรูปทางเคมีที่ต้องการความเข้มงวด

 
 
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การสังเคราะห์ไดเอสเตอร์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเป็นกลยุทธ์การผลิต

หลักการกระบวนการของการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของน้ำมันและไขมันมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการสังเคราะห์ไดเอสเตอร์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงและการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพที่มีพื้นฐานจากเอสเทอร์ในวงกว้าง ไดเอสเตอร์เป็นฐานน้ำมันหล่อลื่นสังเคราะห์ที่สำคัญเนื่องจากมีพฤติกรรมความหนืด-อุณหภูมิที่ดีเยี่ยม, ความสามารถในการหล่อลื่น และคุณสมบัติที่อุณหภูมิต่ำ เช่นเดียวกับปฏิกิริยาเอสเตอริฟิเคชันและทรานส์เอสเตอริฟิเคชันอื่น ๆ การสังเคราะห์ไดเอสเตอร์มักได้รับประโยชน์จากการสัมผัสของสารตั้งต้นที่ดีขึ้น, การถ่ายโอนมวลที่รวดเร็วขึ้น และการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
การใช้อัลตราโซนิกจึงเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสำหรับผู้ผลิตที่ผลิตเอสเตอร์จากวัตถุดิบหมุนเวียน เอสเตอร์ของกรดไขมันเมทิล แอลกอฮอล์ โพลีออล หรือสารตั้งต้นของเอสเตอร์อื่นๆ แทนที่จะพึ่งพาความร้อนและการกวนทางกลเพียงอย่างเดียว อัลตราโซนิกจะนำการผสมที่ขับเคลื่อนด้วยคาวิเทชันในระดับจุลภาค ซึ่งข้อจำกัดของปฏิกิริหามากมายเกิดขึ้นจริง

สำหรับวิศวกรกระบวนการ, นี่หมายความว่าเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถใช้เพื่อปรับปรุง:

• อัตราปฏิกิริยา
• ปริมาณเอสเตอร์ที่ได้
• ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
• เฟสกระจาย
• ความสม่ำเสมอระหว่างชุดการผลิต
• ความกะทัดรัดของกระบวนการ
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเมื่อเปรียบเทียบกับการแปรรูปแบบดั้งเดิมที่ใช้เวลานาน

การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ประมาณ 75% ภายใน 1.5 นาทีแรก และคงที่ที่ประมาณ 90% หลังจาก 6 นาที
วิธีการแบบดั้งเดิมแสดงอัตราการเปลี่ยนแปลงที่ช้ากว่ามาก โดยสามารถทำได้เพียงประมาณ 40% หลังผ่านไป 8 นาที
การศึกษาและกราฟิก: ©Fayyazi et al., 2014

จากการศึกษาในห้องปฏิบัติการสู่การผลิตไบโอหล่อลื่นในอุตสาหกรรม

การทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเป็นตัวช่วย เป็นวิธีที่เหมาะสมสำหรับการผลิตเอสเทอร์สำหรับสารหล่อลื่น (เช่น ไบโอหล่อลื่นที่มีเอสเทอร์ของเพนตาอีริทริทอลเป็นฐาน) โดยมีอัตราผลผลิตที่ดีขึ้นและความรุนแรงของปฏิกิริยาน้อยลงเมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิม Arumugam และคณะ (2019) รายงานว่าผลผลิตเพิ่มขึ้นจาก 47% เป็นประมาณ 81.4% ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสำคัญทางการค้าของการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง
สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น ผลกระทบที่เกิดขึ้นนั้นชัดเจน: การทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถช่วยเปลี่ยนวัตถุดิบหมุนเวียนให้เป็นน้ำมันพื้นฐานเอสเทอร์ที่มีมูลค่าสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยเครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher แพลตฟอร์มเทคโนโลยีเดียวกันที่ใช้ในการปรับประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการสามารถขยายไปสู่การใช้งานในอุตสาหกรรมแบบต่อเนื่องได้ ซึ่งทำให้การประมวลผลด้วยคลื่นเสียงไม่ใช่แค่เครื่องมือวิจัยเท่านั้น แต่ยังเป็นกลยุทธ์การผลิตที่เป็นไปได้สำหรับไบโอหล่อลื่นรุ่นต่อไป
โดยการผสานรวมเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher เข้ากับสายการผลิตเอสเทอร์ ผู้ผลิตสามารถเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน ปรับปรุงผลผลิต และพัฒนาฐานน้ำมันหล่อลื่นที่ยั่งยืนมากขึ้นจากวัตถุดิบที่ได้จากน้ำมันพืช เนื่องจากความต้องการในน้ำมันหล่อลื่นที่ย่อยสลายได้และหมุนเวียนได้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การสังเคราะห์ไดเอสเตอร์และโพลีโอลเอสเทอร์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงเป็นทางเลือกที่แข็งแกร่งในการผลิตน้ำมันหล่อลื่นชีวภาพที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และแข่งขันได้ในเชิงพาณิชย์

วรรณกรรม / อ้างอิง