Σύνθεση πολυόλης μέσω υπερηχητικής μετεστεροποίησης

Οι πολυόλες είναι συνθετικοί εστέρες που παράγονται κυρίως μέσω μετεστεροποίησης τριγλυκεριδίων από φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη. Αυτές οι πολυόλες είναι πρώτες ύλες για την παραγωγή πολυουρεθανών, βιολιπαντικών και άλλων κεμικών. Υπερήχους χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των αντιδράσεων μετεστεροποίησης με την εφαρμογή έντονων διατμητικών δυνάμεων και θερμικής ενέργειας. Ο υπέρηχος και οι ηχοχημικές επιδράσεις του παρέχουν ενέργεια αντίδρασης και βοηθούν να ξεπεραστούν οι περιορισμοί μεταφοράς μάζας. Με αυτόν τον τρόπο, υπερήχηση βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα μετεστεροποίησης, απόδοση, και τη συνολική απόδοση.

Μετεστεροποίηση υποβοηθούμενη από υπερήχους

Οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης είναι μία από τις σημαντικότερες οδούς σύνθεσης και χρησιμοποιούνται ευρέως ως αποτελεσματική τεχνική για τη μετατροπή φυτικών ελαίων σε υποκατάστατα προϊόντων πετρελαίου. Η sono-synthesis (επίσης sonochemical synthesis, η οποία είναι χημική σύνθεση που προωθείται μέσω υπερήχων υψηλής απόδοσης), είναι γνωστή για τις ευεργετικές της επιδράσεις στη μετεστεροποίηση καθώς και σε άλλες χημικές διεργασίες.

Βιώσιμη σύνθεση πολυόλης από φυτικά έλαια με υπερήχους

Τα φυτικά λιπαρά οξέα, δηλαδή τα φυτικά έλαια, είναι μια ευρέως διαθέσιμη και ανανεώσιμη πρώτη ύλη και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή βιοβασικών πολυολών και πολυουρεθάνων. Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος δημιουργεί ευνοϊκά ηχοχημικά αποτελέσματα, τα οποία επιταχύνουν σημαντικά την καταλυτική αντίδραση της μετεστεροποίησης. Επιπλέον, υπερήχηση ενισχύει την απόδοση των συνθετικών πολυολών, όπως η έντονη ενέργεια ανάμειξης της ακουστικής σπηλαίωσης ξεπερνά τον περιορισμό της μεταφοράς μάζας. Οι υπερηχητικές αντιδράσεις μετεστεροποίησης είναι γνωστό ότι λειτουργούν αποτελεσματικά με χαμηλότερο αλκοόλ και καταλύτη ως συμβατικές αντιδράσεις μετεστεροποίησης. Αυτό οδηγεί σε μια βελτιωμένη συνολική αποτελεσματικότητα με υπερήχους.

Υπερηχητική σύνθεση ενός βιολιπαντικού με βάση τον εστέρα της πενταερυθριτόλης

Ο εστέρας της πενταερυθριτόλης μπορεί να συντεθεί αποτελεσματικά από το κραμβέλαιο μέσω της sonochemical διαδικασίας δύο βημάτων, όπως αποδεικνύεται από την ερευνητική ομάδα του Arumugam. Στη μελέτη βελτιστοποίησης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το Hielscher ultrasonicator UP400St (δείτε την εικόνα αριστερά). Στην πρώτη ηχοχημικά προωθούμενη μετεστεροποίηση, το κραμβέλαιο αντιδρά με μεθανόλη στον μεθυλεστέρα. Στο δεύτερο στάδιο μετεστεροποίησης, ο μεθυλεστέρας αντιδρά με ξυλόλιο και καταλύτη στον εστέρα της πενταερυθριτόλης. Ο ερευνητής επικεντρώθηκε στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της υπερηχητικής διαδικασίας προκειμένου να ενισχυθεί η απόδοση και η συνολική αποτελεσματικότητα της σύνθεσης του εστέρα της πενταερυθριτόλης υπό υπερηχογράφημα. Η βελτιωμένη απόδοση του 81,4% του εστέρα της πενταερυθριτόλης επιτεύχθηκε με υπερηχητικό παλμό 15 s, υπερηχητικό πλάτος 60%, συγκέντρωση καταλύτη 1,5 wt% και θερμοκρασία αντίδρασης 100 °C. Για τον ποιοτικό έλεγχο, ο sonochemically συντεθειμένος εστέρας πενταερυθριτόλης συγκρίθηκε με το συνθετικό λάδι συμπιεστή ποιότητας. Συμπερασματικά, η μελέτη δείχνει ότι η υπερηχητικά προωθούμενη διαδοχική διαδικασία μετεστεροποίησης είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την αντικατάσταση της συμβατικής διαδοχικής διαδικασίας μετεστεροποίησης για τη σύνθεση του βιολιπαντικού με βάση τον εστέρα της πενταερυθριτόλης. Τα κύρια πλεονεκτήματα της διαδικασίας υπερηχητικής μετεστεροποίησης είναι οι αυξημένες αποδόσεις του εστέρα της πενταερυθριτόλης, ο μειωμένος χρόνος αντίδρασης και οι σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες αντίδρασης. (πρβλ. Arumugam et al., 2019)

Υπερηχητικά εντατικοποιημένη μετεστεροποίηση δύο σταδίων του κραμβελαίου στον εστέρα της πενταερυθριτόλης.
(διασκευή από τους Arumugam et al., 2019)

Ακεταλικοί εστέρες που προέρχονται από πεντανάλη μέσω υπερήχων σύνθεσης

Η ερευνητική ομάδα του Kurniawan συνέθεσε τρεις ακετελικούς εστέρες που προέρχονται από το πεντάνιο μέσω της sonochemical μεθόδου χρησιμοποιώντας τις αρχές της πράσινης χημείας. Κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιήθηκε για την προώθηση δύο χημικών βημάτων:

1. Εστεροποίηση του 9,10-διυδροξυοκταδεκανοϊκού οξέος
2. Ακετάλυση του 9,10-διυδροξυοκταδεκανοϊκού αλκυλίου

Για την παραγωγή των εστέρων του αλκυλεστέρα 9,10-διυδροξυστεατικού απαιτούνται δύο στάδια και ελήφθησαν αποδόσεις 67-85%. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας, η ηχοχημική μέθοδος συγκρίθηκε με τη συμβατική τεχνική παλινδρόμησης. Επιπλέον, ομοιογενείς και στερεοί καταλύτες οξέος, δηλαδή θειικό οξύ (H2SO4), φυσικός μπεντονίτης και Η-μπεντονίτης, χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας διαφόρων καταλυτών. Διαπιστώθηκε ότι η ηχοχημική εστεροποίηση του οξέος που καταλύεται από τον Η-μπεντονίτη έδωσε στα προϊόντα έως και 70% απόδοση σε 3 φορές μικρότερο χρόνο αντίδρασης από τη μέθοδο της παλινδρόμησης, κάτι που είναι αξιοσημείωτο. Το τελικό βήμα ακεταλοποίησης με n-πεντανάλη παρουσία του Η-μπεντονίτη με υπερήχους παρείχε τρία πεντανανικά παράγωγα διοξολάνης σε αποδόσεις 69-85%, οι οποίες είναι υψηλότερες από τη συμβατική μέθοδο. Η μέθοδος παλινδρόμησης απαιτούσε μεγαλύτερο χρόνο αντίδρασης από τη μέθοδο sonochemical, καθώς η υπερηχητική σύνθεση απαιτούσε μόνο 10-30 λεπτά. Εκτός από τον σημαντικά μικρότερο χρόνο αντίδρασης υπό κατεργασία με υπερήχους, μια αξιοσημείωτη απόδοση κάθε εστέρα επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο sonochemical.
Ο ερευνητής υπολόγισε επίσης ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις της sonochemical αντίδρασης είναι περίπου 62 φορές χαμηλότερες από αυτές της συμβατικής μεθόδου. Αυτό μειώνει το κόστος και είναι φιλικό προς το περιβάλλον.
Η εξέταση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων κάθε προϊόντος αποκάλυψε ότι το οκτανοϊκό 8-(2-βουτυλο-5-οκτυλο-1,3-διοξολαν-4-υλο)οκτανικό μεθύλιο είναι ένα δυνητικά νέο βιολιπαντικό με τις λειτουργίες να υποκαθιστούν τα κοινά λιπαντικά. (πρβλ. Κουρνιαουάν κ.ά., 2021)

Μετεστεροποίηση πενταερυθρυλικών εστέρων με χρήση υπερήχων

Οι πενταερυθρυλικοί εστέρες μπορούν να ληφθούν από φυτικά έλαια όπως ηλίανθος, λιναρόσπορος και έλαιο jatropha. Η ερευνητική ομάδα του Hashem απέδειξε τη σύνθεση των λιπαντικών βιολογικής βάσης μέσω διαδοχικών μετεστεροποιήσεων καταλύτη βάσης που περιλαμβάνουν δύο βήματα μετεστεροποίησης. Απέδειξαν τη σκοπιμότητα της σύνθεσης χρησιμοποιώντας ηλιέλαιο, λιναρόσπορο, και jatropha πετρελαίου. Στο πρώτο βήμα, τα έλαια μετατράπηκαν στους αντίστοιχους μεθυλεστέρες. Στη δεύτερη διαδικασία, οι μεθυλεστέρες μετατράπηκαν σε πενταερυθρυλικούς εστέρες με τη δράση της πενταερυθριτόλης, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: (πρβλ. Hashem et al., 2013)

Μετά τη μετεστεροποίηση του φυτικού ελαίου σε μεθυλεστέρα, οι μεθυλεστέρες μετατρέπονται σε πενταερυθρυλικούς εστέρες με τη δράση της πενταερυθριτόλης, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.
(πρβλ. Hashem et al., 2013)

Οι σημαντικά ενισχυτικές επιδράσεις της αντίδρασης της υπερήχων στη μετεστεροποίηση είναι επιστημονικά αποδεδειγμένες και ήδη από δεκαετίες βιομηχανικά υιοθετημένες. Το πιο σημαντικό παράδειγμα για την υπερηχητικά βελτιωμένη tranesterification είναι η μετατροπή των ελαίων και των λιπών σε μεθυλεστέρα λιπαρών οξέων (FAME), γνωστή ως βιοντίζελ.
Διαβάστε περισσότερα για τη μετεστεροποίηση (αποβλήτων) ελαίων και λιπών σε βιοντίζελ με τη βοήθεια υπερήχων!

Υπερηχητικοί ανιχνευτές και αντιδραστήρες για μετεστεροποίηση και άλλες χημικές συνθέσεις

Hielscher Ultrasonics είναι ο ειδικός σας όταν πρόκειται για εξελιγμένους υπερήχους υψηλής απόδοσης για sonochemical αντιδράσεις. Η Hielscher σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει υπερήχους υψηλής ισχύος και εξαρτήματα όπως ανιχνευτές (sonotrodes), αντιδραστήρες και κύτταρα ροής σε οποιοδήποτε μέγεθος και προμηθεύει χημικά εργαστήρια καθώς και εγκαταστάσεις χημικής παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα. Από συμπαγείς συσκευές υπερήχων εργαστηρίου έως βιομηχανικούς υπερηχητικούς ανιχνευτές και αντιδραστήρες, η Hielscher διαθέτει το ιδανικό υπερηχητικό σύστημα για τη διαδικασία σας. Με μακροχρόνια εμπειρία σε εφαρμογές όπως η sono-catalysis και η sono-synthesis, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την πιο κατάλληλη ρύθμιση για τις απαιτήσεις σας.
Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερηχητικά συστήματα πολύ υψηλής ευρωστίας και ικανά να παρέχουν έντονα κύματα υπερήχων, καθώς όλοι οι βιομηχανικοί υπερηχητικοί hielscher μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα). Τα ισχυρά συστήματα υπερήχων δεν απαιτούν σχεδόν καμία συντήρηση και είναι κατασκευασμένα για να λειτουργούν. Αυτό καθιστά τον υπερηχητικό εξοπλισμό Hielscher αξιόπιστο για εφαρμογές βαρέως τύπου υπό απαιτητικές συνθήκες. Διατίθενται επίσης ειδικά sonotrodes για υψηλή θερμοκρασία ή πολύ σκληρά χημικά.
Υψηλότερη ποιότητα – Σχεδιασμένος και κατασκευασμένος 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. Προσπαθούμε για την ικανοποίηση των πελατών και η παραγωγή μας είναι δομημένη για να εκπληρώνει την υψηλότερη διασφάλιση ποιότητας (π.χ. πιστοποίηση ISO).

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: