Syntéza polyolů pomocí ultrazvukové transesterifikace

Polyoly jsou syntetické estery vyráběné převážně transesterifikací triglyceridů z rostlinných olejů nebo živočišných tuků. Tyto polyoly jsou surovinou pro výrobu polyuretanů, biomaziv a dalších chemikálií. Sonikace se používá ke zintenzivnění transesterifikačních reakcí působením intenzivních smykových sil a tepelné energie. Ultrazvuk a jeho sonochemické účinky dodávají reakční energii a pomáhají překonat omezení přenosu hmoty. Sonikace tak výrazně zlepšuje rychlost, výtěžek i celkovou účinnost transesterifikace.

Transesterifikace s podporou ultrazvuku

Transesterifikační reakce patří k nejdůležitějším syntetickým postupům a jsou široce využívány jako účinná technika přeměny rostlinných olejů na náhražky ropných produktů. Sonosyntéza (také sonochemická syntéza, tj. chemická syntéza podporovaná vysoce výkonným ultrazvukem) je dobře známá svými příznivými účinky na transesterifikaci i na další chemické procesy.

Udržitelná syntéza polyolů z rostlinných olejů pomocí ultrazvuku

Mastné kyseliny rostlinného původu, tj. rostlinné oleje, jsou široce dostupnou a obnovitelnou surovinou a lze je využít k přípravě polyolů a polyuretanů na biologické bázi. Použití výkonového ultrazvuku vyvolává příznivé sonochemické účinky, které výrazně urychlují katalytickou reakci transesterifikace. Sonikace navíc zvyšuje výtěžek syntetizovaných polyolů, protože intenzivní míchací energie akustické kavitace překonává omezení přenosu hmoty. Je dobře známo, že ultrazvukové transesterifikační reakce probíhají účinně s menším množstvím alkoholu a katalyzátoru než konvenční transesterifikační reakce. Sonikace tak vede ke zlepšení celkové účinnosti.

Ultrazvuková syntéza biomaziva na bázi pentaerythritolového esteru

Pentaerythritolový ester lze účinně syntetizovat z řepkového oleje dvoustupňovým sonochemickým procesem, jak prokázal výzkumný tým Arumugam a kol. Ve své optimalizační studii použili výzkumníci sonikátor Hielscher UP400St (viz obrázek vlevo). V první sonochemicky podporované transesterifikaci reaguje řepkový olej s methanolem za vzniku methylesteru. Ve druhém transesterifikačním kroku reaguje methylester s xylenem a katalyzátorem za vzniku pentaerythritolového esteru. Výzkumník se zaměřil na optimalizaci parametrů ultrazvukového procesu s cílem zvýšit výtěžek a celkovou účinnost syntézy pentaerythritolového esteru pod vlivem ultrazvuku. Zlepšeného výtěžku pentaerythritolového esteru 81,4% bylo dosaženo při ultrazvukovém pulzu 15 s, ultrazvukové amplitudě 60%, koncentraci katalyzátoru 1,5 wt% a reakční teplotě 100°C. Pro kontrolu kvality byl sonochemicky syntetizovaný pentaerythritolový ester porovnán s kompresorovým olejem syntetické kvality. Závěrem studie naznačuje, že ultrazvukem podporovaný postupný transesterifikační proces je účinnou metodou pro nahrazení konvenčního postupného transesterifikačního procesu při syntéze biomaziva na bázi pentaerythritolového esteru. Hlavními výhodami ultrazvukového transesterifikačního procesu jsou zvýšené výtěžky pentaerythritolového esteru, zkrácená reakční doba a výrazně nižší reakční teploty. (srov. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvukem zintenzivněná dvoustupňová transesterifikace řepkového oleje na pentaerythritolový ester.
(upraveno podle Arumugam et al., 2019)

Acetalové estery odvozené od pentanalu pomocí ultrazvukové syntézy

Výzkumný tým Kurniawan a kol. syntetizoval tři acetalové estery odvozené od pentanalu sonochemickou metodou s využitím principů zelené chemie. Sonikace byla použita k podpoře dvou chemických kroků:

1. Esterifikace kyseliny 9,10-dihydroxyoktadekanové
2. Acetalizace alkyl-9,10-dihydroxyoktadekanoátu

K výrobě esterů alkyl-9,10- dihydroxystearátu jsou zapotřebí dva kroky, přičemž bylo dosaženo výtěžků 67–85%. Pro vyhodnocení účinnosti byla sonochemická metoda porovnána s konvenční refluxní technikou. Dále byly použity homogenní a pevné kyselé katalyzátory, konkrétně kyselina sírová (H2SO4), přírodní bentonit a H-bentonit, aby se určil vliv a účinnost různých katalyzátorů. Bylo zjištěno, že sonochemická esterifikace kyseliny katalyzovaná H-bentonitem poskytla produkty s výtěžkem až 70% za 3krát kratší reakční dobu než refluxní metoda, což je pozoruhodné. Závěrečný krok acetalizace n-pentanalem v přítomnosti H-bentonitu za použití sonikace poskytl tři dioxolanové deriváty odvozené od pentanalu s výtěžky 69–85%, které jsou vyšší než u konvenční metody. Refluxní metoda vyžadovala delší reakční dobu než sonochemická metoda, neboť ultrazvuková syntéza vyžadovala pouze 10–30min. Kromě výrazně kratší reakční doby při sonikaci byl sonochemickou metodou získán pozoruhodný výtěžek každého esteru.
Výzkumník rovněž vypočítal, že energetická náročnost sonochemické reakce je přibližně 62krát nižší než u konvenční metody. To snižuje náklady a je šetrné k životnímu prostředí.
Zkoumání fyzikálně-chemických vlastností jednotlivých produktů ukázalo, že methyl-8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanoát je potenciálním novým biomazivem s funkčními vlastnostmi, které mu umožňují nahradit běžná maziva. (srov. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikace pentaerythrylesterů pomocí ultrazvuku

Pentaerythrylestery lze získat z rostlinných olejů, jako je slunečnicový, lněný a jatrophový olej. Výzkumný tým Hashem a kol. prokázal syntézu maziv na biologické bázi postupnou bazicky katalyzovanou transesterifikací zahrnující dva transesterifikační kroky. Proveditelnost syntézy prokázali s použitím slunečnicového, lněného a jatrophového oleje. V prvním kroku byly oleje převedeny na odpovídající methylestery. Ve druhém procesu byly methylestery působením pentaerythritolu převedeny na pentaerythrylestery, jak ukazuje následující schéma: (srov. Hashem et al., 2013)

Po transesterifikaci rostlinného oleje na methylester jsou methylestery působením pentaerythritolu převedeny na pentaerythrylestery, jak ukazuje výše uvedené schéma.
(srov. Hashem et al., 2013)

Výrazné účinky sonikace zintenzivňující transesterifikační reakce jsou vědecky prokázány a již po desetiletí průmyslově využívány. Nejvýznamnějším příkladem ultrazvukem zlepšené transesterifikace je přeměna olejů a tuků na methylester mastných kyselin (FAME), známý jako bionafta.
Přečtěte si více o ultrazvukem podporované transesterifikaci (odpadních) olejů a tuků na bionaftu!

Ultrazvukové sondy a reaktory pro transesterifikaci a další chemické syntézy

Hielscher Ultrasonics je vaším specialistou na sofistikované vysoce výkonné sonikátory pro sonochemické reakce. Hielscher navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné sonikátory a příslušenství, jako jsou sondy (sonotrody), reaktory a průtokové cely v jakékoli velikosti, a zásobuje chemické laboratoře i chemické výrobní závody v průmyslovém měřítku. Od kompaktních laboratorních ultrazvukových zařízení až po průmyslové ultrazvukové sondy a reaktory má Hielscher ideální ultrazvukový systém pro váš proces. Díky dlouholetým zkušenostem s aplikacemi, jako je sonokatalýza a sonosyntéza, vám náš dobře vyškolený personál doporučí nejvhodnější sestavu pro vaše požadavky.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové systémy s velmi vysokou robustností, schopné dodávat intenzivní ultrazvukové vlny, protože všechny průmyslové sonikátory Hielscher mohou v nepřetržitém provozu (24/7) dodávat velmi vysoké amplitudy. Robustní ultrazvukové systémy nevyžadují téměř žádnou údržbu a jsou konstruovány pro spolehlivý provoz. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivé pro náročné aplikace v obtížných podmínkách. K dispozici jsou také speciální sonotrody pro vysoké teploty nebo velmi agresivní chemická prostředí.
Nejvyšší kvalita – navrženo a vyrobeno v Německu: Veškeré zařízení je navrženo a vyrobeno v našem sídle v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každé ultrazvukové zařízení pečlivě testováno při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je uspořádána tak, aby splňovala nejvyšší požadavky na zajištění kvality (např. certifikace ISO).

Níže uvedená tabulka poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: