Σύνθεση πολυόλης μέσω υπερήχων μετεστεροποίησης

Οι πολυόλες είναι συνθετικοί εστέρες που παράγονται κυρίως μέσω μετεστεροποίησης τριγλυκεριδίων από φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη. Αυτές οι πολυόλες είναι πρώτη ύλη για την παραγωγή πολυουρεθανών, βιολιπαντικών και άλλων νεκροταφείων. Υπερήχους χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των αντιδράσεων μετεστεροποίησης με την εφαρμογή έντονων δυνάμεων διάτμησης και θερμικής ενέργειας. Ο υπέρηχος και τα sonochemical αποτελέσματά 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.

Υπερηχογραφικά υποβοηθούμενη μετεστεροποίηση

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-σύνθεση (επίσης sonochemical σύνθεση, η οποία είναι χημική σύνθεση που προωθείται μέσω υπερήχων υψηλής απόδοσης), είναι γνωστή για τις ευεργετικές επιδράσεις της στη μετεστεροποίηση καθώς και σε άλλες χημικές διεργασίες.

Βιώσιμη σύνθεση πολυόλης από φυτικά έλαια χρησιμοποιώντας υπερήχους

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

Υπερήχων σύνθεση ενός βιολιπαντικού με βάση εστέρα πενταερυθριτόλης

Ο εστέρας πενταερυθριτόλης μπορεί να συντεθεί αποτελεσματικά από κραμβέλαιο μέσω sonochemical διαδικασίας δύο σταδίων, όπως αποδεικνύεται από την ερευνητική ομάδα του Arumugam. Στη μελέτη βελτιστοποίησης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον υπερηχητικό Hielscher UP400St (βλ. εικόνα αριστερά). Στην πρώτη sonoχημικά προωθημένη μετεστεροποίηση, το κραμβέλαιο αντιδρά με μεθανόλη σε μεθυλεστέρα. Στο δεύτερο στάδιο μετεστεροποίησης, ο μεθυλεστέρας αντιδρά με ξυλόλιο και καταλύτη στον εστέρα πενταερυθριτόλης. Ο ερευνητής επικεντρώθηκε στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων διαδικασίας υπερήχων προκειμένου να ενισχυθεί η απόδοση και η συνολική αποτελεσματικότητα της σύνθεσης εστέρα πενταερυθριτόλης υπό υπερήχους. Βελτιωμένη απόδοση 81,4% του εστέρα πενταερυθριτόλης επιτεύχθηκε με έναν υπερηχητικό παλμό 15 s, ένα πλάτος υπερήχων 60%, μια συγκέντρωση καταλύτη 1,5 wt%, και τη θερμοκρασία αντίδρασης 100 ° C. Για τον ποιοτικό έλεγχο, ο sonoχημικά συντιθέμενος εστέρας πενταερυθριτόλης συγκρίθηκε με συνθετικό λάδι συμπιεστή. 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 βιολιπαντικού με βάση εστέρα πενταερυθριτόλης. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της διαδικασίας μετεστεροποίησης υπερήχων είναι οι αυξημένες αποδόσεις του εστέρα πενταερυθριτόλης, ο μειωμένος χρόνος αντίδρασης και οι σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες αντίδρασης. (πρβλ. Arumugam et al., 2019)

Υπερήχων εντατικοποιημένη μετεστεροποίηση δύο σταδίων του κραμβελαίου στον εστέρα πενταερυθριτόλης.
(προσαρμοσμένο από Arumugam et al., 2019)

Πεντανάλη που προέρχονται από εστέρες ακετάλης μέσω υπερήχων σύνθεση

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

1. Εστεροποίηση του 9,10-διυδροξυδεκαοκτανοϊκού οξέος
2. Ακεταλόλυση 9,10-διυδροξυδεκαοκτανικού αλκυλίου

Προκειμένου να παραχθούν οι εστέρες του αλκυλο9,10- διυδροξυστεατικού άλατος απαιτούνται δύο στάδια και ελήφθησαν αποδόσεις 67-85%. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας, η sonochemical μέθοδος συγκρίθηκε με τη συμβατική τεχνική παλινδρόμησης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν ομοιογενείς και στερεοί όξινοι καταλύτες, δηλαδή θειικό οξύ (H2SO4), φυσικός μπεντονίτης και H-μπεντονίτης, για τον προσδιορισμό της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας διαφόρων καταλυτών. Διαπιστώθηκε ότι η sonochemical εστεροποίηση του οξέος που καταλύεται από τον H-μπεντονίτη έδωσε στα προϊόντα απόδοση έως και 70% σε 3 φορές μικρότερο χρόνο αντίδρασης από τη μέθοδο παλινδρόμησης, η οποία είναι αξιοσημείωτη. Το τελικό βήμα ακεταλοποίησης με n-πεντανάλη παρουσία H-μπεντονίτη χρησιμοποιώντας υπερήχους παρείχε τρία παράγωγα διοξολάνης που προέρχονται από πεντακάναλη σε αποδόσεις 69-85%, οι οποίες είναι υψηλότερες από τη συμβατική μέθοδο. Η μέθοδος παλινδρόμησης απαιτούσε μεγαλύτερο χρόνο αντίδρασης από τη sonochemical μέθοδο, δεδομένου ότι η υπερηχητική σύνθεση απαιτούσε μόνο 10-30min. Επιπρόσθετα στον σημαντικά μικρότερο χρόνο αντίδρασης υπό υπερήχους, μια αξιοσημείωτη απόδοση κάθε εστέρα επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τη sonochemical μέθοδο.
Ο ερευνητής υπολόγισε επίσης ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις της ηχοχημικής 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 οκτανικό μεθύλιο 8-(2-βουτυλο-5-οκτυλο-1,3-διοξολαν-4-υλο)οκτανικό μεθύλιο είναι ένα πιθανό νέο βιολιπαντικό με τις λειτουργίες να υποκαθιστούν κοινά λιπαντικά. (πρβλ. Kurniawan et al., 2021)

Μετεστεροποίηση Πενταερυθρυλεστέρων με χρήση Υπερήχων

Οι πενταερυθρυλεστέρες μπορούν να ληφθούν από φυτικά έλαια όπως ηλιέλαιο, λιναρόσπορο και έλαιο jatropha. Η ερευνητική ομάδα της Hashem απέδειξε τη σύνθεση λιπαντικών βιολογικής βάσης μέσω διαδοχικών μεταεστεροποιήσεων που καταλύονται από τη βάση και περιλαμβάνουν δύο στάδια μετεστεροποίησης. Απέδειξαν τη σκοπιμότητα της σύνθεσης χρησιμοποιώντας ηλιέλαιο, λιναρόσπορο και έλαιο jatropha. Στο πρώτο στάδιο, τα έλαια μετατράπηκαν στους αντίστοιχους μεθυλεστέρες. Στη δεύτερη διαδικασία, οι μεθυλεστέρες μετατράπηκαν σε πενταερυθρυλεστέρες 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 πενταερυθρυλεστέρες με τη δράση πενταερυθριτόλης όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.
(πρβλ. Hashem et al., 2013)

Τα σημαντικά αποτελέσματα ενίσχυσης της αντίδρασης της υπερήχων στην μετεστεροποίηση είναι επιστημονικά αποδεδειγμένα και ήδη από δεκαετίες υιοθετούνται βιομηχανικά. Το πιο σημαντικό παράδειγμα για υπερήχων βελτιωμένη μετεστεροποίηση είναι η μετατροπή των ελαίων και των λιπών σε μεθυλεστέρα λιπαρών οξέων (FAME), γνωστή ως βιοντίζελ.
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την υπερηχογραφικά υποβοηθούμενη μετεστεροποίηση (αποβλήτων) ελαίων και λιπών σε βιοντίζελ!

Υπερηχητικοί ανιχνευτές και αντιδραστήρες για μετεστεροποίηση και άλλες χημικές συνθέσεις

Hielscher Υπέρηχοι είναι ειδικός σας, όταν πρόκειται για εξελιγμένους υπερήχους υψηλής απόδοσης για sonochemical αντιδράσεις. Hielscher σχεδιάζει, κατασκευάζει, και διανέμει υψηλής ισχύος υπερήχων και αξεσουάρ όπως ανιχνευτές (sonotrodes), αντιδραστήρες, και κύτταρα ροής σε οποιοδήποτε μέγεθος και προμηθεύει χημικά εργαστήρια, καθώς και εγκαταστάσεις χημικής παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα. Από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων σε βιομηχανικούς υπερηχητικούς ανιχνευτές και αντιδραστήρες, Hielscher έχει το ιδανικό σύστημα υπερήχων για τη διαδικασία σας. Με μακρόχρονη εμπειρία σε εφαρμογές όπως sono-κατάλυση και sono-σύνθεση, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την καταλληλότερη ρύθμιση για τις απαιτήσεις σας.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης συστήματα υπερήχων πολύ υψηλής ευρωστίας και ικανά να παραδώσουν έντονα κύματα υπερήχων, δεδομένου ότι όλοι Hielscher βιομηχανική υπερήχων μπορεί να παραδώσει πολύ υψηλά πλάτη σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα). Τα στιβαρά συστήματα υπερήχων δεν απαιτούν σχεδόν καμία συντήρηση και είναι κατασκευασμένα για να λειτουργούν. Αυτό καθιστά Hielscher υπερήχων εξοπλισμό αξιόπιστη για εφαρμογές βαρέως τύπου υπό απαιτητικές συνθήκες. Διατίθενται επίσης ειδικά sonotrodes για υψηλή θερμοκρασία ή πολύ σκληρά χημικά.
Υψηλότερη ποιότητα – Σχεδιασμένο και κατασκευασμένο 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 έτσι ώστε να πληροί την υψηλότερη διασφάλιση ποιότητας (π.χ. πιστοποίηση ISO).

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: