تخليق البوليولات عن طريق تبادل الأسترة بالموجات فوق الصوتية

البوليولات هي إسترات اصطناعية تُنتَج أساسًا عن طريق تبادل أسترة ثلاثي الغليسريد المستخلص من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية. وتُعد هذه البوليولات مواد خام لإنتاج البولي يوريثانات ومواد التشحيم الحيوية وغيرها من المواد الكيميائية. تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز تفاعلات تبادل الأسترة من خلال تطبيق قوى قص شديدة وطاقة حرارية. وتوفر الموجات فوق الصوتية وتأثيراتها الكيميائية الصوتية طاقة التفاعل وتساعد على التغلب على قيود انتقال الكتلة. وبذلك، تُحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية بدرجة كبيرة سرعة تبادل الأسترة والمردود والكفاءة الإجمالية.

تبادل الأسترة بمساعدة الموجات فوق الصوتية

تُعد تفاعلات تبادل الأسترة من أهم مسارات التخليق، وتُستخدم على نطاق واسع بوصفها تقنية فعالة لتحويل الزيوت النباتية إلى بدائل للمنتجات البترولية. ويُعرف التخليق الصوتي، الذي يُسمى أيضًا التخليق الكيميائي الصوتي وهو تخليق كيميائي تعززه الموجات فوق الصوتية عالية الأداء، بتأثيراته المفيدة على تبادل الأسترة وكذلك على العمليات الكيميائية الأخرى.

التخليق المستدام للبوليولات من الزيوت النباتية باستخدام الموجات فوق الصوتية

الأحماض الدهنية المشتقة من النباتات، أي الزيوت النباتية، هي مواد خام متجددة ومتاحة على نطاق واسع، ويمكن استخدامها لتحضير البوليولات والبولي يوريثانات ذات الأساس الحيوي. ويولّد تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تأثيرات كيميائية صوتية مواتية تُسرّع بدرجة كبيرة تفاعل تبادل الأسترة المحفَّز. بالإضافة إلى ذلك، تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية مردود البوليولات المُخلَّقة، إذ تتغلب طاقة الخلط الشديدة الناتجة عن التجويف الصوتي على قيود انتقال الكتلة. ومن المعروف أن تفاعلات تبادل الأسترة بالموجات فوق الصوتية تجري بكفاءة باستخدام كميات أقل من الكحول والمحفز مقارنةً بتفاعلات تبادل الأسترة التقليدية. ويؤدي ذلك إلى تحسين الكفاءة الإجمالية بفضل المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

التخليق بالموجات فوق الصوتية لمادة تشحيم حيوية قائمة على إستر البنتا إريثريتول

يمكن تخليق إستر البنتا إريثريتول بكفاءة من زيت بذور اللفت من خلال عملية كيميائية صوتية من خطوتين، كما أثبت فريق Arumugam البحثي. وفي دراسة التحسين التي أجروها، استخدم الباحثون جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St من Hielscher (انظر الصورة على اليسار). في تفاعل تبادل الأسترة الأول المعزَّز كيميائيًا بالموجات الصوتية، يتفاعل زيت بذور اللفت مع الميثانول لتكوين إستر الميثيل. وفي خطوة تبادل الأسترة الثانية، يتفاعل إستر الميثيل مع الزيلين ومحفز لتكوين إستر البنتا إريثريتول. وركز الباحث على تحسين معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز المردود والكفاءة الإجمالية لتخليق إستر البنتا إريثريتول تحت تأثير الموجات فوق الصوتية. وقد تحقق مردود محسَّن من إستر البنتا إريثريتول بلغ 81.4% باستخدام نبضة فوق صوتية مدتها 15 s، وسعة اهتزاز فوق صوتية مقدارها 60%، وتركيز محفز مقداره 1.5 wt%، ودرجة حرارة تفاعل مقدارها 100°C. ولضبط الجودة، قورن إستر البنتا إريثريتول المُخلَّق كيميائيًا بالموجات الصوتية بزيت ضواغط من الدرجة الاصطناعية. وفي الختام، تشير الدراسة إلى أن عملية تبادل الأسترة المتعاقبة المعزَّزة بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة لتحل محل عملية تبادل الأسترة المتعاقبة التقليدية في تخليق مادة تشحيم حيوية قائمة على إستر البنتا إريثريتول. وتتمثل المزايا الرئيسية لعملية تبادل الأسترة بالموجات فوق الصوتية في زيادة مردود إستر البنتا إريثريتول، وتقليل زمن التفاعل، وخفض درجات حرارة التفاعل بدرجة كبيرة. (راجع Arumugam et al., 2019)

تبادل أسترة زيت بذور اللفت إلى إستر البنتا إريثريتول على مرحلتين مع تكثيفه بالموجات فوق الصوتية.
(مقتبس بتصرف من Arumugam et al., 2019)

إسترات الأسيتال المشتقة من البنتانال عن طريق التخليق بالموجات فوق الصوتية

خلّق فريق Kurniawan البحثي ثلاثة إسترات أسيتال مشتقة من البنتانال بطريقة كيميائية صوتية تستند إلى مبادئ الكيمياء الخضراء. واستُخدمت المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز خطوتين كيميائيتين:

1. أسترة 9,10-dihydroxyoctadecanoic acid
2. تكوين الأسيتال من alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

يتطلب إنتاج إسترات alkyl 9,10- dihydroxystearate خطوتين، وقد تحققت مردودات بلغت 67–85%. ولتقييم الكفاءة، قورنت الطريقة الكيميائية الصوتية بتقنية التسخين تحت الارتجاع التقليدية. علاوةً على ذلك، استُخدمت محفزات حمضية متجانسة وصلبة، وهي حمض الكبريتيك (H2SO4) والبنتونيت الطبيعي وH-bentonite، لتحديد تأثير المحفزات المختلفة وكفاءتها. وقد تبين أن الأسترة الكيميائية الصوتية للحمض بتحفيز من H-bentonite أعطت نواتج بمردود يصل إلى 70% في زمن تفاعل أقصر بمقدار 3 مرات من طريقة التسخين تحت الارتجاع، وهو أمر لافت. وأتاحت خطوة تكوين الأسيتال النهائية مع n-pentanal في وجود H-bentonite باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية الحصول على ثلاثة مشتقات ديوكسولان مشتقة من البنتانال بمردودات بلغت 69–85%، وهي أعلى من مردودات الطريقة التقليدية. وتطلبت طريقة التسخين تحت الارتجاع زمن تفاعل أطول من الطريقة الكيميائية الصوتية، إذ لم يتطلب التخليق بالموجات فوق الصوتية سوى 10–30min. وإلى جانب قِصر زمن التفاعل بدرجة كبيرة تحت تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تحقق مردود لافت لكل إستر باستخدام الطريقة الكيميائية الصوتية.
وحسب الباحث أيضًا أن متطلبات الطاقة للتفاعل الكيميائي الصوتي أقل بنحو 62 مرة من متطلبات الطريقة التقليدية. ويقلل ذلك التكاليف وهو صديق للبيئة.
وكشف فحص الخصائص الفيزيائية والكيميائية لكل منتج أن methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate مادة تشحيم حيوية جديدة محتملة تمتلك الوظائف اللازمة لتحل محل مواد التشحيم الشائعة. (راجع Kurniawan et al., 2021)

تبادل أسترة إسترات البنتا إريثريل باستخدام الموجات فوق الصوتية

يمكن الحصول على إسترات البنتا إريثريل من الزيوت النباتية، مثل زيت دوار الشمس وزيت بذر الكتان وزيت الجاتروفا. وقد أثبت فريق Hashem البحثي تخليق مواد تشحيم ذات أساس حيوي عن طريق تفاعلات تبادل أسترة متعاقبة محفَّزة بقاعدة، تتضمن خطوتين لتبادل الأسترة. وأثبتوا إمكانية إجراء هذا التخليق باستخدام زيت دوار الشمس وزيت بذر الكتان وزيت الجاتروفا. في الخطوة الأولى، حُوّلت الزيوت إلى إسترات الميثيل المقابلة. وفي العملية الثانية، حُوّلت إسترات الميثيل إلى إسترات البنتا إريثريل بفعل البنتا إريثريتول، كما يوضح المخطط التالي: (راجع Hashem et al., 2013)

بعد تبادل أسترة الزيت النباتي إلى إستر الميثيل، تُحوَّل إسترات الميثيل إلى إسترات البنتا إريثريل بفعل البنتا إريثريتول، كما يوضح المخطط أعلاه.
(راجع Hashem et al., 2013)

ثبت علميًا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تُعزز تفاعلات تبادل الأسترة بدرجة كبيرة، وقد اعتُمدت صناعيًا منذ عقود. وأبرز مثال على تبادل الأسترة المحسَّن بالموجات فوق الصوتية هو تحويل الزيوت والدهون إلى إستر ميثيل الأحماض الدهنية (FAME)، المعروف بالديزل الحيوي.
اقرأ المزيد عن تبادل أسترة الزيوت والدهون (المستعملة) إلى ديزل حيوي بمساعدة الموجات فوق الصوتية!

مجسات ومفاعلات بالموجات فوق الصوتية لتبادل الأسترة وعمليات التخليق الكيميائي الأخرى

Hielscher Ultrasonics هي الجهة المتخصصة التي تلجأ إليها عندما يتعلق الأمر بأجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية متطورة وعالية الأداء للتفاعلات الكيميائية الصوتية. تصمم Hielscher وتصنع وتوزع أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة وملحقاتها، مثل المجسات (السونوترودات) والمفاعلات وخلايا التدفق بمختلف الأحجام، وتزود المختبرات الكيميائية وكذلك مرافق الإنتاج الكيميائي على النطاق الصناعي. ومن أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية المدمجة إلى المجسات والمفاعلات الصناعية بالموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher النظام المثالي بالموجات فوق الصوتية لعمليتك. وبفضل خبرتنا الطويلة في تطبيقات مثل التحفيز الصوتي والتخليق الصوتي، سيوصي موظفونا المدربون جيدًا بالتجهيز الأنسب لمتطلباتك.
تصنع Hielscher Ultrasonics أنظمة موجات فوق صوتية عالية الأداء تتميز بمتانة فائقة وقدرة على توليد موجات فوق صوتية شديدة، إذ يمكن لجميع أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher توفير سعات اهتزاز عالية جدًا أثناء التشغيل المستمر (24/7). ولا تتطلب أنظمة الموجات فوق الصوتية المتينة أي صيانة تقريبًا، وهي مصممة للعمل المتواصل. وهذا يجعل معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية موثوقة للتطبيقات الشاقة في الظروف الصعبة. كما تتوفر سونوترودات خاصة لدرجات الحرارة المرتفعة أو البيئات الكيميائية شديدة القسوة.
أعلى جودة – صُممت وصُنعت في ألمانيا: تُصمم جميع المعدات وتُصنع في مقرنا الرئيسي في ألمانيا. وقبل تسليم كل جهاز بالموجات فوق الصوتية إلى العميل، يُختبر بعناية تحت الحمل الكامل. ونسعى إلى إرضاء العملاء، وقد نُظّم إنتاجنا لتلبية أعلى متطلبات ضمان الجودة (مثلًا، شهادة ISO).

يعطيك الجدول أدناه فكرة عن السعة التقريبية للمعالجة بأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية: