Polyolsyntese via ultralydstransesterificering

Polyoler er syntetiske estere, der hovedsageligt fremstilles via en transesterificering af triglycerider fra vegetabilske olier eller animalsk fedt. Disse polyoler er råmaterialer til fremstilling af polyurethaner, biosmåvarer og andre cemicals. Ultralydbehandling bruges til at forbedre transesterificeringsreaktioner ved at anvende intense forskydningskræfter og termisk energi. Ultralyd og dets klangkemiske virkninger leverer reaktionsenergi og hjælper med at overvinde masseoverførselsbegrænsninger. Derved forbedrer sonikering signifikant transesterificeringshastighed, udbytte og samlet effektivitet.

Ultralydassisteret transesterificering

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

Bæredygtig polyolsyntese fra vegetabilske olier ved hjælp af ultralyd

Planteafledte fedtsyrer, dvs. vegetabilske olier, er et bredt tilgængeligt og fornyeligt råmateriale og kan anvendes til fremstilling af biobaserede polyoler og polyurethaner. Anvendelsen af effekt ultralyd skaber gunstige klangkemiske virkninger, som signifikant fremskynder den katalytiske reaktion af transesterificering. Derudover forbedrer sonikering udbyttet af syntetiserede polyoler, da den intense blandingsenergi af akustisk kavitation overvinder masseoverførselsbegrænsningen. Ultralyd transesterificering reaktioner er velkendte at køre effektivt med lavere alkohol og katalysator som konventionelle transesterificering reaktioner. Dette fører til en forbedret samlet effektivitet ved ultralydbehandling.

Ultralydsyntese af en Pentaerythritol Ester-baseret biosmukrisk

Pentaerythritolester kan syntetiseres effektivt fra rapsolie via to-trins sonokemisk proces som demonstreret af forskerholdet i Arumugam. I deres optimeringsundersøgelse brugte forskerne Hielscher ultralydsapparat UP400St (se billedet til venstre). I den første klangkemisk fremmet transesterificering omsættes rapsolie med methanol til methylester. I det andet transesterificeringstrin reagerer methylesteren med xylen og en katalysator til pentaerythritolester. Forskeren fokuserede på optimering af ultralydsprocesparametre for at forbedre udbyttet og den samlede effektivitet af pentaerythritolestersyntesen under ultralyd. Forbedret udbytte på 81,4% pentaerythritolester blev opnået med en ultralydspuls på 15 s, en ultralydsamplitude på 60%, en katalysatorkoncentration på 1,5 vægt% og reaktionstemperaturen på 100 ° C. Til kvalitetskontrol blev den klangkemisk syntetiserede pentaerythritolester sammenlignet med kompressorolie af syntetisk kvalitet. Afslutningsvis antyder undersøgelsen, at den ultralydsfremmede successive transesterificeringsproces er en effektiv metode til at erstatte den konventionelle successive transesterificeringsproces til syntese af pentaerythritolesterbaseret biosmøremiddel. De største fordele ved ultralydstransesterificeringsprocessen er øgede udbytter af pentaerythritolester, en forkortet reaktionstid og signifikant lavere reaktionstemperaturer. (jf. Arumugam et al., 2019)

Ultralyd intensiveret to-trins transesterificering af rapsolie til pentaerythritolesteren.
(tilpasset fra Arumugam et al., 2019)

Pentanal-afledte acetalestere via ultralydsyntese

Forskerholdet i Kurniawan syntetiserede tre pentanal-afledte acetalestere via sonokemisk metode ved hjælp af principperne for grøn kemi. Sonikering blev brugt til at fremme to kemiske trin:

1. Esterificering af 9,10-dihydroxyoctadecansyre
2. Acetalysering af alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoat

For at fremstille estere af alkyl 9,10-dihydroxystearat kræves to trin, og udbytter på 67-85% blev opnået. Til effektivitetsvurdering blev den sonokemiske metode sammenlignet med den konventionelle tilbagesvalingsteknik. Desuden blev homogene og faste syrekatalysatorer, nemlig svovlsyre (H2SO4), naturlig bentonit og H-bentonit, anvendt til at bestemme indflydelsen og effektiviteten af forskellige katalysatorer. Det blev konstateret, at sonokemisk esterificering af syrekatalyseret af H-bentonit gav produkter i op til 70% udbytte i 3 gange kortere reaktionstid end tilbagesvalingsmetoden, hvilket er bemærkelsesværdigt. Det endelige acetaliseringstrin med n-pentanal i nærvær af H-bentonit ved hjælp af ultralydbehandling gav tre pentanal-afledte dioxolane derivater i 69-85% udbytter, som er højere end den konventionelle metode. Refluksmetoden krævede en længere reaktionstid end den sonokemiske metode, da ultralydsyntese kun krævede 10-30min. Ud over den signifikant kortere reaktionstid under sonikering blev der opnået et bemærkelsesværdigt udbytte af hver ester ved anvendelse af den klangemiske metode.
Forskeren har også beregnet, at energibehovet for den klangkemiske reaktion er ca. 62 gange lavere end for den konventionelle metode. Dette reducerer omkostningerne og er miljøvenligt.
Undersøgelse af de fysisk-kemiske egenskaber ved hvert produkt viste, at methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoat er et potentielt nyt biosmøremiddel med funktionaliteterne til at erstatte almindelige smøremidler. (jf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificering af pentaerythrylestere ved hjælp af ultralyd

Pentaerythrylestere kan fås fra vegetabilske olier såsom solsikke-, hørfrø- og jatrophaolie. Forskerholdet i Hashem demonstrerede syntesen af biobaserede smøremidler via en successiv basekatalyseret transesterificering, der involverer to transesterificeringstrin. De demonstrerede gennemførligheden af syntesen ved hjælp af solsikke-, hørfrø- og jatrophaolie. I det første trin blev olierne omdannet til de tilsvarende methylestere. I den anden proces blev methylestere omdannet til pentaerythrylestere ved virkningen af pentaerythritol som vist i følgende skema: (jf. Hashem et al., 2013)

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

De signifikant reaktionsfremmende virkninger af ultralydbehandling på transesterificering er videnskabeligt bevist og allerede siden årtier industrielt vedtaget. Det mest fremtrædende eksempel på ultralyd forbedret tranesterificering er omdannelsen af olier og fedtstoffer til fedtsyremethylester (FAME), kendt som biodiesel.
Læs mere om ultralydassisteret transesterificering af (affald) olier og fedtstoffer til biodiesel!

Ultralydssonder og reaktorer til transesterificering og andre kemiske synteser

Hielscher Ultrasonics er din specialist, når det kommer til sofistikerede højtydende ultralydapparater til klangemiske reaktioner. Hielscher designer, fremstiller og distribuerer ultralydapparater og tilbehør med høj effekt såsom sonder (sonotroder), reaktorer og flowceller i enhver størrelse og leverer kemiske laboratorier samt kemiske produktionsfaciliteter i industriel skala. Fra kompakte lab ultralydsenheder til industrielle ultralydssonder og reaktorer har Hielscher det ideelle ultralydssystem til din proces. Med lang tids erfaring inden for applikationer som sono-katalyse og sonosyntese vil vores veluddannede personale anbefale dig den mest passende opsætning til dine behov.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydssystemer med meget høj robusthed og i stand til at levere intense ultralydbølger, da alle Hielscher industrielle ultralydapparater 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 Hielscher ultralydsudstyr pålideligt til tunge applikationer under krævende forhold. Særlige sonotroder til høj temperatur eller meget hårdt kemikalie er også tilgængelige.
Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland: Alt udstyr er designet og fremstillet i vores hovedkvarter i Tyskland. Før levering til kunden testes hver ultralydsenhed omhyggeligt under fuld belastning. Vi stræber efter kundetilfredshed, og vores produktion er struktureret til at opfylde den højeste kvalitetssikring (f.eks. ISO-certificering).

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: