Sinteza poliola putem ultrazvučne transesterifikacije

Polioli su sintetički esteri proizvedeni uglavnom transesterifikacijom triglicerida iz biljnih ulja ili životinjskih masti. Ovi polioli su sirovina za proizvodnju poliuretana, biomaziva i drugih kemikalija. Ultrasonication se koristi za poboljšanje reakcija transesterifikacije primjenom intenzivnih sila smicanja i toplinske energije. Ultrazvuk i njegovi sonohemijski efekti opskrbljuju energijom reakcije i pomažu u prevladavanju ograničenja prijenosa mase. Na taj način, sonikacija značajno poboljšava brzinu transesterifikacije, prinos i ukupnu efikasnost.

Transesterifikacija potpomognuta ultrazvukom

Reakcije transesterifikacije su jedan od najvažnijih puteva sinteze i široko se koriste kao efikasna tehnika za pretvaranje biljnih ulja u zamjene za naftne derivate. Sono-sinteza (također sonohemijska sinteza, koja je hemijska sinteza promovisana ultrazvukom visokih performansi) je dobro poznata po svojim blagotvornim efektima na transesterifikaciju kao i na druge hemijske procese.

Održiva sinteza poliola iz biljnih ulja pomoću ultrazvuka

Masne kiseline biljnog porijekla, odnosno biljna ulja, široko su dostupna i obnovljiva sirovina i mogu se koristiti za pripremu biobaziranih poliola i poliuretana. Primjena snažnog ultrazvuka stvara povoljne sonohemijske efekte, koji značajno ubrzavaju katalitičku reakciju transesterifikacije. Dodatno, sonikacija povećava prinos sintetiziranih poliola jer intenzivna energija miješanja akustične kavitacije prevazilazi ograničenje prijenosa mase. Poznato je da ultrazvučne reakcije transesterifikacije rade efikasno sa nižim alkoholom i katalizatorom kao i konvencionalne reakcije transesterifikacije. Ovo dovodi do poboljšane ukupne efikasnosti ultrazvukom.

Ultrazvučna sinteza biomaziva na bazi pentaeritritolnog estera

Pentaeritritol ester se može efikasno sintetizirati iz ulja repice putem sonohemijskog procesa u dva koraka, što je pokazao istraživački tim kompanije Arumugam. U svojoj studiji optimizacije, istraživači su koristili Hielscher ultrasonikator UP400St (vidi sliku lijevo). U prvoj sonohemijski promoviranoj transesterifikaciji, ulje uljane repice reagira s metanolom u metil ester. U drugom koraku transesterifikacije, metil ester reaguje sa ksilenom i katalizatorom u pentaeritritol ester. Istraživač se fokusirao na optimizaciju parametara ultrazvučnog procesa u cilju povećanja prinosa i ukupne efikasnosti sinteze pentaeritritol estera pod ultrazvukom. Poboljšani prinos od 81,4% pentaeritritol estera postignut je ultrazvučnim impulsom od 15 s, ultrazvučnom amplitudom od 60%, koncentracijom katalizatora od 1,5 težinskih % i temperaturom reakcije od 100°C. Za kontrolu kvaliteta, sonohemijski sintetizovani pentaeritritol ester upoređen je sa sintetičkim kompresorskim uljem. U zaključku, studija sugerira da je ultrazvučno promoviran uzastopni proces transesterifikacije efikasna metoda za zamjenu konvencionalnog sukcesivnog procesa transesterifikacije za sintezu biomaziva na bazi pentaeritritol estera. Glavne prednosti procesa ultrazvučne transesterifikacije su povećani prinosi pentaeritritol estera, skraćeno vrijeme reakcije i značajno niže temperature reakcije. (usp. Arumugam et al., 2019.)

Ultrazvučno intenzivirana dvostepena transesterifikacija ulja repice u pentaeritritol ester.
(preuzeto iz Arumugam et al., 2019.)

Acetalni esteri dobijeni od pentana putem ultrazvučne sinteze

Istraživački tim Kurniavana sintetizirao je tri acetal estra izvedena iz pentanala sonohemijskom metodom koristeći principe zelene hemije. Sonikacija je korištena za promoviranje 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 i dobijeni su prinosi od 67-85%. Za procjenu efikasnosti, sonohemijska metoda je upoređena sa konvencionalnom tehnikom refluksa. Nadalje, homogeni i čvrsti kiseli katalizatori, odnosno sumporna kiselina (H2SO4), prirodni bentonit i H-bentonit, korišteni su za određivanje utjecaja i efikasnosti različitih katalizatora. Utvrđeno je da sonohemijska esterifikacija kiseline katalizirane H-bentonitom daje proizvode do 70% prinosa u 3 puta kraćem vremenu reakcije od metode refluksa, što je izvanredno. Završni korak acetalizacije sa n-pentanalom u prisustvu H-bentonita korištenjem ultrazvučne obrade dao je tri derivata dioksolana izvedena iz pentanala u prinosu od 69-85%, koji je veći od konvencionalne metode. Metoda refluksa zahtijevala je duže vrijeme reakcije od sonohemijske metode jer je ultrazvučna sinteza zahtijevala samo 10-30 minuta. Pored značajno kraćeg vremena reakcije pod ultrazvučnom obradom, izuzetan prinos svakog estera postignut je sonohemijskom metodom.
Istraživač je također izračunao da su energetski zahtjevi sonohemijske reakcije cca. 62 puta niže nego kod konvencionalne metode. Ovo smanjuje troškove i ekološki je prihvatljivo.
Ispitivanje fizičko-hemijskih svojstava svakog proizvoda otkrilo je da je metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencijalno novo biolubrikant sa funkcijama zamjene uobičajenih maziva. (usp. Kurniawan et al., 2021.)

Transesterifikacija pentaeritril estera pomoću ultrazvuka

Pentaeritril estri se mogu dobiti iz biljnih ulja kao što su suncokretovo, laneno i jatrofa ulje. Istraživački tim iz Hashema demonstrirao je sintezu maziva na biobaziranoj osnovi putem uzastopne transesterifikacije katalizirane bazom koja uključuje dva koraka transesterifikacije. Pokazali su izvodljivost sinteze koristeći suncokretovo, laneno i jatrofa ulje. U prvom koraku ulja su pretvorena u odgovarajuće metil estere. U drugom procesu, metil estri su pretvoreni u pentaeritril estere djelovanjem pentaeritritola kao što je prikazano na sljedećoj shemi: (usp. Hashem et al., 2013.)

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

Efekti ultrazvučne obrade na transesterifikaciju koji značajno pojačavaju reakciju su naučno dokazani i već decenijama industrijski usvojeni. Najistaknutiji primjer ultrazvučno poboljšane tranesterifikacije je pretvaranje ulja i masti u metil ester masnih kiselina (FAME), poznat kao biodizel.
Pročitajte više o ultrazvučnoj transesterifikaciji (otpadnih) ulja i masti u biodizel!

Ultrazvučne sonde i reaktori za transesterifikaciju i druge hemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš stručnjak kada su u pitanju sofisticirani ultrasonikatori visokih performansi za sonohemijske reakcije. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira ultrasonikatore velike snage i dodatke kao što su sonde (sonotrode), reaktori i protočne ćelije bilo koje veličine i opskrbljuje kemijske laboratorije kao i pogone za proizvodnju kemikalija u industrijskom obimu. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Sa dugogodišnjim iskustvom u aplikacijama kao što su sono-kataliza i sono-sinteza, naše dobro obučeno osoblje će vam preporučiti najprikladnije podešavanje za vaše zahtjeve.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sisteme visokih performansi vrlo visoke robusnosti i sposobne da isporuče intenzivne ultrazvučne valove budući da svi Hielscher industrijski ultrasonikatori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7). Robusni ultrazvučni sistemi ne zahtevaju skoro nikakvo održavanje i napravljeni su da rade. To čini Hielscher ultrazvučnu opremu pouzdanom za teške primjene u zahtjevnim uvjetima. Dostupne su i posebne sonotrode za visoke temperature ili vrlo jake kemikalije.
Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva oprema je dizajnirana i proizvedena u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki ultrazvučni uređaj se pažljivo testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša proizvodnja je strukturirana tako da ispunjava najviše osiguranje kvaliteta (npr. ISO certifikat).

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: