Polyoly jsou syntetické estery vyráběné hlavně transesterifikací triglyceridů z rostlinných olejů nebo živočišných tuků. Tyto polyoly jsou surovinou pro výrobu polyuretanů, biomaziv a dalších cemicals. 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. Tím sonikace výrazně 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. Sono-syntéza (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

Rostlinné mastné kyseliny, tj. rostlinné oleje, jsou široce dostupnou a obnovitelnou surovinou a mohou být použity pro přípravu biologických polyolů a polyuretanů. Aplikace výkonového ultrazvuku vytváří příznivé sonochemické účinky, které výrazně urychlují katalytickou reakci transesterifikace. Navíc sonikace zvyšuje výtěžek syntetizovaných polyolů, protože intenzivní míchací energie akustické kavitace překonává omezení přenosu hmoty. Ultrazvukové transesterifikační reakce jsou dobře známé tím, že běží efektivně s nižším obsahem alkoholu a katalyzátorem jako konvenční transesterifikační reakce. To vede ke zlepšení celkové účinnosti ultrazvukem.

Ultrazvuková syntéza biomaziva na bázi pentaerythritolu na bázi esterů

Pentaerythritol ester může být syntetizován efektivně z řepkového oleje prostřednictvím dvoustupňového sonochemického procesu, jak prokázal výzkumný tým Arumugam. Ve své optimalizační studii vědci použili Hielscher ultrasonicator UP400St (viz obrázek vlevo). Při první sonochemicky podporované transesterifikaci reaguje řepkový olej s methanolem na methylester. Ve druhém transesterifikačním kroku reaguje methylester s xylenem a katalyzátorem na pentaerythritol ester. Výzkumný pracovník se zaměřil na optimalizaci ultrazvukových procesních parametrů s cílem zvýšit výtěžek a celkovou účinnost syntézy pentaerythritol esteru pod ultrazvukem. Zlepšený výtěžek 81,4% esteru pentaerythritolu byl dosažen ultrazvukovým pulsem 15 s, ultrazvukovou amplitudou 60%, koncentrací katalyzátoru 1,5 wt% a reakční teplotou 100 ° C. Pro kontrolu kvality byl sonochemicky syntetizovaný ester pentaerythritolu porovnán se syntetickým kompresorovým olejem. Závěrem studie naznačuje, že ultrazvukem podporovaný postupný transesterifikační proces je účinnou metodou, která nahrazuje konvenční postupný transesterifikační proces pro syntézu biomaziva na bázi pentaerythritolu esteru. 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)

Pentanal-odvozené acetalové estery prostřednictvím ultrazvukové syntézy

Výzkumný tým Kurniawan syntetizoval tři pentanálně odvozené acetalové estery pomocí sonochemické metody využívající principy zelené chemie. Sonikace byla použita k podpoře dvou chemických kroků:

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

Pro výrobu esterů alkyl-9,10- dihydroxystearátu jsou zapotřebí dva kroky a byly získány výtěžky 67-85%. Pro hodnocení účinnosti byla sonochemická metoda porovnána s konvenční technikou refluxu. Kromě toho byly k určení vlivu a účinnosti různých katalyzátorů použity homogenní a pevné kyselé katalyzátory, jmenovitě kyselina sírová (H2SO4), přírodní bentonit a H-bentonit. Bylo zjištěno, že sonochemická esterifikace kyseliny katalyzované H-bentonitem dává produktům až 70% výtěžek za 3krát kratší reakční dobu než metoda refluxu, což je pozoruhodné. Konečný acetalizační krok s n-pentanal 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 10-30min. Navíc k výrazně kratší reakční době při sonikaci byl pomocí sonochemické metody získán pozoruhodný výtěžek každého esteru.
Výzkumník také vypočítal, že energetické požadavky 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 ukázalo, že methyl 8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanoát je potenciální nový biomaziv s funkcemi, které nahrazují běžná maziva. (srov. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikace pentaerythrylových esterů pomocí ultrazvuku

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

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

Významně reakční zvyšující účinky ultrazvuku na transesterifikaci jsou vědecky prokázány a již od desetiletí průmyslově přijaté. 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 další chemické syntézy

Hielscher Ultrasonics je váš specialista, pokud jde o sofistikované vysoce výkonné ultrasonicators pro sonochemické reakce. Hielscher navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrasonicators a příslušenství, jako jsou sondy (sonotrody), reaktory a průtokové buňky v jakékoli velikosti a dodává chemické laboratoře, stejně jako chemické výrobní zařízení v průmyslovém měřítku. Od kompaktních laboratorních ultrazvukových zařízení až po průmyslové ultrazvukové sondy a reaktory, Hielscher má ideální ultrazvukový systém pro váš proces. S dlouholetými zkušenostmi v aplikacích, jako je sonokatalýza 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 Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7). Robustní ultrazvukové systémy nevyžadují téměř žádnou údržbu a jsou konstruovány pro provoz. 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 navržena a vyrobena v naší centrále v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každé ultrazvukové zařízení pečlivě testováno při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je strukturována tak, aby splňovala nejvyšší záruku kvality (např. certifikace ISO).

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: