Sản xuất chất bôi trơn sinh học: Tăng cường quy trình bằng phương pháp siêu âm

Ngành công nghiệp chất bôi trơn đang bước vào giai đoạn quyết định về đổi mới công thức. Khi người dùng công nghiệp, các lĩnh vực giao thông vận tải, các đơn vị vận hành hàng hải và các ứng dụng nhạy cảm với môi trường chuyển hướng sang các giải pháp thay thế có khả năng phân hủy sinh học và tái tạo, các nhà sản xuất chất bôi trơn đang phải đối mặt với áp lực ngày càng lớn trong việc cung cấp các loại chất bôi trơn sinh học hiệu suất cao mà không làm ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát độ nhớt, độ ổn định oxy hóa, khả năng chống mài mòn hay độ ổn định khi lưu trữ lâu dài. Các nhà phân tích thị trường dự báo sự tăng trưởng liên tục của thị trường dầu bôi trơn sinh học, được thúc đẩy bởi nhu cầu về các giải pháp dầu bôi trơn phân hủy sinh học, giảm phát thải và bền vững trong các ứng dụng giao thông vận tải và công nghiệp.

Sản xuất chất bôi trơn sinh học bằng công nghệ siêu âm: Tăng cường quy trình sản xuất nhằm tạo ra các chất bôi trơn bền vững

Trong bối cảnh đó, công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm, còn được gọi là sonication, đang ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp với tư cách là một công nghệ sản xuất đa năng dành cho việc chế tạo chất bôi trơn sinh học. Siêu âm công suất cao có thể được sử dụng cho quá trình phân tán siêu âm, phản ứng transesterification siêu âm, tạo nhũ tương và chuẩn bị hạt microgel, mang lại cho các nhà phát triển công thức một công cụ mạnh mẽ để cải thiện cả hiệu suất chuyển hóa hóa học lẫn chất lượng công thức vật lý. Điều này khiến sonication trở thành một kỹ thuật xử lý hiệu quả cao được ứng dụng trong dầu bôi trơn sinh học, mỡ bôi trơn sinh học, chất bôi trơn sinh học gốc nước và chất bôi trơn đạt tiêu chuẩn thực phẩm.

Tại sao công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm lại quan trọng đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn sinh học

Chất bôi trơn sinh học thường dựa trên các hệ thống nguyên liệu phức tạp: dầu thực vật, este tổng hợp, polyme có nguồn gốc sinh học, dẫn xuất cellulose, phụ gia chức năng, chất chống oxy hóa, chất ức chế ăn mòn, chất chống mài mòn, chất điều chỉnh ma sát, cùng các pha gốc nước hoặc dạng nhũ tương. Các thành phần này có thể khác biệt đáng kể về độ phân cực, độ nhớt, kích thước hạt, độ hòa tan và hành vi tại bề mặt phân cách. Các máy trộn thông thường, hệ thống rotor-stator hoặc quá trình khuấy theo mẻ kéo dài có thể không luôn cung cấp đủ mật độ năng lượng để tạo ra các hỗn hợp phân tán mịn, ổn định hoặc các phản ứng tại bề mặt phân cách diễn ra nhanh chóng.
Công nghệ siêu âm giải quyết những thách thức này thông qua hiện tượng xâm thực âm thanh. Khi sóng siêu âm cường độ cao được đưa vào chất lỏng, các bong bóng xâm thực vi mô sẽ hình thành, phát triển và vỡ tan. Quá trình này tạo ra lực cắt cục bộ cao, sự trộn lẫn vi mô mạnh mẽ, hiện tượng nhiễu loạn, sự phân tán các cụm hạt, cùng các vùng phản ứng có thể đẩy nhanh quá trình truyền khối và các phản ứng hóa học. Trong nghiên cứu về phản ứng transesterification, sóng siêu âm đã được nghiên cứu rộng rãi như một phương pháp để khắc phục tốc độ phản ứng chậm và sự tiếp xúc kém hiệu quả giữa pha dầu và pha cồn.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, điều này có nghĩa là siêu âm không chỉ đơn thuần là một phương pháp đồng nhất hóa trong phòng thí nghiệm. Đây là một công nghệ tăng cường quy trình, có thể hỗ trợ việc sản xuất các công thức chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học ổn định hơn, đồng nhất hơn và hiệu quả hơn.
 

Máy phân tán kiểu đầu dò siêu âm tạo ra các chất bôi trơn sinh học hiệu suất cao.
(Nghiên cứu và hình ảnh: Liu và cộng sự, 2020)

Phân tán bằng sóng siêu âm các chất phụ gia bôi trơn có nguồn gốc sinh học

Một thách thức quan trọng trong quá trình bào chế chất bôi trơn sinh học là việc kết hợp đồng nhất các chất phụ gia có nguồn gốc sinh học. Các vật liệu như carboxymethyl cellulose, sợi nano cellulose, polyme sinh học, chất keo tự nhiên, dẫn xuất lignin, chất làm đặc có nguồn gốc sinh học và các hạt nano chức năng có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ nhớt, tính bôi trơn, hiệu suất chống mài mòn, khả năng tạo màng và độ ổn định của huyền phù. Tuy nhiên, các vật liệu này thường có xu hướng kết tụ, hydrat hóa chậm hoặc tạo thành các cấu trúc gel không đồng nhất.
Phương pháp phân tán bằng sóng siêu âm giúp các nhà sản xuất giảm sự kết tụ và phân bố các chất phụ gia đồng đều hơn trong toàn bộ ma trận chất bôi trơn. Điều này đặc biệt có giá trị đối với các chất bôi trơn gốc nước, chất bôi trơn nano, các hệ thống dạng mỡ và chất bôi trơn sinh học dạng nhũ tương. Các nghiên cứu gần đây về các hệ thống dựa trên cellulose cho thấy rằng quá trình siêu âm có thể ảnh hưởng đáng kể đến hành vi phân tán, tính lưu biến và cấu trúc mạng, khiến nó trở thành một công cụ xử lý hữu ích để điều chỉnh các công thức chứa cellulose.

Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, khả năng phân tán tốt hơn có thể mang lại những lợi ích sau:

• Độ nhớt và tính chất lưu biến ổn định hơn
• Nâng cao hiệu quả của chất phụ gia ở mức liều lượng thấp hơn
• Giảm sự lắng đọng, sự tách pha hoặc các chất rắn nổi
• Hiệu suất ma sát học có tính lặp lại cao hơn
• Thời gian xử lý ngắn hơn so với phương pháp khuấy cơ học kéo dài

Carboxymethyl cellulose (CMC) đặc biệt có ý nghĩa vì đây là một dẫn xuất của cellulose được sử dụng rộng rãi nhờ sở hữu các tính chất hữu ích về độ nhớt, tính chất bề mặt và khả năng tạo màng. Trong các hệ thống chất bôi trơn, phương pháp siêu âm có thể giúp tích hợp CMC và các loại biopolymer khác vào các công thức dạng nước hoặc nhũ tương ổn định, từ đó hỗ trợ việc phát triển các loại chất bôi trơn thân thiện hơn với môi trường, có tính chất chảy được kiểm soát và độ ổn định công thức được nâng cao.
 

Chất bôi trơn sinh học có chứa carboxymethyl cellulose được phân tán bằng sóng siêu âm. Quá trình phân tán bằng sóng siêu âm tạo ra các chất bôi trơn sinh học nano ổn định lâu dài
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Rahmadiawan và cộng sự, 2022

Phản ứng chuyển este bằng sóng siêu âm để sản xuất chất bôi trơn sinh học dạng dieste và este

Este là một trong những chất lỏng nền quan trọng nhất cho các loại dầu bôi trơn sinh học hiệu suất cao. Tùy thuộc vào nguyên liệu thô và cấu trúc phân tử, chúng có thể mang lại khả năng bôi trơn tốt, chỉ số độ nhớt cao, khả năng phân hủy sinh học và tính chất hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp. Các este diester và este polyol đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như dầu thủy lực, dầu máy nén, dung dịch gia công kim loại, dầu cưa xích, chất bôi trơn hàng hải và các loại chất bôi trơn công nghiệp chuyên dụng.
Một ứng dụng đầy hứa hẹn của sóng siêu âm là phương pháp tổng hợp este bằng phản ứng chuyển este dưới tác động của sóng siêu âm. Trong phản ứng chuyển este truyền thống, các chất phản ứng không hòa tan lẫn nhau như dầu và rượu thường đòi hỏi phải khuấy trộn mạnh, nhiệt độ cao, chất xúc tác và thời gian phản ứng kéo dài. Siêu âm cải thiện quá trình truyền khối bằng cách tạo ra các nhũ tương mịn giữa các pha phản ứng và liên tục làm mới bề mặt tiếp xúc nơi phản ứng diễn ra.
Phản ứng transesterification hỗ trợ bằng sóng siêu âm là một kỹ thuật đã được công nhận và chứng minh hiệu quả nhờ những ưu điểm như tốc độ phản ứng nhanh hơn, cải thiện sự tiếp xúc giữa các pha, thời gian tách ngắn hơn, năng suất cao và giảm thiểu lượng chất thải trong điều kiện thích hợp. Các nhà sản xuất chất bôi trơn sử dụng phương pháp transesterification bằng sóng siêu âm để sản xuất các thành phần chất bôi trơn sinh học gốc este, bao gồm dieste và các cấu trúc este chức năng khác.

Quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm giúp các nhà sản xuất:

• Tăng cường sự tiếp xúc giữa các pha dầu, cồn và chất xúc tác
• Giảm thời gian phản ứng bằng cách tăng cường quá trình truyền khối qua bề mặt phân cách
• Hỗ trợ các khoảng nhiệt độ xử lý thấp hơn hoặc tiết kiệm năng lượng hơn
• Nâng cao tính nhất quán trong tỷ lệ chuyển đổi trong sản xuất theo lô hoặc sản xuất liên tục
• Tạo điều kiện cho việc thiết kế các lò phản ứng nhỏ gọn nhằm sản xuất este có khả năng mở rộng quy mô

Đối với các công ty sản xuất nguyên liệu cơ bản cho chất bôi trơn sinh học, công nghệ siêu âm mở ra một hướng đi nhằm tăng cường hiệu quả của các quá trình este hóa và chuyển este, đồng thời góp phần vào quy trình sản xuất sạch hơn và hiệu quả hơn.

Quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm đối với các công thức chất bôi trơn

Nhiều chất bôi trơn sinh học hiện đại không chỉ đơn thuần là các loại dầu một pha. Chúng có thể bao gồm các nhũ tương nước trong dầu, nhũ tương dầu trong nước, chất phụ gia cô đặc, chất phân tán sáp, các hệ thống được biến tính bằng polymer, hoặc các hỗn hợp đa pha phức tạp. Chất lượng của các hỗn hợp nhũ tương này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định khi bảo quản, khả năng bôi trơn, hiệu suất làm mát, khả năng chống ăn mòn và tính chất ứng dụng.
Quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm có hiệu quả cao vì hiện tượng xâm thực tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ, giúp phân tách các giọt thành các kích thước nhỏ hơn và tạo ra phân bố kích thước giọt hẹp. Trong sản xuất chất bôi trơn, phương pháp này có thể được sử dụng để nhũ hóa các loại dầu có nguồn gốc sinh học, pha este, pha nước, chất hoạt động bề mặt, chất ổn định polymer và các chất phụ gia chức năng thành các công thức ổn định.

Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với:

• chất bôi trơn sinh học gốc nước
• Dung dịch gia công kim loại và dung dịch cắt
• Dầu thủy lực có thành phần từ nguồn tái tạo
• Mỡ bôi trơn dạng nhũ tương và chất bôi trơn bán rắn
• Chất phụ gia cô đặc và chất phụ gia đã được phân tán sẵn
• Các hệ thống chất bôi trơn có chứa biopolymer hoặc các dẫn xuất của cellulose

Quá trình nhũ hóa mịn giúp nâng cao độ ổn định vật lý của các công thức chất bôi trơn và có thể giảm bớt nhu cầu sử dụng quá nhiều chất hoạt động bề mặt. Đối với các nhà sản xuất, điều này mang lại cả lợi thế về hiệu suất lẫn chi phí: độ ổn định được cải thiện, sử dụng phụ gia hiệu quả hơn và tính linh hoạt cao hơn trong việc điều chế công thức.

Sử dụng sóng siêu âm để tạo hạt vi gel nhũ tương

Một lĩnh vực mới nổi khác là sản xuất các hạt vi gel dạng nhũ tương cho các công thức chất bôi trơn tiên tiến. Các hạt microgel có thể đóng vai trò là chất điều chỉnh tính lưu biến, chất mang cho các thành phần hoạt tính, chất điều chỉnh ma sát hoặc chất tạo cấu trúc phản ứng. Trong các hệ thống chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học, các hạt microgel có thể được sản xuất từ các polymer tự nhiên, cellulose biến tính, polysaccharide, protein hoặc các hệ thống polymer tái tạo khác.
Quá trình xử lý bằng sóng siêu âm hỗ trợ việc điều chế vi gel bằng cách cho phép thực hiện quá trình nhũ hóa có kiểm soát, giảm kích thước giọt, phân tán polymer và cấu trúc pha. Chính các cơ chế do hiện tượng xâm thực tạo ra, vốn giúp tạo ra các nhũ tương mịn, cũng có thể góp phần tạo ra các giọt tiền chất nhỏ và đồng nhất hoặc các vùng polymer phân tán, sau đó được gel hóa, liên kết chéo hoặc ổn định.

Tối ưu hóa quy trình sản xuất chất bôi trơn sinh học bằng công nghệ siêu âm

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn là liệu công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm có thể được tích hợp một cách đáng tin cậy vào các dây chuyền sản xuất hay không. Với các thiết bị siêu âm Hielscher, câu trả lời rõ ràng là có. Các thiết bị siêu âm hiệu suất cao của Hielscher được thiết kế để hoạt động liên tục, xử lý trực tiếp trên dây chuyền và tích hợp liền mạch vào các dây chuyền sản xuất hiện có, khiến chúng trở thành giải pháp mạnh mẽ và đáng tin cậy cho sản xuất chất bôi trơn sinh học công nghiệp.
Trong một quy trình công nghiệp điển hình, hỗn hợp dầu bôi trơn pha sẵn, hỗn hợp bùn phụ gia, hỗn hợp phản ứng dầu-rượu hoặc dung dịch nhũ tương được bơm qua buồng lưu lượng siêu âm, nơi chúng được tiếp xúc với năng lượng siêu âm được kiểm soát chính xác. Các thông số quy trình chính như biên độ, áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, thời gian lưu và công suất năng lượng cụ thể có thể được điều chỉnh chính xác, theo dõi và tự động ghi lại. Mức độ kiểm soát cao này mang lại cho các nhà sản xuất chất bôi trơn sự đảm bảo về quy trình cần thiết để đạt được chất lượng công thức có thể tái tạo, các quy trình sản xuất đã được xác nhận và khả năng mở rộng quy mô một cách nhất quán từ giai đoạn R&Các đợt thử nghiệm D nhằm thử nghiệm sản xuất và đạt công suất công nghiệp đầy đủ.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn sinh học, khả năng mở rộng quy mô này đặc biệt quan trọng vì các yêu cầu về công thức ngày càng khắt khe hơn. Khách hàng mong đợi những sản phẩm bền vững, nhưng họ cũng mong đợi hiệu suất tương đương hoặc tốt hơn so với các chất bôi trơn truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ. Các thiết bị siêu âm Hielscher giúp các nhà sản xuất thu hẹp khoảng cách này bằng cách kết hợp công suất, độ tin cậy, khả năng điều khiển và khả năng mở rộng tuyến tính trong một nền tảng siêu âm mạnh mẽ. Những ưu điểm này khiến các thiết bị siêu âm Hielscher trở thành lựa chọn ưu tiên cho các công ty cần công nghệ siêu âm cấp công nghiệp để sản xuất các công thức chất bôi trơn sinh học chất lượng cao.

 
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Văn học / Tài liệu tham khảo