Sinteza poliola ultrazvučnom transesterifikacijom

Poliоli su sintetski esteri koji se proizvode uglavnom transesterifikacijom triglicerida iz biljnih ulja ili životinjskih masti. Ovi poliоli su sirovina za proizvodnju poliuretana, biomazива i drugih kemikalija. Ultrazvučna obrada (sonikacija) koristi se za pojačavanje reakcija transesterifikacije primjenom intenzivnih smičnih sila i toplinske energije. Ultrazvuk i njegovi sonohemijski efekti dovode energiju za reakciju i pomažu u prevladavanju ograničenja prijenosa mase. Na taj način sonikacija značajno poboljšava brzinu, prinos i ukupnu učinkovitost transesterifikacije.

Ultrazvučno potpomognuta transesterifikacija

Reakcije transesterifikacije jedan su od najvažnijih sintetskih puteva i naširoko se koriste kao učinkovita tehnika za pretvaranje biljnih ulja u zamjene za naftne proizvode. Sonosinteza (također sonohemijska sinteza, odnosno hemijska sinteza potaknuta visokoučinkovitim ultrazvukom) dobro je poznata po svojim povoljnim učincima na transesterifikaciju, kao i na druge hemijske procese.

Održiva sinteza poliola iz biljnih ulja pomoću ultrazvuka

Masne kiseline biljnog porijekla, tj. biljna ulja, široko su dostupna i obnovljiva sirovina i mogu se koristiti za pripremu poliola i poliuretana na biološkoj osnovi. Primjena snažnog ultrazvuka stvara povoljne sonohemijske učinke koji značajno ubrzavaju katalitičku reakciju transesterifikacije. Osim toga, sonikacija povećava prinos sintetiziranih poliola jer intenzivna energija miješanja akustične kavitacije prevladava ograničenje prijenosa mase. Dobro je poznato da se ultrazvučne reakcije transesterifikacije učinkovito odvijaju uz manje alkohola i katalizatora nego konvencionalne reakcije transesterifikacije. To dovodi do poboljšane ukupne učinkovitosti zahvaljujući ultrazvučnoj obradi.

Ultrazvučna sinteza biomazива na bazi estera pentaeritritola

Ester pentaeritritola može se učinkovito sintetizirati iz repičinog ulja dvostepenim sonohemijskim procesom, što je pokazao istraživački tim Arumugam. U svojoj studiji optimizacije istraživači su koristili ultrazvučni uređaj UP400St kompanije Hielscher (vidi sliku lijevo). U prvoj sonohemijski potaknutoj transesterifikaciji repičino ulje reagira s metanolom u metilni ester. U drugom koraku transesterifikacije metilni ester reagira s ksilenom i katalizatorom u ester pentaeritritola. Istraživači su se usredotočili na optimizaciju parametara ultrazvučnog procesa kako bi poboljšali prinos i ukupnu učinkovitost sinteze estera pentaeritritola pod ultrazvukom. Poboljšani prinos estera pentaeritritola od 81,4% postignut je ultrazvučnim impulsom od 15 s, ultrazvučnom amplitudom od 60%, koncentracijom katalizatora od 1,5 wt% i reakcijskom temperaturom od 100°C. Radi kontrole kvaliteta, sonohemijski sintetizirani ester pentaeritritola uspoređen je sa sintetskim kompresorskim uljem. Zaključno, studija sugerira da je ultrazvukom potaknut uzastopni proces transesterifikacije učinkovita metoda za zamjenu konvencionalnog uzastopnog procesa transesterifikacije u sintezi biomazива na bazi estera pentaeritritola. Glavne prednosti procesa ultrazvučne transesterifikacije su povećani prinosi estera pentaeritritola, skraćeno reakcijsko vrijeme i znatno niže reakcijske temperature. (usp. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvučno intenzivirana dvostepena transesterifikacija repičinog ulja u ester pentaeritritola.
(prilagođeno prema Arumugam et al., 2019)

Acetalni esteri izvedeni iz pentanala putem ultrazvučne sinteze

Istraživački tim Kurniawana sintetizirao je tri acetalna estera izvedena iz pentanala sonohemijskom metodom primjenom principa zelene hemije. Sonikacija je korištena za poticanje dva hemijska koraka:

1. Esterifikacija 9,10-dihidroksioktadekanske kiseline
2. Acetalizacija alkil 9,10-dihidroksioktadekanoata

Za proizvodnju estera alkil 9,10- dihidroksistearata potrebna su dva koraka, a postignuti su prinosi od 67-85%. Radi procjene učinkovitosti sonohemijska metoda uspoređena je s konvencionalnom tehnikom refluksa. Nadalje, homogeni i čvrsti kiseli katalizatori, odnosno sumporna kiselina (H2SO4), prirodni bentonit i H-bentonit, korišteni su za utvrđivanje utjecaja i učinkovitosti različitih katalizatora. Utvrđeno je da je sonohemijska esterifikacija kiseline katalizirane H-bentonitom dala proizvode s prinosom do 70% u 3 puta kraćem reakcijskom vremenu nego metoda refluksa, što je izvanredno. Završni korak acetalizacije s n-pentanalom u prisutnosti H-bentonita uz ultrazvučnu obradu dao je tri dioksolanska derivata izvedena iz pentanala s prinosima od 69–85%, koji su viši nego kod konvencionalne metode. Metoda refluksa zahtijevala je duže reakcijsko vrijeme od sonohemijske metode, budući da je ultrazvučnoj sintezi trebalo samo 10-30min. Uz znatno kraće reakcijsko vrijeme pod sonikacijom, sonohemijskom metodom dobiven je i izvanredan prinos svakog estera.
Istraživač je također izračunao da su energetski zahtjevi sonohemijske reakcije otprilike 62 puta niži od onih konvencionalne metode. To smanjuje troškove i ekološki je prihvatljivo.
Ispitivanje fizikalno-hemijskih svojstava svakog proizvoda pokazalo je da je metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencijalni novi biomazivo s funkcionalnostima za zamjenu uobičajenih maziva. (usp. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikacija estera pentaeritrila pomoću ultrazvuka

Esteri pentaeritrila mogu se dobiti iz biljnih ulja kao što su suncokretovo, laneno i jatrofino ulje. Istraživački tim Hashema demonstrirao je sintezu maziva na biološkoj osnovi putem uzastopnih bazno katalizirane transesterifikacija koje obuhvataju dva koraka transesterifikacije. Pokazali su izvedivost sinteze koristeći suncokretovo, laneno i jatrofino ulje. U prvom koraku ulja su pretvorena u odgovarajuće metilne estere. U drugom procesu metilni esteri su pretvoreni u estere pentaeritrila djelovanjem pentaeritritola, kao što je prikazano na sljedećoj shemi: (usp. Hashem et al., 2013)

Nakon transesterifikacije biljnog ulja u metilni ester, metilni esteri se pretvaraju u estere pentaeritrila djelovanjem pentaeritritola, kao što je prikazano na gornjoj shemi.
(usp. Hashem et al., 2013)

Učinci ultrazvučne obrade koji znatno pojačavaju reakciju transesterifikacije znanstveno su dokazani i industrijski se primjenjuju već decenijama. Najistaknutiji primjer ultrazvučno poboljšane transesterifikacije je pretvaranje ulja i masti u metilne estere masnih kiselina (FAME), poznate kao biodizel.
Saznajte više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji (otpadnih) ulja i masti u biodizel!

Ultrazvučne sonde i reaktori za transesterifikaciju i druge hemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš specijalist kada je riječ o sofisticiranim visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima za sonohemijske reakcije. Hielscher projektuje, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage i pribor kao što su sonde (sonotrode), reaktori i protočne ćelije bilo koje veličine te opskrbljuje hemijske laboratorije kao i hemijske proizvodne pogone industrijskog razmjera. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Zahvaljujući dugogodišnjem iskustvu u primjenama kao što su sonokataliza i sonosinteza, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam najprikladniju konfiguraciju za vaše zahtjeve.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne sisteme vrlo velike robusnosti, sposobne isporučiti intenzivne ultrazvučne valove, budući da svi industrijski ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher mogu isporučiti vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7). Robusni ultrazvučni sistemi gotovo ne zahtijevaju održavanje i izrađeni su za rad. Zbog toga je ultrazvučna oprema kompanije Hielscher pouzdana za zahtjevne primjene u zahtjevnim uvjetima. Dostupne su i posebne sonotrode za visoke temperature ili vrlo agresivna hemijska okruženja.
Najviši kvalitet – dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva oprema se projektuje i proizvodi u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki ultrazvučni uređaj se pažljivo testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca, a naša je proizvodnja strukturirana tako da ispunjava najviši nivo osiguranja kvalitete (npr. ISO certifikacija).

Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: