Síntesis de polioles mediante transesterificación por ultrasonidos

Los polioles son ésteres sintéticos producidos principalmente mediante la transesterificación de triglicéridos de aceites vegetales o grasas animales. Estos polioles son la materia prima para la producción de poliuretanos, biolubricantes y otros productos químicos. La ultrasonicación se utiliza para potenciar las reacciones de transesterificación mediante la aplicación de intensas fuerzas de cizallamiento y energía térmica. Los ultrasonidos y sus efectos sonoquímicos aportan energía a la reacción y ayudan a superar las limitaciones de la transferencia de masa. De este modo, la sonicación mejora significativamente la velocidad de transesterificación, el rendimiento y la eficiencia general.

Transesterificación asistida por ultrasonidos

Las reacciones de transesterificación son una de las rutas de síntesis más importantes y se utilizan ampliamente como técnica eficaz para convertir los aceites vegetales en sustitutos de los productos del petróleo. La sonosíntesis (también síntesis sonoquímica, que es la síntesis química promovida mediante ultrasonidos de alto rendimiento), es bien conocida por sus efectos beneficiosos en la transesterificación, así como en otros procesos químicos.

Ventajas de la transesterificación por ultrasonidos

  • Conversión rápida
  • Reacción más completa
  • menos catalizador
  • Menos subproductos no deseados
  • Eficiencia energética
  • Química verde

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Se sabe que la ultrasonicación mejora las reacciones de transesterificación, lo que permite obtener, por ejemplo, mayores ésteres metílicos y polioles. Hielscher Ultrasonics fabrica sondas y reactores industriales de ultrasonidos para grandes producciones.

Reactor ultrasónico de 16.000 vatios (4 sondas de 4.000 vatios) para la transesterificación en línea mejorada sonoquímicamente.

Síntesis sostenible de polioles a partir de aceites vegetales mediante ultrasonidos

Los ácidos grasos derivados de las plantas, es decir, los aceites vegetales, son una materia prima ampliamente disponible y renovable y pueden utilizarse para la preparación de polioles y poliuretanos de base biológica. La aplicación de ultrasonidos de potencia crea efectos sonoquímicos favorables, que aceleran significativamente la reacción catalítica de transesterificación. Además, la sonicación mejora el rendimiento de los polioles sintetizados, ya que la intensa energía de mezcla de la cavitación acústica supera la limitación de la transferencia de masa. Se sabe que las reacciones de transesterificación por ultrasonidos se llevan a cabo de forma eficiente con menos alcohol y catalizador que las reacciones de transesterificación convencionales. Esto conduce a una mejora de la eficiencia global mediante la ultrasonificación.

Síntesis por ultrasonidos de un biolubricante a base de ésteres de pentaeritritol

Ultrasonido UP400St, que se utilizó para la transesterificación de aceite vegetal a éster de pentaeritritol.El éster de pentaeritritol puede sintetizarse eficazmente a partir del aceite de colza mediante un proceso sonoquímico de dos pasos, como ha demostrado el equipo de investigación de Arumugam. En su estudio de optimización, los investigadores utilizaron el ultrasonizador UP400St de Hielscher (véase la imagen de la izquierda). En la primera transesterificación promovida por la sonoquímica, el aceite de colza reacciona con el metanol hasta obtener el éster metílico. En la segunda etapa de transesterificación, el éster metílico reacciona con xileno y un catalizador para obtener el éster de pentaeritritol. El investigador se centró en la optimización de los parámetros del proceso de ultrasonidos para mejorar el rendimiento y la eficiencia general de la síntesis del éster de pentaeritritol con ultrasonidos. Se consiguió mejorar el rendimiento del 81,4% del éster de pentaeritritol con un pulso ultrasónico de 15 s, una amplitud ultrasónica del 60%, una concentración de catalizador del 1,5% en peso y una temperatura de reacción de 100°C. Para el control de calidad, el éster de pentaeritritol sintetizado sonoquímicamente se comparó con el aceite de compresor de grado sintético. En conclusión, el estudio sugiere que el proceso de transesterificación sucesiva promovido por ultrasonidos es un método eficaz para sustituir el proceso de transesterificación sucesiva convencional para la síntesis de biolubricantes a base de éster de pentaeritritol. Las principales ventajas del proceso de transesterificación por ultrasonidos son un mayor rendimiento del éster de pentaeritritol, un menor tiempo de reacción y temperaturas de reacción significativamente más bajas. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificación en dos etapas intensificada por ultrasonidos del aceite de colza a los ésteres de poliol como el tetrastearato de pentaeritritol.

Transesterificación en dos etapas intensificada por ultrasonidos del aceite de colza al éster de pentaeritritol.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres acetales derivados del pentanal mediante síntesis ultrasónica

El equipo de investigación de Kurniawan sintetizó tres ésteres acetales derivados del pentanal mediante un método sonoquímico empleando los principios de la química verde. La sonicación se utilizó para promover dos pasos químicos:

  1. Esterificación del ácido 9,10-dihidroxioctadecanoico
  2. Acetalización de alquil 9,10-dihidroxioctadecanoato

Para producir los ésteres de alquil 9,10- dihidroxiestearato se requieren dos pasos y se obtuvieron rendimientos del 67-85%. Para evaluar la eficacia, se comparó el método sonoquímico con la técnica convencional de reflujo. Además, se utilizaron catalizadores ácidos homogéneos y sólidos, a saber, ácido sulfúrico (H2SO4), bentonita natural y H-bentonita, para determinar la influencia y la eficiencia de los distintos catalizadores. Se descubrió que la esterificación sonoquímica del ácido catalizada por la H-bentonita daba productos con un rendimiento de hasta el 70% en un tiempo de reacción 3 veces menor que el método de reflujo, lo cual es notable. El paso final de acetalización con n-pentanal en presencia de H-bentonita mediante ultrasonidos dio lugar a tres derivados de pentanal con un rendimiento del 69-85%, superior al del método convencional. El método de reflujo requirió un tiempo de reacción más largo que el método sonoquímico, ya que la síntesis por ultrasonidos sólo requirió 10-30min. Además del tiempo de reacción significativamente más corto bajo sonicación, se obtuvo un rendimiento notable de cada éster utilizando el método sonoquímico.
El investigador también calculó que las necesidades energéticas de la reacción sonoquímica son aproximadamente 62 veces menores que las del método convencional. Esto reduce los costes y es respetuoso con el medio ambiente.
El examen de las propiedades fisicoquímicas de cada producto reveló que el 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolan-4-il)octanoato de metilo es un nuevo biolubricante potencial con las funcionalidades para sustituir a los lubricantes comunes. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Reactor ultrasónico para la síntesis química, por ejemplo, procesos de transesterificación, esterificación o acetilación.

Reactor de ultrasonidos con 4 sondas de 2000 vatios (8kW) para procesos sonoquímicos.

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Transesterificación de ésteres de pentaeritrilo mediante ultrasonidos

Los ésteres de pentaeritrilo pueden obtenerse a partir de aceites vegetales como el de girasol, linaza y jatrofa. El equipo de investigación de Hashem demostró la síntesis de lubricantes de base biológica mediante transesterificaciones sucesivas catalizadas por bases que implican dos pasos de transesterificación. Demostraron la viabilidad de la síntesis utilizando aceite de girasol, linaza y jatrofa. En el primer paso, los aceites se convirtieron en los correspondientes ésteres metílicos. En el segundo proceso, los ésteres metílicos se convirtieron en ésteres pentaeritílicos por la acción del pentaeritritol, como se muestra en el siguiente esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

Tras la transesterificación del aceite vegetal en ésteres metílicos, éstos se convierten en ésteres pentaeritílicos por la acción del pentaeritritol, tal como se muestra en el esquema anterior.
(cf. Hashem et al., 2013)

Los efectos de la ultrasonicación en la transesterificación, que mejoran significativamente la reacción, están científicamente probados y ya se han adoptado desde hace décadas en la industria. El ejemplo más destacado de la tranesterificación mejorada por ultrasonidos es la conversión de aceites y grasas en ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME), conocidos como biodiésel.
Más información sobre la transesterificación asistida por ultrasonidos de aceites y grasas (de desecho) en biodiésel.

Sondas y reactores ultrasónicos para la transesterificación y otras síntesis químicas

Hielscher Ultrasonidos UIP1500hd es un homogeneizador de ultrasonidos de gran alcance que se utiliza para el lote y sonicación inline.Hielscher Ultrasonics es su especialista cuando se trata de sofisticados ultrasonidos de alto rendimiento para reacciones sonoquímicas. Hielscher diseña, fabrica y distribuye ultrasonidos de alta potencia y accesorios como sondas (sonotrodos), reactores y celdas de flujo de cualquier tamaño y suministra a laboratorios químicos así como a instalaciones de producción química a escala industrial. Desde dispositivos compactos de ultrasonidos para laboratorio hasta sondas y reactores de ultrasonidos industriales, Hielscher tiene el sistema de ultrasonidos ideal para su proceso. Con una larga experiencia en aplicaciones como la sonocatálisis y la sonosíntesis, nuestro personal bien formado le recomendará la configuración más adecuada para sus necesidades.
Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento, muy robustos y capaces de emitir ondas de ultrasonidos intensas, ya que todos los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden emitir amplitudes muy altas en funcionamiento continuo (24/7). Los robustos sistemas de ultrasonidos apenas requieren mantenimiento y están construidos para funcionar. Esto hace que los equipos de ultrasonidos de Hielscher sean fiables para aplicaciones pesadas en condiciones exigentes. También hay disponibles sonotrodos especiales para altas temperaturas o productos químicos muy agresivos.
La más alta calidad – Diseñado y fabricado en Alemania: Todos los equipos se diseñan y fabrican en nuestra sede de Alemania. Antes de la entrega al cliente, cada aparato de ultrasonidos se somete a una cuidadosa prueba a plena carga. Nos esforzamos por conseguir la satisfacción del cliente y nuestra producción está estructurada para cumplir la máxima garantía de calidad (por ejemplo, la certificación ISO).

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias

Información interesante

Rutas de síntesis de polioles

Los polioles de aceites naturales (abreviado NOP) o biopolíoles, son polioles derivados de aceites vegetales. Existen varias rutas químicas para sintetizar los biopolíoles. Los biopolíoles se utilizan principalmente como materia prima para la producción de poliuretanos, pero también se emplean en la fabricación de otros productos como lubricantes, elastómeros, adhesivos, cuero artificial y revestimientos.
En cuanto a la síntesis de polioles a partir de aceites vegetales, existen varios métodos de reacción, como la epoxidación, la transamidación y la transesterificación. Por ejemplo, el poliol a base de aceite de colza puede sintetizarse mediante la epoxidación parcial de los dobles enlaces de las cadenas de ácidos grasos y la apertura global de los anillos de oxirano utilizando dietilenglicol. La transamidización y la transesterificación de los enlaces éster de los triglicéridos vegetales pueden llevarse a cabo utilizando dietanolamina y trietanolamina, respectivamente.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.