Syntéza polyolů pomocí ultrazvukové transesterifikace

Polyoly jsou syntetické estery vyráběné hlavně transesterifikací triglyceridů z rostlinných olejů nebo živočišných tuků. Tyto polyoly jsou surovinou pro výrobu polyuretanů, biomaziv a dalších chemických látek. Ultrazvuku se používá ke zvýšení transesterifikačních reakcí použitím intenzivních smykových sil a tepelné energie. Ultrazvuk a jeho sonochemické účinky dodávají reakční energii a pomáhají překonat omezení přenosu hmoty. Tímto způsobem sonikace významně zlepšuje rychlost transesterifikace, výtěžek a celkovou účinnost.

Ultrazvukem asistovaná transesterifikace

Transesterifikační reakce jsou jednou z nejdůležitějších cest syntézy a jsou široce používány jako účinná technika pro přeměnu rostlinných olejů na náhražky ropných produktů. Sonosyntéza (také sonochemická syntéza, což je chemická syntéza podporovaná vysoce výkonným ultrazvukem) je dobře známá pro své příznivé účinky na transesterifikaci a 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 použít k přípravě polyolů a polyuretanů na biologické bázi. Aplikace výkonového ultrazvuku vytváří příznivé sonochemické účinky, které výrazně urychlují katalytickou reakci transesterifikace. Kromě toho sonikace zvyšuje výtěžnost syntetizovaných polyolů, protože intenzivní míchací energie akustické kavitace překonává omezení přenosu hmoty. Ultrazvukové transesterifikační reakce jsou dobře známé tím, že fungují efektivně s nižším obsahem alkoholu a katalyzátorem jako konvenční transesterifikační reakce. To vede ke zlepšení celkové účinnosti ultrazvukem.

Ultrazvuková syntéza biolubrikantu na bázi pentaerythritol esteru

Ester pentaerythritolu lze účinně syntetizovat z řepkového oleje pomocí dvoustupňového sonochemického procesu, jak prokázal výzkumný tým společnosti Arumugam. Ve své optimalizační studii vědci použili Hielscher ultrasonikator UP400St (viz obrázek vlevo). Při první sonochemicky podporované transesterifikaci reaguje řepkový olej s methanolem na methylester. Ve druhém kroku transesterifikace methylester reaguje s xylenem a katalyzátorem na ester pentaerythritolu. Výzkumný pracovník se zaměřil na optimalizaci parametrů ultrazvukového procesu za účelem zvýšení výtěžnosti a celkové účinnosti syntézy esteru pentaerythritolu pod ultrazvukem. Zlepšeného výtěžku 81,4% esteru pentaerythritolu bylo dosaženo ultrazvukovým pulzem 15 s, ultrazvukovou amplitudou 60%, koncentrací katalyzátoru 1,5 hm% a reakční teplotou 100°C. Pro kontrolu kvality byl sonochemicky syntetizovaný ester pentaerythritolu porovnán s kompresorovým olejem syntetické kvality. Závěrem lze říci, že studie naznačuje, že ultrazvukem podporovaný proces postupné transesterifikace je účinnou metodou, která nahrazuje konvenční proces postupné transesterifikace pro syntézu biolubrikantu na bázi esteru pentaerythritolu. Hlavními výhodami ultrazvukového transesterifikačního procesu jsou zvýšené výtěžky esteru pentaerythritolu, zkrácená reakční doba a výrazně nižší reakční teploty. (srov. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvukem zesílená dvoustupňová transesterifikace řepkového oleje na ester pentaerythritolu.
(převzato z Arumugam et al., 2019)

Estery acetalu odvozené z pentanalu ultrazvukovou syntézou

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

1. Esterifikace kyseliny 9,10-dihydroxyoktadekanové
2. Acetalyzace alkyl-9,10-dihydroxyoktadekanátu

K výrobě esterů alkyl9,10-dihydroxystearátu jsou zapotřebí dva kroky a byly získány výtěžky 67-85%. Pro hodnocení efektivity byla sonochemická metoda porovnána s konvenční refluxní technikou. Dále byly použity homogenní a pevné kyselé katalyzátory, jmenovitě kyselina sírová (H2SO4), přírodní bentonit a H-bentonit, ke stanovení vlivu a účinnosti různých katalyzátorů. Bylo zjištěno, že sonochemická esterifikace kyseliny katalyzované H-bentonitem poskytla produkty s až 70% výtěžkem při 3krát kratší reakční době než refluxní metoda, což je pozoruhodné. Poslední acetalizační krok s n-pentanalem v přítomnosti H-bentonitu pomocí ultrazvuku poskytl tři deriváty dioxolanu odvozené od pentanalu v 69–85% výtěžcích, které jsou vyšší než konvenční metoda. Refluxní metoda vyžadovala delší reakční dobu než sonochemická metoda, protože ultrazvuková syntéza vyžadovala pouze 10-30 minut. Kromě výrazně kratší reakční doby při sonikaci byl pomocí sonochemické metody získán pozoruhodný výtěžek každého esteru.
Výzkumník také vypočítal, že energetické nároky sonochemické reakce jsou přibližně 62krát nižší než u konvenční metody. To snižuje náklady a je šetrné k životnímu prostředí.
Zkoumání fyzikálně-chemických vlastností každého produktu odhalilo, že methyl-8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanoát je potenciální nové biomazivo s funkcemi nahrazujícími běžná maziva. (srov. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikace pentaerythrylesterů pomocí ultrazvuku

Pentaerythrylestery lze získat z rostlinných olejů, jako je slunečnicový, lněný a jatrofový olej. Výzkumný tým společnosti Hashem demonstroval syntézu maziv na biologické bázi prostřednictvím postupných transesterifikací katalyzovaných bází zahrnujících dva transesterifikační kroky. Demonstrovali proveditelnost syntézy pomocí slunečnicového, lněného a jatrofového oleje. V prvním kroku byly oleje přeměněny na odpovídající methylestery. Ve druhém procesu byly methylestery přeměněny na pentaerythrylestery působením pentaerythritolu, jak je znázorněno na následujícím schématu: (srov. Hashem et al., 2013)

Po transesterifikaci rostlinného oleje na methylester se methylestery přemění na pentaerythrylestery působením pentaerythritolu, jak je znázorněno ve výše uvedeném schématu.
(srov. Hashem et al., 2013)

Významně účinky ultrazvuku zvyšující reakci na transesterifikaci jsou vědecky prokázány a již od desetiletí průmyslově přijaty. Nejvýznamnějším příkladem ultrazvukem vylepšené tranesterifikace je přeměna olejů a tuků na methylester mastných kyselin (FAME), známý jako bionafta.
Přečtěte si více o ultrazvukem asistované transesterifikaci (odpadních) olejů a tuků na bionaftu!

Ultrazvukové sondy a reaktory pro transesterifikaci a jiné chemické syntézy

Hielscher Ultrasonics je váš specialista, pokud jde o sofistikované vysoce výkonné ultrasonicators pro sonochemické reakce. Hielscher navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové přístroje a příslušenství, jako jsou sondy (sonotrody), reaktory a průtokové články jakékoli velikosti a dodává chemickým laboratořím i chemickým výrobním zařízením v průmyslovém měřítku. Od kompaktních laboratorních ultrazvukových zařízení až po průmyslové ultrazvukové sondy a reaktory, Hielscher má ideální ultrazvukový systém pro váš proces. Díky dlouholetým zkušenostem s aplikacemi, jako je sono-katalýza a sono-syntéza, vám náš dobře vyškolený personál doporučí nejvhodnější nastavení pro vaše požadavky.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové systémy s velmi vysokou robustností a schopné dodávat intenzivní ultrazvukové vlny, protože všechny průmyslové ultrasonicators Hielscher mohou dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7). Robustní ultrazvukové systémy nevyžadují téměř žádnou údržbu a jsou konstruovány tak, aby fungovaly. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivé pro náročné aplikace v náročných podmínkách. K dispozici jsou také speciální sonotrody pro vysokoteplotní nebo velmi drsné chemikálie.
Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu: Všechna zařízení jsou navrhována a vyráběna v naší centrále v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každý ultrazvukový přístroj pečlivě testován při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je strukturována tak, aby splňovala nejvyšší záruky kvality (např. certifikace ISO).

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: