Polyolsyntese ved transesterificering med ultralyd

Polyoler er syntetiske estere, der hovedsageligt fremstilles ved transesterificering af triglycerider fra vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer. Disse polyoler er råmateriale til fremstilling af polyurethaner, biosmøremidler og andre kemikalier. Ultralydsbehandling bruges til at fremme transesterificeringsreaktioner ved at tilføre kraftige forskydningskræfter og termisk energi. Ultralyd og dens sonokemiske virkninger tilfører reaktionsenergi og hjælper med at overvinde begrænsninger i masseoverførslen. Derved forbedrer sonikering transesterificeringens hastighed, udbytte og samlede effektivitet betydeligt.

Ultralydsassisteret transesterificering

Transesterificeringsreaktioner er en af de vigtigste synteseveje og bruges i vid udstrækning som en effektiv teknik til at omdanne vegetabilske olier til erstatninger for olieprodukter. Sonosyntese (også sonokemisk syntese, som er kemisk syntese fremmet ved hjælp af højtydende ultralyd) er velkendt for sine gavnlige virkninger på transesterificering såvel som andre kemiske processer.

Bæredygtig polyolsyntese fra vegetabilske olier ved hjælp af ultralyd

Plantebaserede fedtsyrer, dvs. vegetabilske olier, er et bredt tilgængeligt og fornybart råmateriale og kan bruges til fremstilling af biobaserede polyoler og polyurethaner. Anvendelsen af effektultralyd skaber gunstige sonokemiske virkninger, som betydeligt accelererer den katalytiske transesterificeringsreaktion. Desuden øger sonikering udbyttet af syntetiserede polyoler, da den kraftige blandingsenergi fra akustisk kavitation overvinder begrænsningen i masseoverførslen. Transesterificeringsreaktioner med ultralyd er velkendte for at forløbe effektivt med mindre mængder alkohol og katalysator end konventionelle transesterificeringsreaktioner. Dette fører til en forbedret samlet effektivitet ved ultralydsbehandling.

Ultralydssyntese af et biosmøremiddel baseret på pentaerythritolester

Pentaerythritolester kan syntetiseres effektivt fra rapsolie via en sonokemisk proces i to trin, som demonstreret af Arumugams forskergruppe. I deres optimeringsstudie brugte forskerne ultralydsapparatet UP400St fra Hielscher (se billedet til venstre). I den første sonokemisk fremmede transesterificering reagerer rapsolie med methanol og danner methylester. I det andet transesterificeringstrin reagerer methylesteren med xylen og en katalysator og danner pentaerythritolester. Forskeren fokuserede på at optimere ultralydsprocesparametrene for at øge udbyttet og den samlede effektivitet af syntesen af pentaerythritolester under ultralyd. Et forbedret udbytte af pentaerythritolester på 81,4% blev opnået med en ultralydspuls på 15 s, en ultralydsamplitude på 60%, en katalysatorkoncentration på 1,5 wt% og en reaktionstemperatur på 100°C. Til kvalitetskontrol blev den sonokemisk syntetiserede pentaerythritolester sammenlignet med syntetisk kompressorolie. Samlet set tyder studiet på, at den ultralydsfremmede successive transesterificeringsproces er en effektiv metode til at erstatte den konventionelle successive transesterificeringsproces ved syntese af biosmøremidler baseret på pentaerythritolester. De væsentligste fordele ved transesterificeringsprocessen med ultralyd er øgede udbytter af pentaerythritolester, en forkortet reaktionstid og betydeligt lavere reaktionstemperaturer. (jf. Arumugam et al., 2019)

Ultralydsintensiveret transesterificering af rapsolie til pentaerythritolester i to trin.
(tilpasset fra Arumugam et al., 2019)

Pentanalafledte acetalestere ved ultralydssyntese

Kurniawans forskergruppe syntetiserede tre pentanalafledte acetalestere ved en sonokemisk metode med anvendelse af principperne for grøn kemi. Sonikering blev brugt til at fremme to kemiske trin:

1. Esterificering af 9,10-dihydroxyoctadecanoic acid
2. Acetalisering af alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Fremstilling af esterne af alkyl 9,10- dihydroxystearate kræver to trin, og der blev opnået udbytter på 67–85%. For at vurdere effektiviteten blev den sonokemiske metode sammenlignet med den konventionelle refluksteknik. Desuden blev homogene og faste syrekatalysatorer, nemlig svovlsyre (H2SO4), naturlig bentonit og H-bentonit, brugt til at bestemme forskellige katalysatorers indflydelse og effektivitet. Det viste sig, at sonokemisk esterificering af syren katalyseret af H-bentonit gav produkter med et udbytte på op til 70% på en 3 gange kortere reaktionstid end refluksmetoden, hvilket er bemærkelsesværdigt. Det afsluttende acetaliseringstrin med n-pentanal i nærvær af H-bentonit ved hjælp af ultralydsbehandling gav tre pentanalafledte dioxolanderivater med udbytter på 69–85%, som er højere end ved den konventionelle metode. Refluksmetoden krævede en længere reaktionstid end den sonokemiske metode, da ultralydssyntese kun krævede 10–30min. Ud over den betydeligt kortere reaktionstid under sonikering blev der opnået et bemærkelsesværdigt udbytte af hver ester ved hjælp af den sonokemiske metode.
Forskeren beregnede også, at den sonokemiske reaktions energibehov er ca. 62 gange lavere end ved den konventionelle metode. Dette reducerer omkostningerne og er miljøvenligt.
Undersøgelse af hvert produkts fysisk-kemiske egenskaber viste, at methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate er et potentielt nyt biosmøremiddel med de funktionelle egenskaber, der skal til for at erstatte almindelige smøremidler. (jf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificering af pentaerythrylestere ved hjælp af ultralyd

Pentaerythrylestere kan fremstilles fra vegetabilske olier såsom solsikkeolie, linolie og jatrophaolie. Hashems forskergruppe demonstrerede syntesen af biobaserede smøremidler via successive basekatalyserede transesterificeringer, som omfattede to transesterificeringstrin. De demonstrerede syntesens gennemførlighed ved brug af solsikkeolie, linolie og jatrophaolie. I det første trin blev olierne omdannet til de tilsvarende methylestere. I den anden proces blev methylesterne omdannet til pentaerythrylestere ved indvirkning af pentaerythritol som vist i det følgende reaktionsskema: (jf. Hashem et al., 2013)

Efter transesterificering af vegetabilsk olie til methylester omdannes methylesterne til pentaerythrylestere ved indvirkning af pentaerythritol som vist i reaktionsskemaet ovenfor.
(jf. Hashem et al., 2013)

Ultralydsbehandlingens betydelige reaktionsfremmende virkninger på transesterificering er videnskabeligt dokumenteret og har allerede været anvendt industrielt i årtier. Det mest fremtrædende eksempel på ultralydsforbedret transesterificering er omdannelsen af olier og fedtstoffer til fedtsyremethylester (FAME), kendt som biodiesel.
Læs mere om ultralydsassisteret transesterificering af (spild)olier og fedtstoffer til biodiesel!

Ultralydssonder og reaktorer til transesterificering og andre kemiske synteser

Hielscher Ultrasonics er din specialist, når det gælder avancerede, højtydende ultralydsapparater til sonokemiske reaktioner. Hielscher designer, fremstiller og distribuerer ultralydsapparater med høj effekt og tilbehør såsom sonder (sonotroder), reaktorer og flowceller i alle størrelser og leverer til både kemiske laboratorier og kemiske produktionsanlæg i industriel skala. Fra kompakte ultralydsapparater til laboratorier til industrielle ultralydssonder og reaktorer har Hielscher det ideelle ultralydssystem til din proces. Med mange års erfaring inden for anvendelser såsom sonokatalyse og sonosyntese vil vores veluddannede medarbejdere anbefale den bedst egnede opstilling til dine behov.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydssystemer med meget høj robusthed, som kan levere intense ultralydsbølger, da alle Hielschers industrielle ultralydsapparater kan levere meget høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7). De robuste ultralydssystemer kræver næsten ingen vedligeholdelse og er bygget til at køre. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr pålideligt til krævende anvendelser under vanskelige forhold. Der fås også særlige sonotroder til høje temperaturer eller meget barske kemiske miljøer.
Højeste kvalitet – designet og fremstillet i Tyskland: Alt udstyr designes og fremstilles på vores hovedkontor i Tyskland. Før levering til kunden testes hvert ultralydsapparat omhyggeligt under fuld belastning. Vi stræber efter kundetilfredshed, og vores produktion er tilrettelagt med henblik på at opfylde de højeste krav til kvalitetssikring (f.eks. ISO-certificering).

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: