Σύνθεση πολυολών μέσω μετεστεροποίησης με υπερήχους
Οι πολυόλες είναι συνθετικοί εστέρες που παράγονται κυρίως μέσω μετεστεροποίησης τριγλυκεριδίων από φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη. Αυτές οι πολυόλες αποτελούν πρώτη ύλη για την παραγωγή πολυουρεθανών, βιολιπαντικών και άλλων χημικών ουσιών. Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των αντιδράσεων μετεστεροποίησης μέσω της εφαρμογής έντονων δυνάμεων διάτμησης και θερμικής ενέργειας. Οι υπέρηχοι και οι ηχοχημικές επιδράσεις τους παρέχουν ενέργεια για την αντίδραση και συμβάλλουν στην υπέρβαση των περιορισμών μεταφοράς μάζας. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα της μετεστεροποίησης, την απόδοση και τη συνολική αποδοτικότητα.
Μετεστεροποίηση υποβοηθούμενη από υπερήχους
Οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης αποτελούν μία από τις σημαντικότερες οδούς σύνθεσης και χρησιμοποιούνται ευρέως ως αποτελεσματική τεχνική για τη μετατροπή φυτικών ελαίων σε υποκατάστατα πετρελαϊκών προϊόντων. Η ηχοσύνθεση (επίσης ηχοχημική σύνθεση, δηλαδή χημική σύνθεση που προάγεται μέσω υπερήχων υψηλών επιδόσεων) είναι ευρέως γνωστή για τις ευεργετικές επιδράσεις της στη μετεστεροποίηση, καθώς και σε άλλες χημικές διεργασίες.
- Ταχεία μετατροπή
- Πληρέστερη αντίδραση
- Λιγότερος καταλύτης
- Λιγότερα ανεπιθύμητα παραπροϊόντα
- Ενεργειακή αποδοτικότητα
- Πράσινη χημεία
Αντιδραστήρας υπερήχων ισχύος 16.000 watts (4x κεφαλές υπερήχων των 4000 watts) για ηχοχημικά ενισχυμένη μετεστεροποίηση σε συνεχή ροή.
Βιώσιμη σύνθεση πολυολών από φυτικά έλαια με χρήση υπερήχων
Τα λιπαρά οξέα φυτικής προέλευσης, δηλαδή τα φυτικά έλαια, αποτελούν ευρέως διαθέσιμη και ανανεώσιμη πρώτη ύλη και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή πολυολών και πολυουρεθανών βιολογικής προέλευσης. Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος δημιουργεί ευνοϊκές ηχοχημικές επιδράσεις, οι οποίες επιταχύνουν σημαντικά την καταλυτική αντίδραση μετεστεροποίησης. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους αυξάνει την απόδοση των συντιθέμενων πολυολών, καθώς η έντονη ενέργεια ανάμιξης της ακουστικής σπηλαίωσης υπερνικά τον περιορισμό μεταφοράς μάζας. Είναι ευρέως γνωστό ότι οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης με υπερήχους πραγματοποιούνται αποδοτικά με μικρότερες ποσότητες αλκοόλης και καταλύτη σε σύγκριση με τις συμβατικές αντιδράσεις μετεστεροποίησης. Αυτό οδηγεί σε βελτίωση της συνολικής αποδοτικότητας μέσω της κατεργασίας με υπερήχους.
Σύνθεση βιολιπαντικού με βάση εστέρα πενταερυθριτόλης με υπερήχους
Ο εστέρας πενταερυθριτόλης μπορεί να συντεθεί αποδοτικά από κραμβέλαιο μέσω ηχοχημικής διεργασίας δύο σταδίων, όπως έδειξε η ερευνητική ομάδα του Arumugam. Στη μελέτη βελτιστοποίησης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συσκευή υπερήχων UP400St της Hielscher (βλ. εικόνα αριστερά). Στην πρώτη, ηχοχημικά προαγόμενη μετεστεροποίηση, το κραμβέλαιο αντιδρά με μεθανόλη προς σχηματισμό μεθυλεστέρα. Στο δεύτερο στάδιο μετεστεροποίησης, ο μεθυλεστέρας αντιδρά με ξυλόλιο και έναν καταλύτη προς σχηματισμό εστέρα πενταερυθριτόλης. Ο ερευνητής επικεντρώθηκε στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διεργασίας υπερήχων, προκειμένου να αυξήσει την απόδοση και τη συνολική αποδοτικότητα της σύνθεσης εστέρα πενταερυθριτόλης υπό υπερήχους. Επιτεύχθηκε βελτιωμένη απόδοση εστέρα πενταερυθριτόλης 81,4% με παλμό υπερήχων 15 s, πλάτος ταλάντωσης υπερήχων 60%, συγκέντρωση καταλύτη 1,5 wt% και θερμοκρασία αντίδρασης 100°C. Για τον ποιοτικό έλεγχο, ο ηχοχημικά συντεθειμένος εστέρας πενταερυθριτόλης συγκρίθηκε με συνθετικό λάδι συμπιεστή. Συμπερασματικά, η μελέτη υποδεικνύει ότι η διεργασία διαδοχικής μετεστεροποίησης που προάγεται με υπερήχους αποτελεί αποδοτική μέθοδο αντικατάστασης της συμβατικής διεργασίας διαδοχικής μετεστεροποίησης για τη σύνθεση βιολιπαντικού με βάση εστέρα πενταερυθριτόλης. Τα κύρια πλεονεκτήματα της διεργασίας μετεστεροποίησης με υπερήχους είναι οι αυξημένες αποδόσεις εστέρα πενταερυθριτόλης, ο μικρότερος χρόνος αντίδρασης και οι σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες αντίδρασης. (πρβλ. Arumugam et al., 2019)
Μετεστεροποίηση κραμβελαίου σε εστέρα πενταερυθριτόλης σε δύο στάδια, ενισχυμένη με υπερήχους.
(προσαρμογή από Arumugam et al., 2019)
Εστέρες ακετάλης προερχόμενοι από πεντανάλη μέσω σύνθεσης με υπερήχους
Η ερευνητική ομάδα του Kurniawan συνέθεσε τρεις ακεταλικούς εστέρες προερχόμενους από πεντανάλη μέσω ηχοχημικής μεθόδου, εφαρμόζοντας τις αρχές της πράσινης χημείας. Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιήθηκε για την προώθηση δύο χημικών σταδίων:
- Εστεροποίηση του 9,10-διυδροξυοκταδεκανοϊκού οξέος
- Ακεταλοποίηση του 9,10-διυδροξυοκταδεκανοϊκού αλκυλεστέρα
Για την παραγωγή των εστέρων του 9,10- διυδροξυστεατικού αλκυλίου απαιτούνται δύο στάδια και επιτεύχθηκαν αποδόσεις 67–85%. Για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας, η ηχοχημική μέθοδος συγκρίθηκε με τη συμβατική τεχνική βρασμού με επαναρροή. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν ομογενείς και στερεοί όξινοι καταλύτες, συγκεκριμένα θειικό οξύ (H2SO4), φυσικός μπεντονίτης και H-μπεντονίτης, για να προσδιοριστούν η επίδραση και η αποδοτικότητα διαφόρων καταλυτών. Διαπιστώθηκε ότι η ηχοχημική εστεροποίηση του οξέος με καταλύτη τον H-μπεντονίτη έδωσε προϊόντα με απόδοση έως και 70% σε χρόνο αντίδρασης 3 φορές μικρότερο από εκείνον της μεθόδου βρασμού με επαναρροή, γεγονός αξιοσημείωτο. Το τελικό στάδιο ακεταλοποίησης με n-πεντανάλη παρουσία H-μπεντονίτη, με χρήση κατεργασίας με υπερήχους, έδωσε τρία παράγωγα διοξολανίου προερχόμενα από πεντανάλη με αποδόσεις 69–85%, οι οποίες είναι υψηλότερες από εκείνες της συμβατικής μεθόδου. Η μέθοδος βρασμού με επαναρροή απαιτούσε μεγαλύτερο χρόνο αντίδρασης από την ηχοχημική μέθοδο, καθώς η σύνθεση με υπερήχους απαιτούσε μόνο 10–30min. Εκτός από τον σημαντικά μικρότερο χρόνο αντίδρασης κατά την κατεργασία με υπερήχους, με την ηχοχημική μέθοδο επιτεύχθηκε αξιοσημείωτη απόδοση για κάθε εστέρα.
Ο ερευνητής υπολόγισε επίσης ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις της ηχοχημικής αντίδρασης είναι περίπου 62 φορές χαμηλότερες από εκείνες της συμβατικής μεθόδου. Αυτό μειώνει το κόστος και είναι φιλικό προς το περιβάλλον.
Η εξέταση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων κάθε προϊόντος αποκάλυψε ότι ο 8-(2-βουτυλο-5-οκτυλο-1,3-διοξολαν-4-υλο)οκτανοϊκός μεθυλεστέρας αποτελεί ένα δυνητικό νέο βιολιπαντικό με λειτουργικές ιδιότητες που επιτρέπουν την αντικατάσταση κοινών λιπαντικών. (βλ. Kurniawan et al., 2021)
Αντιδραστήρας υπερήχων με ηχοτρόδια 4x 2000 watts (8kW) για ηχοχημικές διεργασίες.
Μετεστεροποίηση εστέρων πενταερυθριτόλης με χρήση υπερήχων
Οι εστέρες πενταερυθριτόλης μπορούν να παραχθούν από φυτικά έλαια όπως το ηλιέλαιο, το λινέλαιο και το έλαιο γιατρόφας. Η ερευνητική ομάδα του Hashem κατέδειξε τη σύνθεση λιπαντικών βιολογικής προέλευσης μέσω διαδοχικών μετεστεροποιήσεων με βασική κατάλυση, σε δύο στάδια μετεστεροποίησης. Κατέδειξαν την εφικτότητα της σύνθεσης χρησιμοποιώντας ηλιέλαιο, λινέλαιο και έλαιο γιατρόφας. Στο πρώτο στάδιο, τα έλαια μετατράπηκαν στους αντίστοιχους μεθυλεστέρες. Στη δεύτερη διεργασία, οι μεθυλεστέρες μετατράπηκαν σε εστέρες πενταερυθριτόλης με τη δράση της πενταερυθριτόλης, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: (βλ. Hashem et al., 2013)
Μετά τη μετεστεροποίηση του φυτικού ελαίου σε μεθυλεστέρα, οι μεθυλεστέρες μετατρέπονται σε εστέρες πενταερυθριτόλης με τη δράση της πενταερυθριτόλης, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. (βλ. Hashem et al., 2013)
Οι επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους που ενισχύουν σημαντικά την αντίδραση μετεστεροποίησης είναι επιστημονικά τεκμηριωμένες και αξιοποιούνται ήδη εδώ και δεκαετίες στη βιομηχανία. Το πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα μετεστεροποίησης ενισχυμένης με υπερήχους είναι η μετατροπή ελαίων και λιπών σε μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (FAME), γνωστούς ως βιοντίζελ.
Διαβάστε περισσότερα για την υποβοηθούμενη από υπερήχους μετεστεροποίηση (απόβλητων) ελαίων και λιπών σε βιοντίζελ!
Ηχοτρόδια και αντιδραστήρες υπερήχων για μετεστεροποίηση και άλλες χημικές συνθέσεις
Η Hielscher Ultrasonics είναι ο ειδικός σας στα προηγμένα συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης για ηχοχημικές αντιδράσεις. Η Hielscher σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει συσκευές υπερήχων υψηλής ισχύος και εξαρτήματα όπως ακροδέκτες υπερήχων (ηχοτρόδια), αντιδραστήρες και κυψελίδες ροής κάθε μεγέθους και προμηθεύει τόσο χημικά εργαστήρια όσο και εγκαταστάσεις χημικής παραγωγής βιομηχανικής κλίμακας. Από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως βιομηχανικούς ακροδέκτες υπερήχων και αντιδραστήρες, η Hielscher διαθέτει το ιδανικό σύστημα υπερήχων για τη διεργασία σας. Με πολυετή εμπειρία σε εφαρμογές όπως η ηχοκατάλυση και η ηχοχημική σύνθεση, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την καταλληλότερη διάταξη για τις απαιτήσεις σας.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης με πολύ υψηλή ανθεκτικότητα και δυνατότητα παροχής έντονων υπερηχητικών κυμάτων, καθώς όλες οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης σε συνεχή λειτουργία (24/7). Τα ανθεκτικά συστήματα υπερήχων δεν απαιτούν σχεδόν καθόλου συντήρηση και είναι κατασκευασμένα για αδιάλειπτη λειτουργία. Αυτό καθιστά τον εξοπλισμό υπερήχων της Hielscher αξιόπιστο για εφαρμογές βαρέος τύπου υπό απαιτητικές συνθήκες. Διατίθενται επίσης ειδικά ηχοτρόδια για υψηλές θερμοκρασίες ή ιδιαίτερα επιθετικά χημικά περιβάλλοντα.
Υψηλότερη ποιότητα – Σχεδιασμός και κατασκευή στη Γερμανία: Όλος ο εξοπλισμός σχεδιάζεται και κατασκευάζεται στην έδρα μας στη Γερμανία. Πριν από την παράδοση στον πελάτη, κάθε συσκευή υπερήχων ελέγχεται προσεκτικά υπό πλήρες φορτίο. Επιδιώκουμε την ικανοποίηση των πελατών μας και η παραγωγή μας είναι οργανωμένη ώστε να ανταποκρίνεται στις υψηλότερες απαιτήσεις διασφάλισης ποιότητας (π.χ. πιστοποίηση ISO).
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Arumugam, S.; Chengareddy, P.; Tamilarasan, A.; Santhanam, V. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
- Hashem, Ahmed; Abou Elmagd, Wael; Salem, A.; El-Kasaby, M.; El-Nahas, A. (2013): Conversion of Some Vegetable Oils into Synthetic Lubricants via Two Successive Transesterifications. Energy Sources Part A 35(10); 2013.
- Kurniawan, Yehezkiel; Thomas, Kevin; Hendra, Jumina; Wahyuningsih, Tutik Dwi (2021): Green synthesis of alkyl 8-(2-butyl-5-octyl-1, 3-dioxolan-4-yl)octanoate derivatives as potential biolubricants from used frying oil. ScienceAsia 47, 2021.
- Wikipedia: Natural Oil Polyols
Χρήσιμες πληροφορίες
Τι είναι ένας εστέρας πολυόλης;
Ένας εστέρας πολυόλης είναι ένας εστέρας που παράγεται με την αντίδραση μιας πολυόλης, δηλαδή μιας αλκοόλης που περιέχει δύο ή περισσότερες υδροξυλομάδες, με ένα ή περισσότερα καρβοξυλικά οξέα. Στη χημεία των λιπαντικών, οι εστέρες πολυολών αποτελούν σημαντικά συνθετικά εστερικά υγρά βάσης, επειδή η διακλαδισμένη μοριακή δομή τους παρέχει υψηλή λιπαντικότητα, καλή συμπεριφορά ιξώδους σε σχέση με τη θερμοκρασία, χαμηλή πτητικότητα και εξαιρετική θερμική και οξειδωτική σταθερότητα.
Σε τι χρησιμοποιούνται οι πολυόλες;
Οι πολυόλες χρησιμοποιούνται ως χημικές δομικές μονάδες στην παραγωγή πολυουρεθανών, πολυεστέρων, αλκυδικών ρητινών, συνθετικών λιπαντικών, πλαστικοποιητών, επιφανειοδραστικών ουσιών, επιστρώσεων, συγκολλητικών και ελαστομερών. Στην παραγωγή λιπαντικών, πολυόλες όπως η τριμεθυλολοπροπάνη, η νεοπεντυλογλυκόλη και η πενταερυθριτόλη εστεροποιούνται με λιπαρά οξέα για την παραγωγή βασικών ελαίων υψηλής απόδοσης από εστέρες πολυολών. Σε εφαρμογές τροφίμων, ορισμένες πολυόλες χρησιμοποιούνται ως γλυκαντικά χαμηλών θερμίδων, υγραντικά και συστατικά που τροποποιούν την υφή.
Μάθετε περισσότερα για τη χρήση πολυολών στην παραγωγή βιολιπαντικών με υπερήχους!
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των πολυολών στην επιστήμη τροφίμων και στη χημεία πολυμερών;
Στην επιστήμη τροφίμων, οι πολυόλες συνήθως αναφέρονται σε σακχαροαλκοόλες όπως η σορβιτόλη, η ξυλιτόλη, η μαλτιτόλη, η ερυθριτόλη και η μαννιτόλη, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως γλυκαντικά, υγραντικά και διογκωτικοί παράγοντες. Στη χημεία πολυμερών, οι πολυόλες αναφέρονται ευρύτερα σε πολυλειτουργικές αλκοόλες ή μόρια με τερματικές υδροξυλομάδες, τα οποία αντιδρούν με οξέα, ισοκυανικές ενώσεις ή άλλες λειτουργικές ομάδες για να σχηματίσουν πολυμερή, ρητίνες, αφρούς, ελαστομερή και συνθετικούς εστέρες. Ο όρος έχει συναφή χημική σημασία και στα δύο πεδία, αλλά το πλαίσιο εφαρμογής διαφέρει: οι πολυόλες τροφίμων είναι κυρίως λειτουργικά συστατικά, ενώ οι βιομηχανικές πολυόλες είναι δραστικά χημικά ενδιάμεσα.
Ποιες είναι οι οδοί σύνθεσης πολυολών;
Οι πολυόλες φυσικών ελαίων (συντομογραφία NOPs), ή βιοπολυόλες, είναι πολυόλες που προέρχονται από φυτικά έλαια. Διατίθενται διάφορες χημικές οδοί για τη σύνθεση βιοπολυολών. Οι βιοπολυόλες χρησιμοποιούνται κυρίως ως πρώτες ύλες για την παραγωγή πολυουρεθανών, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης στην παραγωγή άλλων προϊόντων, όπως λιπαντικών, ελαστομερών, συγκολλητικών, τεχνητού δέρματος και επιστρώσεων.
Για τη σύνθεση πολυολών από φυτικά έλαια διατίθενται διάφορες μέθοδοι αντίδρασης, όπως η εποξείδωση, η μετεαμίδωση και η μετεστεροποίηση. Για παράδειγμα, μια πολυόλη με βάση το κραμβέλαιο μπορεί να συντεθεί με μερική εποξείδωση των διπλών δεσμών στις αλυσίδες των λιπαρών οξέων και πλήρη διάνοιξη των δακτυλίων οξιρανίου με χρήση διαιθυλενογλυκόλης. Η μετεαμίδωση και η μετεστεροποίηση των εστερικών δεσμών των φυτικών τριγλυκεριδίων μπορούν να πραγματοποιηθούν με χρήση διαιθανολαμίνης και τριαιθανολαμίνης, αντίστοιχα.
Διαβάστε περισσότερα για τη μετεστεροποίηση διεστέρων με υπερήχους!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.