การสังเคราะห์ไดเอสเทอร์ด้วยอัลตราโซนิกสำหรับการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพสมรรถนะสูง

การเปลี่ยนจากสารหล่อลื่นที่ได้จากปิโตรเลียมไปสู่สารหล่อลื่นฐานเอสเทอร์ที่ผลิตจากทรัพยากรหมุนเวียน ย่อยสลายทางชีวภาพได้ และมีสมรรถนะสูงกำลังเร่งตัวขึ้นในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ ผู้ผลิตสารหล่อลื่นเผชิญแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ขณะเดียวกันก็ต้องรักษาเกณฑ์สมรรถนะที่เข้มงวด เช่น ดัชนีความหนืดสูง ความระเหยต่ำ ความสามารถในการหล่อลื่นที่ดี เสถียรภาพทางความร้อน และพฤติกรรมที่เชื่อถือได้ที่อุณหภูมิต่ำ ในบริบทนี้ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกเป็นกลยุทธ์ที่ทรงประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสังเคราะห์วัตถุดิบฐานเอสเทอร์ที่ใช้ในสูตรสารหล่อลื่นชีวภาพสมัยใหม่

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไดเอสเทอร์ด้วยอัลตราโซนิกสำหรับสารหล่อลื่นชีวภาพ

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชและไขมันด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ยั่งยืน ซึ่งเพิ่มผลได้ของเอสเทอร์อย่างมีนัยสำคัญ ลดข้อจำกัดในการแปรรูป และทำให้แนวทางทรานส์เอสเทอริฟิเคชันน่าสนใจยิ่งขึ้นสำหรับการผลิตสารหล่อลื่นในระดับอุตสาหกรรม เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบของ Hielscher ใช้สำหรับการสังเคราะห์เอสเทอร์อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตแบบอินไลน์ภายใต้สภาวะกระบวนการที่ควบคุมไว้

การสังเคราะห์สารหล่อลื่นชีวภาพด้วยทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน

น้ำมันพืชเป็นวัตถุดิบที่น่าสนใจสำหรับสารหล่อลื่นชีวภาพ เนื่องจากผลิตจากทรัพยากรหมุนเวียน ย่อยสลายทางชีวภาพได้ และมีความสามารถในการหล่อลื่นที่ดี อย่างไรก็ตาม น้ำมันพืชที่ไม่ผ่านการปรับสภาพมักมีข้อจำกัดด้านเสถียรภาพต่อการออกซิเดชันและมีสมบัติที่อุณหภูมิต่ำไม่ดี กลยุทธ์ที่ใช้กันทั่วไปเพื่อแก้ไขข้อด้อยเหล่านี้คือการเปลี่ยนเมทิลเอสเทอร์ที่ได้จากน้ำมันพืชให้เป็นพอลิออลเอสเทอร์ เช่น เอสเทอร์ของ pentaerythritol ด้วยทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน
ในการศึกษาเรื่อง “การหาค่าที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์กระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกในการสังเคราะห์สารหล่อลื่นชีวภาพฐานพอลิออลเอสเทอร์โดยใช้ RSM และอัลกอริทึมการค้นหาแบบอีกา” โดย Arumugam และคณะ น้ำมันเรพซีดถูกเปลี่ยนเป็นเมทิลเอสเทอร์ของน้ำมันเรพซีดก่อน ในขั้นตอนที่สอง เมทิลเอสเทอร์นี้ทำปฏิกิริยากับ pentaerythritol โดยมี p-toluenesulfonic acid เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและ xylene เป็นตัวทำละลาย ผลิตภัณฑ์เป้าหมายคือเอสเทอร์ของ pentaerythritol ที่เหมาะสำหรับใช้เป็นน้ำมันพื้นฐานของสารหล่อลื่นชีวภาพ ปฏิกิริยานี้มีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับผู้ผลิตสารหล่อลื่น เนื่องจากพอลิออลเอสเทอร์ถูกใช้อย่างแพร่หลายเป็นน้ำมันพื้นฐานสังเคราะห์สำหรับน้ำมันคอมเพรสเซอร์ ของไหลไฮดรอลิก น้ำมันระบบทำความเย็น และการใช้งานสารหล่อลื่นสมรรถนะสูงอื่น ๆ
ความท้าทายหลักของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันแบบดั้งเดิมคือปฏิกิริยามักถูกจำกัดด้วยการถ่ายเทมวลที่ไม่ดีระหว่างสารตั้งต้น เมทิลเอสเทอร์ พอลิออล และตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้ก่อให้เกิดระบบปฏิกิริยาเนื้อเดียวที่เหมาะสมเสมอไป การกวนแบบดั้งเดิมอาจต้องใช้เวลาปฏิกิริยานาน อุณหภูมิสูง และพลังงานป้อนเข้าสูง แต่ยังคงให้ผลได้ในระดับปานกลาง การแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกจึงให้ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในจุดนี้

แผนผังลำดับขั้นตอนกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกสำหรับเอสเทอร์ของ pentaerythritol
การศึกษาและภาพประกอบ: ©Arumugam et al,.2019

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์เอสเทอร์ได้อย่างไร

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเพื่อสร้างคาวิเทชันทางเสียงในตัวกลางปฏิกิริยาที่เป็นของเหลว คาวิเทชันทำให้เกิดฟองขนาดจุลภาคที่ขยายตัวและยุบตัวอย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะที่อย่างเข้มข้น ลำพุ่งของเหลวระดับจุลภาค การไหลเวียนที่เกิดจากคลื่นเสียง และการเกิดอิมัลชันระดับจุลภาค
สำหรับการสังเคราะห์เอสเทอร์ ผลเหล่านี้มีคุณค่าอย่างมาก เนื่องจากช่วย:

• ลดขนาดหยดและปรับปรุงการสัมผัสระหว่างเฟส
• เพิ่มพื้นที่ผิวระหว่างเฟสของสารตั้งต้นที่ไม่ผสมกันหรือผสมกันได้ไม่ดี
• เพิ่มความสามารถในการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยา
• เร่งการถ่ายเทมวล
• ปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา
• ส่งเสริมผลได้ของเอสเทอร์ที่สูงขึ้นภายใต้สภาวะที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด

การศึกษาอธิบายว่าการไหลปั่นป่วนและไมโครอิมัลชันที่เกิดจากคาวิเทชันช่วยแก้ไขข้อจำกัดด้านการถ่ายเทมวลของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันแบบดั้งเดิม ส่งผลให้สารตั้งต้นกระจายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และปฏิกิริยาที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาดำเนินไปได้รวดเร็วและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ผลการศึกษา: ผลได้ของเอสเทอร์ที่สูงขึ้นด้วยอัลตราซาวนด์

การศึกษาปรับกระบวนการที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้เหมาะสมที่สุดโดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนองและอัลกอริทึมการค้นหาแบบอีกา ตัวแปรกระบวนการที่ศึกษาคือพัลส์อัลตราโซนิก แอมพลิจูดอัลตราโซนิก ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา และอุณหภูมิปฏิกิริยา
สภาวะกระบวนการอัลตราโซนิกที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดมีดังนี้:
ระบบเครื่องอัลตราโซนิก: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ Hielscher UP400St
พัลส์อัลตราโซนิก: 15 วินาที
แอมพลิจูดอัลตราโซนิก: 60%
ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา: 1.5 wt.%
อุณหภูมิปฏิกิริยา: 100°C

ภายใต้สภาวะที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดเหล่านี้ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้ผลได้ของเอสเทอร์ของ pentaerythritol ประมาณ 81.4% เมื่อเปรียบเทียบกัน แนวทางทรานส์เอสเทอริฟิเคชันแบบดั้งเดิมให้ผลได้เพียงประมาณ 47% ภายใต้สภาวะที่ประเมินในการศึกษา ซึ่งหมายความว่าการแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มผลได้ของเอสเทอร์มากกว่า 70% เมื่อเทียบกับแนวทางแบบดั้งเดิม
สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น ผลลัพธ์นี้มีความเกี่ยวข้องอย่างมาก ผลได้ที่สูงขึ้นหมายถึงการใช้วัตถุดิบได้ดีขึ้น ลดกระแสผลิตภัณฑ์ข้างเคียง ปรับปรุงความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของกระบวนการ และอาจลดต้นทุนการผลิตต่อกิโลกรัมของน้ำมันพื้นฐานเอสเทอร์

การยืนยันการเกิดเอสเทอร์

การศึกษาของ Arumugam และคณะ (2019) ยืนยันการเกิดเอสเทอร์ของ pentaerythritol ด้วยสเปกโทรสโกปี FTIR และแก๊สโครมาโทกราฟี การวิเคราะห์ FTIR แสดงพีกจำเพาะของคาร์บอนิลในเอสเทอร์และ C–O ในเอสเทอร์ ขณะที่พีกเพิ่มเติมสนับสนุนการมีอยู่ของหมู่ pentaerythrityl แก๊สโครมาโทกราฟียังยืนยันองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ รวมถึงส่วนของโมโนเอสเทอร์ ไดเอสเทอร์ ไตรเอสเทอร์ และเตตระเอสเทอร์
สำหรับการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ การยืนยันด้วยการวิเคราะห์นี้มีความสำคัญ เนื่องจากสมรรถนะของสารหล่อลื่นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเอสเทอร์อย่างมาก ความสามารถในการส่งเสริมการเกิดโครงสร้างเอสเทอร์ที่ต้องการผ่านทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกที่มีการควบคุม ช่วยให้ผู้ผลิตมีเครื่องมือที่ใช้ได้จริงในการปรับปรุงคุณภาพน้ำมันพื้นฐานและความสม่ำเสมอของกระบวนการ
 

สเปกตรัม FTIR ของเอสเทอร์ของ pentaerythritol ที่ผ่านทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิก
การศึกษาและภาพประกอบ: ©Arumugam et al., 2019

ข้อได้เปรียบของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น

Hielscher มีเครื่องอัลตราโซนิกครบทุกระดับ ตั้งแต่เครื่องสำหรับการวิจัยและพัฒนาไปจนถึงระบบอัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ซึ่งช่วยให้พัฒนากระบวนการในระดับห้องปฏิบัติการ แล้วถ่ายทอดไปสู่ระดับนำร่องและระดับการผลิตโดยใช้หลักการพื้นฐานทางอัลตราโซนิกเดียวกันได้
เครื่องอัลตราโซนิกทุกเครื่องที่มีกำลังตั้งแต่ 200 วัตต์ขึ้นไปมีการควบคุมแบบดิจิทัล การตั้งค่าที่ตั้งโปรแกรมได้ การใช้งานจากระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ การบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ เซนเซอร์อุณหภูมิและความดันที่เสียบต่อได้ และคุณสมบัติอื่น ๆ อีกมากมาย เพื่อความสะดวกในการใช้งานสูงสุดและผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
สำหรับการผลิตสารหล่อลื่นในระดับอุตสาหกรรม กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Hielscher ประกอบด้วยเครื่องอัลตราโซนิกขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ ระบบระดับนำร่องสำหรับการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด และเครื่องแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรม เช่น UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT ตลอดจนระบบติดตั้งหลายเครื่องที่มีขนาดใหญ่ขึ้นสำหรับการแปรรูปปริมาณมากอย่างต่อเนื่อง
เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านช่วยให้ควบคุมเวลาพำนัก เพิ่มความดันเพื่อให้เกิดคาวิเทชันที่เข้มข้นขึ้น จัดการอุณหภูมิ และผสานการทำงานแบบอินไลน์เข้ากับสายการผลิตเอสเทอริฟิเคชันหรือทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่มีอยู่ได้

เครื่องแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกของ Hielscher ให้ข้อได้เปรียบสำคัญสำหรับการสังเคราะห์เอสเทอร์และสารหล่อลื่นชีวภาพ:

• การควบคุมแอมพลิจูดอย่างแม่นยำเพื่อให้ความเข้มของคาวิเทชันทำซ้ำได้
• การทำงานแบบพัลส์ที่ปรับได้เพื่อให้การป้อนพลังงานและการจัดการความร้อนเหมาะสมที่สุด
• การใช้อัลตราโซนิกแบบโพรบกำลังสูงเพื่อถ่ายโอนพลังงานเข้าสู่ตัวกลางปฏิกิริยาโดยตรงและอย่างมีประสิทธิภาพ
• การทำงานแบบแบตช์และแบบไหลต่อเนื่องเพื่อการพัฒนากระบวนการที่ยืดหยุ่น
• ความสามารถในการขยายขนาดสู่ระดับอุตสาหกรรม ตั้งแต่การทดสอบในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตที่มีอัตราการแปรรูปสูง
• การออกแบบอุปกรณ์ที่แข็งแกร่งสำหรับสภาพแวดล้อมการแปรรูปทางเคมีที่มีข้อกำหนดเข้มงวด

 
 
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การสังเคราะห์ไดเอสเทอร์ด้วยอัลตราโซนิกในฐานะกลยุทธ์การผลิต

หลักการกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันและไขมันด้วยอัลตราโซนิกมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการสังเคราะห์ไดเอสเทอร์ด้วยอัลตราโซนิกและการผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพฐานเอสเทอร์ในขอบเขตที่กว้างขึ้น ไดเอสเทอร์เป็นน้ำมันพื้นฐานสังเคราะห์ที่สำคัญ เนื่องจากมีพฤติกรรมความหนืดตามอุณหภูมิที่ดี ความสามารถในการหล่อลื่น และสมบัติที่อุณหภูมิต่ำที่ดี เช่นเดียวกับปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอื่น ๆ การสังเคราะห์ไดเอสเทอร์มักได้รับประโยชน์จากการสัมผัสของสารตั้งต้นที่ดีขึ้น การถ่ายเทมวลที่เร็วขึ้น และการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ดังนั้น การใช้อัลตราโซนิกจึงเป็นเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการที่ใช้ได้จริงสำหรับผู้ผลิตเอสเทอร์จากวัตถุดิบหมุนเวียน เมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน แอลกอฮอล์ พอลิออล หรือสารตั้งต้นเอสเทอร์อื่น ๆ แทนที่จะอาศัยเพียงความร้อนและการกวนเชิงกล อัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการผสมที่ขับเคลื่อนด้วยคาวิเทชันในระดับจุลภาค ซึ่งเป็นระดับที่ข้อจำกัดของปฏิกิริยาหลายอย่างเกิดขึ้นจริง

สำหรับวิศวกรกระบวนการ นี่หมายความว่าเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถใช้เพื่อปรับปรุง:

• อัตราการเกิดปฏิกิริยา
• ผลได้ของเอสเทอร์
• ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
• การกระจายตัวของเฟส
• ความสม่ำเสมอระหว่างแบตช์
• ความกะทัดรัดของกระบวนการ
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเมื่อเทียบกับการแปรรูปแบบดั้งเดิมที่ใช้เวลานาน

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกมีอัตราการเปลี่ยนสารประมาณ 75% ภายใน 1.5 นาทีแรก และคงตัวที่อัตราการเปลี่ยนสารประมาณ 90% หลังจาก 6 นาที
วิธีแบบดั้งเดิมแสดงอัตราการเปลี่ยนสารที่ช้ากว่ามาก โดยมีอัตราการเปลี่ยนสารเพียงประมาณ 40% หลังจาก 8 นาที
การศึกษาและภาพประกอบ: ©Fayyazi et al., 2014

จากการศึกษาในห้องปฏิบัติการสู่การผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพในระดับอุตสาหกรรม

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเป็นวิธีที่เหมาะสำหรับการผลิตเอสเทอร์สำหรับสารหล่อลื่น (เช่น สารหล่อลื่นชีวภาพฐานเอสเทอร์ของ pentaerythritol) โดยให้ผลได้ที่ดีขึ้นและลดความรุนแรงของสภาวะปฏิกิริยาเมื่อเทียบกับแนวทางแบบดั้งเดิม Arumugam และคณะ (2019) รายงานการเพิ่มขึ้นของผลได้จาก 47% เป็นประมาณ 81.4% ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสำคัญเชิงพาณิชย์ของการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการด้วยอัลตราโซนิก
สำหรับผู้ผลิตสารหล่อลื่น ผลที่ตามมานั้นชัดเจน: ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราโซนิกสามารถช่วยเปลี่ยนวัตถุดิบหมุนเวียนเป็นน้ำมันพื้นฐานเอสเทอร์มูลค่าสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher แพลตฟอร์มเทคโนโลยีเดียวกันที่ใช้ในการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุดในห้องปฏิบัติการสามารถขยายขนาดไปสู่การทำงานอย่างต่อเนื่องในระดับอุตสาหกรรมได้ สิ่งนี้ทำให้การแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกเป็นทั้งเครื่องมือวิจัยและกลยุทธ์การผลิตที่ใช้ได้จริงสำหรับสารหล่อลื่นชีวภาพรุ่นใหม่
การผสานเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher เข้ากับสายการสังเคราะห์เอสเทอร์ช่วยให้ผู้ผลิตเพิ่มประสิทธิภาพทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน เพิ่มผลได้ และพัฒนาน้ำมันพื้นฐานสำหรับสารหล่อลื่นที่ยั่งยืนยิ่งขึ้นจากวัตถุดิบที่ได้จากน้ำมันพืช เมื่อความต้องการสารหล่อลื่นที่ย่อยสลายทางชีวภาพได้และผลิตจากทรัพยากรหมุนเวียนยังคงเติบโต การสังเคราะห์ไดเอสเทอร์และพอลิออลเอสเทอร์ด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นแนวทางที่มีศักยภาพสูงสู่การผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และแข่งขันได้ในเชิงพาณิชย์

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.