Yuqori samarali biomoylash materiallarini ishlab chiqarish uchun ultratovush yordamida diester sintezi

Sanoat tarmoqlarida neftdan olinadigan moylash materiallaridan qayta tiklanadigan, biologik parchalanadigan va yuqori samarali murakkab efir asosidagi moylash materiallariga oʻtish jadallashmoqda. Moylash materiallarini ishlab chiqaruvchilarga yuqori qovushqoqlik indeksi, past uchuvchanlik, yaxshi moylash xususiyati, termik barqarorlik va past haroratlarda ishonchli xususiyatlar kabi qatʼiy ishlash mezonlarini saqlagan holda atrof-muhitga taʼsirni kamaytirish boʻyicha bosim tobora ortib bormoqda. Shu nuqtayi nazardan, ultratovushli transesterifikatsiya zamonaviy biomoylash materiallari tarkiblarida ishlatiladigan murakkab efir asosidagi xomashyolarni sintez qilish jarayonini jadallashtirishning kuchli strategiyasini taklif etadi.

Biomoylash materiallari uchun diesterlarning ultratovushli transesterifikatsiyasi

Oʻsimlik moylari va yogʻlarining ultratovushli transesterifikatsiyasi murakkab efir unumini sezilarli darajada oshiradigan, ishlov berishdagi cheklovlarni kamaytiradigan va transesterifikatsiya usulini moylash materiallarini sanoat miqyosida ishlab chiqarish uchun yanada jozibador qiladigan barqaror texnikadir. Hielscher zond turidagi ultratovush bilan ishlov berish qurilmalari nazorat qilinadigan jarayon sharoitlarida oqim liniyasida ishlab chiqarishda murakkab efirlarni samarali sintez qilish uchun ishlatiladi.

Transesterifikatsiya orqali biomoylash materiallari sintezi

Oʻsimlik moylari biomoylash materiallari uchun jozibador xomashyo hisoblanadi, chunki ular qayta tiklanadi, biologik parchalanadi va yaxshi moylash xususiyatiga ega. Biroq ishlov berilmagan oʻsimlik moylarining oksidlanishga barqarorligi koʻpincha cheklangan boʻlib, past haroratdagi xususiyatlari ham yomon boʻladi. Ushbu kamchiliklarni bartaraf etishning keng tarqalgan strategiyasi oʻsimlik moyidan olingan metil efirlarni transesterifikatsiya orqali pentaeritritol efirlari kabi poliol murakkab efirlariga aylantirishdir.
Arumugam va boshqalarning «Poliol murakkab efiri asosidagi biomoylash materiali sintezida ultratovush bilan ishlov beriladigan transesterifikatsiya jarayoni parametrlarini RSM va qargʻa qidiruv algoritmi asosida optimallashtirish» tadqiqotida raps moyi avval raps moyining metil efiriga aylantirilgan. Ikkinchi bosqichda bu metil efir p-toluolsulfon kislotasi katalizatori va erituvchi sifatida ksilol ishtirokida pentaeritritol bilan reaksiyaga kiritilgan. Maqsadli mahsulot biomoylash materiali uchun asos moyi sifatida mos boʻlgan pentaeritritol murakkab efiri edi. Bu reaksiya moylash materiallarini ishlab chiqaruvchilar uchun juda dolzarb, chunki poliol murakkab efirlari kompressor moylari, gidravlik suyuqliklar, sovitish tizimi moylari va boshqa yuqori samarali moylash materiallari uchun sintetik asos moylari sifatida keng qoʻllaniladi.
Anʼanaviy transesterifikatsiyaning asosiy muammosi shundaki, reaksiya koʻpincha reagentlar orasidagi sust massa almashinuvi bilan cheklanadi. Metil efirlar, poliollar va katalizatorlar har doim ham ideal bir jinsli reaksiya tizimini hosil qilmaydi. Anʼanaviy aralashtirish uzoq reaksiya vaqtini, yuqori haroratni va koʻproq energiya sarfini talab qilishi mumkin, shu bilan birga unum oʻrtacha darajada qoladi. Aynan shu yerda ultratovush bilan ishlov berish hal qiluvchi ustunlik beradi.

Pentaeritritol murakkab efirining ultratovushli transesterifikatsiya jarayoni sxemasi
Tadqiqot va grafik: ©Arumugam et al,.2019

Ultratovushli transesterifikatsiya murakkab efir sintezini qanday jadallashtiradi

Ultratovushli transesterifikatsiya suyuq reaksiya muhitida akustik kavitatsiya hosil qilish uchun yuqori intensivlikdagi ultratovushdan foydalanadi. Kavitatsiya kattalashib, shiddat bilan qulaydigan mikroskopik pufakchalarni hosil qiladi. Bu kuchli mahalliy siljish kuchlari, mikrooqimchalar, akustik oqim va mikroemulsiyalanishni yuzaga keltiradi.
Murakkab efir sintezi uchun ushbu taʼsirlar juda qimmatli, chunki ular:

• tomchilar oʻlchamini kamaytiradi va fazalar orasidagi kontaktni yaxshilaydi
• aralashmaydigan yoki yomon aralashadigan reagentlar orasidagi fazalararo sirt maydonini oshiradi
• katalizatorning reagentlar bilan kontaktga kirishish imkoniyatini oshiradi
• massa almashinuvini tezlashtiradi
• reaksiya kinetikasini yaxshilaydi
• optimallashtirilgan sharoitlarda murakkab efir unumining yuqoriroq boʻlishiga yordam beradi

Tadqiqotda kavitatsiya tufayli yuzaga keladigan turbulentlik va mikroemulsiyalar anʼanaviy transesterifikatsiyadagi massa almashinuvi cheklovlarini bartaraf etishi tushuntirilgan. Natijada reagentlar samaraliroq disperslanadi va katalitik reaksiya tezroq hamda toʻliqroq kechadi.

Tadqiqot natijalari: ultratovush yordamida yuqoriroq murakkab efir unumi

Tadqiqotda ultratovush yordamidagi jarayon javob yuzasi metodologiyasi va qargʻa qidiruv algoritmi yordamida optimallashtirilgan. Oʻrganilgan jarayon oʻzgaruvchilari ultratovush impulsi, ultratovush amplitudasi, katalizator konsentratsiyasi va reaksiya harorati boʻlgan.
Optimallashtirilgan ultratovushli jarayon sharoitlari quyidagicha edi:
Ultratovush bilan ishlov berish tizimi: Hielscher UP400St zond turidagi ultratovush bilan ishlov berish qurilmasi
Ultratovush impulsi: 15 soniya
Ultratovush amplitudasi: 60%
Katalizator konsentratsiyasi: 1,5 wt.%
Reaksiya harorati: 100°C

Ushbu optimallashtirilgan sharoitlarda ultratovush yordamidagi transesterifikatsiya pentaeritritol murakkab efirining taxminan 81,4% unumiga erishgan. Taqqoslash uchun, anʼanaviy transesterifikatsiya usuli tadqiqotda baholangan sharoitlarda faqat taxminan 47% unum bergan. Bu ultratovush bilan ishlov berish anʼanaviy usulga nisbatan murakkab efir unumini 70% dan koʻproqqa oshirganini anglatadi.
Moylash materiallarini ishlab chiqaruvchilar uchun bu juda dolzarb natijadir. Yuqoriroq unum xomashyodan yaxshiroq foydalanish, yon mahsulot oqimlarini kamaytirish, jarayonning iqtisodiy samaradorligini yaxshilash va murakkab efir asos moyining har bir kilogrammi uchun ishlab chiqarish xarajatlarini potensial ravishda pasaytirishni anglatadi.

Murakkab efir hosil boʻlishining tasdiqlanishi

Arumugam va boshqalarning (2019) tadqiqoti FTIR spektroskopiyasi va gaz xromatografiyasi orqali pentaeritritol murakkab efiri hosil boʻlishini tasdiqlagan. FTIR tahlili murakkab efir karbonil guruhiga va murakkab efirning C–O bogʻiga xos choʻqqilarni koʻrsatgan, qoʻshimcha choʻqqilar esa pentaeritritil guruhi mavjudligini qoʻllab-quvvatlagan. Gaz xromatografiyasi mahsulot tarkibini, jumladan monoester, diester, triester va tetraester fraksiyalarini qoʻshimcha ravishda tasdiqlagan.
Biomoylash materiallarini ishlab chiqarishda ushbu analitik tasdiq muhimdir, chunki moylash materialining ishlash xususiyatlari murakkab efir tarkibiga kuchli darajada bogʻliq. Nazorat qilinadigan ultratovushli transesterifikatsiya orqali kerakli murakkab efir tuzilmalarining hosil boʻlishini ragʻbatlantirish imkoniyati ishlab chiqaruvchilarga asos moyi sifatini va jarayonning bir xilligini yaxshilash uchun amaliy vosita beradi.
 

Ultratovush yordamida transesterifikatsiya qilingan pentaeritritol murakkab efirining FTIR spektri
Tadqiqot va grafik: ©Arumugam et al., 2019

Moylash materiallarini ishlab chiqaruvchilar uchun Hielscher ultratovush bilan ishlov berish qurilmalarining afzalliklari

Hielscher ilmiy-tadqiqot va ishlanma qurilmalaridan tortib toʻliq sanoat ultratovush tizimlarigacha boʻlgan ultratovush bilan ishlov berish qurilmalarining toʻliq assortimentini taklif etadi. Bu jarayonni laboratoriya miqyosida ishlab chiqish va keyin ultratovushning ayni asosiy tamoyillaridan foydalanib uni tajriba va ishlab chiqarish miqyosiga oʻtkazish imkonini beradi.
Quvvati 200 vatt va undan yuqori boʻlgan barcha ultratovush bilan ishlov berish qurilmalari foydalanishda eng yuqori qulaylik va takrorlanadigan natijalar uchun raqamli boshqaruv, dasturlanadigan sozlamalar, brauzer orqali masofadan boshqarish, maʼlumotlarni avtomatik qayd etish, ulab qoʻyiladigan harorat va bosim sensorlari hamda koʻplab boshqa imkoniyatlarga ega.
Moylash materiallarini sanoat miqyosida ishlab chiqarish uchun Hielscher assortimenti texnik amalga oshirish imkoniyatini oʻrganishga moʻljallangan ixcham laboratoriya ultratovush bilan ishlov berish qurilmalarini, jarayonni optimallashtirish uchun tajriba miqyosidagi tizimlarni va UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT kabi sanoat ultratovush protsessorlarini hamda katta hajmlarga uzluksiz ishlov berish uchun bir nechta qurilmadan tashkil topgan kattaroq oʻrnatmalarni oʻz ichiga oladi.
Oqim oʻtadigan reaktorlar muhitning reaktorda qolish vaqtini nazorat qilish, kuchliroq kavitatsiya uchun bosimni oshirish, haroratni boshqarish va mavjud esterifikatsiya yoki transesterifikatsiya ishlab chiqarish liniyalariga oqim boʻylab integratsiya qilish imkonini beradi.

Hielscher ultratovush protsessorlari murakkab efir va biomoylash materiallari sintezi uchun muhim afzalliklarni taklif etadi:

• takror hosil qilinadigan kavitatsiya intensivligi uchun amplitudani aniq boshqarish
• energiya kiritish va issiqlikni boshqarishni optimallashtirish uchun sozlanadigan impulsli ishlash
• energiyani reaksiya muhitiga bevosita va samarali uzatish uchun yuqori quvvatli zond yordamida ultratovush bilan ishlov berish
• jarayonni moslashuvchan ishlab chiqish uchun partiyali va uzluksiz oqimli ishlash
• laboratoriya sinovlaridan yuqori ishlab chiqarish unumdorligiga ega ishlab chiqarishgacha sanoat miqyosini kengaytirish imkoniyati
• kimyoviy ishlov berishning murakkab sharoitlari uchun mustahkam uskuna konstruksiyasi

 
 
Quyidagi jadval ultratovush bilan ishlov berish qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:

Ishlab chiqarish strategiyasi sifatida ultratovush yordamida diester sintezi

Moylar va yogʻlarning ultratovushli transesterifikatsiyasi jarayonining tamoyili ultratovush yordamida diester sintezi va yanada kengroq murakkab efir asosidagi biomoylash materiallarini ishlab chiqarishga bevosita tegishlidir. Diesterlar qulay qovushqoqlik–harorat xususiyatlari, moylash xususiyati va past haroratdagi xususiyatlari tufayli muhim sintetik asos moylari hisoblanadi. Boshqa esterifikatsiya va transesterifikatsiya reaksiyalari kabi, diester sintezi ham koʻpincha reagentlar orasidagi kontaktning yaxshilanishi, tezroq massa almashinuvi va katalizatordan samaraliroq foydalanishdan foyda koʻradi.
Shuning uchun ultratovush bilan ishlov berish qayta tiklanadigan xomashyolar, yogʻ kislotalarining metil efirlari, spirtlar, poliollar yoki boshqa murakkab efir prekursorlaridan murakkab efirlar ishlab chiqaradigan ishlab chiqaruvchilar uchun amaliy jadallashtirish vositasidir. Faqat issiqlik va mexanik aralashtirishga tayanish oʻrniga, ultratovush koʻplab reaksiya cheklovlari aslida yuzaga keladigan mikroskopik darajada kavitatsiya taʼsiridagi aralashtirishni taʼminlaydi.

Texnolog-muhandislar uchun bu ultratovush reaktorlaridan quyidagilarni yaxshilash uchun foydalanish mumkinligini anglatadi:

• reaksiya tezligi
• murakkab efir unumi
• katalizator samaradorligi
• fazalarning disperslanishi
• partiyalar orasidagi bir xillik
• jarayonning ixchamligi
• uzoq davom etadigan anʼanaviy ishlov berishga nisbatan energiya samaradorligi

Ultratovushli transesterifikatsiya dastlabki 1,5 daqiqa ichida taxminan 75% konversiyaga erishadi va 6 daqiqadan soʻng taxminan 90% konversiya darajasida barqarorlashadi.
Anʼanaviy usul konversiyaning ancha sekin kechishini koʻrsatadi va 8 daqiqadan soʻng faqat taxminan 40% konversiyaga erishadi.
Tadqiqot va grafik: ©Fayyazi et al., 2014

Laboratoriya tadqiqotidan biomoylash materiallarini sanoat miqyosida ishlab chiqarishgacha

Ultratovush yordamidagi transesterifikatsiya anʼanaviy usulga nisbatan unumning oshishi va reaksiya sharoitlarining yumshatilishi bilan moylash materiallari uchun murakkab efirlarni (masalan, pentaeritritol murakkab efiri asosidagi biomoylash materialini) ishlab chiqarishga mos usuldir. Arumugam va boshqalar (2019) unumning 47% dan taxminan 81,4% gacha oshganini qayd etgan, bu ultratovush yordamida jarayonni jadallashtirishning tijoriy ahamiyatini yaqqol koʻrsatadi.
Moylash materiallarini ishlab chiqaruvchilar uchun bundan kelib chiqadigan xulosalar ravshan: ultratovushli transesterifikatsiya qayta tiklanadigan xomashyolarni yuqori qiymatli murakkab efir asos moylariga samaraliroq aylantirishga yordam berishi mumkin. Hielscher ultratovush bilan ishlov berish qurilmalari yordamida laboratoriyada optimallashtirish uchun qoʻllanilgan ayni texnologik platformani uzluksiz sanoat ishlashiga mos miqyosga kengaytirish mumkin. Bu ultratovush bilan ishlov berishni nafaqat tadqiqot vositasi, balki yangi avlod biomoylash materiallari uchun amalda qoʻllash mumkin boʻlgan ishlab chiqarish strategiyasiga aylantiradi.
Hielscher ultratovush reaktorlarini murakkab efir sintezi liniyalariga integratsiya qilish orqali ishlab chiqaruvchilar transesterifikatsiyani jadallashtirishi, unumlarni oshirishi va oʻsimlik moyidan olingan xomashyolardan yanada barqaror asos moylarini ishlab chiqishi mumkin. Biologik parchalanadigan va qayta tiklanadigan moylash materiallariga talab oʻsishda davom etar ekan, ultratovush yordamida diester va poliol murakkab efirlari sintezi yanada toza, samarali va tijoriy jihatdan raqobatbardosh biomoylash materiallarini ishlab chiqarish sari kuchli yoʻlni taklif etadi.

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.