سنتز پلی‌ال از طریق ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی
پلی‌ال‌ها استرهای سنتزی هستند که عمدتاً از طریق ترانس‌استریفیکاسیون تری‌گلیسریدهای موجود در روغن‌های گیاهی یا چربی‌های حیوانی تولید می‌شوند. این پلی‌ال‌ها مواد اولیهٔ تولید پلی‌یورتان‌ها، روانکارهای زیستی و سایر مواد شیمیایی هستند. فراصوت‌دهی برای بهبود واکنش‌های ترانس‌استریفیکاسیون از طریق اعمال نیروهای برشی شدید و انرژی حرارتی به کار می‌رود. فراصوت و اثرات سونوشیمیایی آن، انرژی واکنش را تأمین می‌کنند و به غلبه بر محدودیت‌های انتقال جرم کمک می‌کنند. از این طریق، فراصوت‌دهی سرعت، بازده و کارایی کلی ترانس‌استریفیکاسیون را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.
ترانس‌استریفیکاسیون به کمک فراصوت
واکنش‌های ترانس‌استریفیکاسیون از مهم‌ترین مسیرهای سنتز هستند و به‌طور گسترده به‌عنوان روشی مؤثر برای تبدیل روغن‌های گیاهی به جایگزین‌های فرآورده‌های نفتی به کار می‌روند. سنتز فراصوتی، که سنتز سونوشیمیایی نیز نامیده می‌شود و به معنای سنتز شیمیایی تقویت‌شده با فراصوت با عملکرد بالا است، به دلیل اثرات مفید خود بر ترانس‌استریفیکاسیون و سایر فرایندهای شیمیایی به‌خوبی شناخته شده است.
- تبدیل سریع
- واکنش کامل‌تر
- کاتالیزگر کمتر
- محصولات جانبی ناخواستهٔ کمتر
- بهره‌وری انرژی بالا
- شیمی سبز
راکتور فراصوتی با توان 16٬000 وات (4x پروب 4000 وات) برای ترانس‌استریفیکاسیون درون‌خطی تقویت‌شده به روش سونوشیمیایی.
سنتز پایدار پلی‌ال از روغن‌های گیاهی با استفاده از فراصوت
اسیدهای چرب با منشأ گیاهی، یعنی روغن‌های گیاهی، مواد اولیه‌ای تجدیدپذیر و به‌وفور در دسترس هستند و می‌توان از آن‌ها برای تهیهٔ پلی‌ال‌ها و پلی‌یورتان‌های زیست‌پایه استفاده کرد. کاربرد فراصوت پرتوان اثرات سونوشیمیایی مطلوبی ایجاد می‌کند که واکنش کاتالیزوری ترانس‌استریفیکاسیون را به‌طور چشمگیری تسریع می‌کنند. علاوه بر این، فراصوت‌دهی بازده پلی‌ال‌های سنتزشده را افزایش می‌دهد، زیرا انرژی شدید اختلاط ناشی از کاویتاسیون آکوستیکی بر محدودیت انتقال جرم غلبه می‌کند. واکنش‌های ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی به این ویژگی شناخته می‌شوند که با مقادیر کمتر الکل و کاتالیزگر نسبت به واکنش‌های متداول ترانس‌استریفیکاسیون، به‌صورت کارآمد انجام می‌شوند. این امر موجب بهبود کارایی کلی به‌واسطهٔ فراصوت‌دهی می‌شود.
سنتز فراصوتی روانکار زیستی بر پایهٔ استر پنتااریتریتول
همان‌طور که گروه پژوهشی Arumugam نشان داده است، استر پنتااریتریتول را می‌توان با یک فرایند سونوشیمیایی دومرحله‌ای، به‌طور کارآمد از روغن کلزا سنتز کرد. پژوهشگران در مطالعهٔ بهینه‌سازی خود از سونیکاتور UP400St شرکت Hielscher استفاده کردند (تصویر سمت چپ را ببینید). در نخستین ترانس‌استریفیکاسیون تقویت‌شده به روش سونوشیمیایی، روغن کلزا با متانول واکنش می‌دهد و به متیل‌استر تبدیل می‌شود. در مرحلهٔ دوم ترانس‌استریفیکاسیون، متیل‌استر با زایلن و یک کاتالیزگر واکنش می‌دهد و به استر پنتااریتریتول تبدیل می‌شود. پژوهشگر بر بهینه‌سازی پارامترهای فرایند فراصوتی تمرکز کرد تا بازده و کارایی کلی سنتز استر پنتااریتریتول تحت فراصوت افزایش یابد. بازده بهبودیافتهٔ 81٫4% برای استر پنتااریتریتول با پالس فراصوتی 15 s، دامنهٔ فراصوتی 60%، غلظت کاتالیزگر 1٫5 wt% و دمای واکنش 100°C حاصل شد. برای کنترل کیفیت، استر پنتااریتریتول سنتزشده به روش سونوشیمیایی با روغن کمپرسور سنتزی مقایسه شد. در نتیجه، این مطالعه نشان می‌دهد که فرایند ترانس‌استریفیکاسیون متوالی تقویت‌شده با فراصوت، روشی کارآمد برای جایگزینی فرایند متداول ترانس‌استریفیکاسیون متوالی در سنتز روانکار زیستی بر پایهٔ استر پنتااریتریتول است. مزایای اصلی فرایند ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی عبارت‌اند از افزایش بازده استر پنتااریتریتول، کوتاه‌تر شدن زمان واکنش و کاهش چشمگیر دماهای واکنش. (رجوع کنید به Arumugam et al., 2019)
ترانس‌استریفیکاسیون دومرحله‌ای روغن کلزا به استر پنتااریتریتول با تشدید فراصوتی.
(اقتباس از Arumugam et al., 2019)
استرهای استالی مشتق از پنتانال از طریق سنتز فراصوتی
گروه پژوهشی Kurniawan با به‌کارگیری اصول شیمی سبز، سه استر استالی مشتق از پنتانال را به روش سونوشیمیایی سنتز کرد. فراصوت‌دهی برای تقویت دو مرحلهٔ شیمیایی به کار رفت:
- استریفیکاسیون اسید 9,10-دی‌هیدروکسی‌اکتادکانوئیک
- استال‌سازی آلکیل 9,10-دی‌هیدروکسی‌اکتادکانوات
برای تولید استرهای آلکیل 9,10-دی‌هیدروکسی‌استئارات، دو مرحله لازم است و بازده‌های 67–85% به دست آمد. برای ارزیابی کارایی، روش سونوشیمیایی با روش متداول رفلاکس مقایسه شد. همچنین، برای تعیین تأثیر و کارایی کاتالیزگرهای مختلف، از کاتالیزگرهای اسیدی همگن و جامد، شامل اسید سولفوریک (H2SO4)، بنتونیت طبیعی و H-bentonite استفاده شد. مشخص شد که استریفیکاسیون سونوشیمیایی اسید با کاتالیز H-bentonite، محصولاتی با بازده تا 70% و زمان واکنش 3 برابر کوتاه‌تر از روش رفلاکس به دست می‌دهد که قابل‌توجه است. مرحلهٔ نهایی استال‌سازی با n-پنتانال در حضور H-bentonite و با استفاده از فراصوت‌دهی، سه مشتق دی‌اکسولان مشتق از پنتانال را با بازده‌های 69–85% به دست داد که از بازده روش متداول بالاتر است. روش رفلاکس به زمان واکنش طولانی‌تری نسبت به روش سونوشیمیایی نیاز داشت، زیرا سنتز فراصوتی تنها به 10–30min نیاز داشت. افزون بر زمان واکنش به‌مراتب کوتاه‌تر تحت فراصوت‌دهی، با استفاده از روش سونوشیمیایی بازده قابل‌توجهی از هر استر به دست آمد.
پژوهشگر همچنین محاسبه کرد که نیاز انرژی واکنش سونوشیمیایی تقریباً 62 برابر کمتر از روش متداول است. این امر هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و با محیط‌زیست سازگار است.
بررسی خواص فیزیکوشیمیایی هر محصول نشان داد که متیل 8-(2-بوتیل-5-اکتیل-1,3-دی‌اکسولان-4-ایل)اکتانوات، یک روانکار زیستی نوین بالقوه با قابلیت‌های لازم برای جایگزینی روانکارهای رایج است. (رجوع کنید به Kurniawan et al., 2021)
راکتور فراصوتی با 4x پروب 2000 وات (8kW) برای فرایندهای سونوشیمیایی.
ترانس‌استریفیکاسیون استرهای پنتااریتریل با استفاده از فراصوت
استرهای پنتااریتریل را می‌توان از روغن‌های گیاهی مانند روغن آفتابگردان، بزرک و جاتروفا به دست آورد. گروه پژوهشی Hashem سنتز روانکارهای زیست‌پایه را از طریق ترانس‌استریفیکاسیون‌های متوالی با کاتالیز بازی، شامل دو مرحلهٔ ترانس‌استریفیکاسیون، نشان داد. آن‌ها امکان‌پذیری این سنتز را با استفاده از روغن آفتابگردان، بزرک و جاتروفا نشان دادند. در مرحلهٔ نخست، روغن‌ها به متیل‌استرهای متناظر تبدیل شدند. در فرایند دوم، متیل‌استرها بر اثر واکنش با پنتااریتریتول به استرهای پنتااریتریل تبدیل شدند، همان‌طور که در طرح زیر نشان داده شده است: (رجوع کنید به Hashem et al., 2013)
پس از ترانس‌استریفیکاسیون روغن گیاهی به متیل‌استر، متیل‌استرها بر اثر واکنش با پنتااریتریتول به استرهای پنتااریتریل تبدیل می‌شوند، همان‌طور که در طرح بالا نشان داده شده است. (رجوع کنید به Hashem et al., 2013)
اثرات چشمگیر فراصوت‌دهی در تقویت واکنش ترانس‌استریفیکاسیون از نظر علمی اثبات شده‌اند و چندین دهه است که در صنعت به کار گرفته می‌شوند. برجسته‌ترین نمونهٔ ترانس‌استریفیکاسیون بهبودیافته با فراصوت، تبدیل روغن‌ها و چربی‌ها به متیل‌استر اسید چرب (FAME)، موسوم به بیودیزل، است.
دربارهٔ ترانس‌استریفیکاسیون روغن‌ها و چربی‌های (پسماند) به بیودیزل به کمک فراصوت بیشتر بخوانید!
پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی برای ترانس‌استریفیکاسیون و سایر سنتزهای شیمیایی
Hielscher Ultrasonics متخصص شما در زمینهٔ سونیکاتورهای پیشرفته با عملکرد بالا برای واکنش‌های سونوشیمیایی است. Hielscher سونیکاتورهای پرتوان و لوازم جانبی مانند پروب‌ها (سونوتْرودها)، راکتورها و سلول‌های جریان را در هر اندازه‌ای طراحی، تولید و عرضه می‌کند و تجهیزات آزمایشگاه‌های شیمی و تأسیسات تولید مواد شیمیایی در مقیاس صنعتی را تأمین می‌کند. از دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی جمع‌وجور تا پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی صنعتی، Hielscher سامانهٔ فراصوتی ایدئال برای فرایند شما را در اختیار دارد. کارکنان آموزش‌دیدهٔ ما با تجربه‌ای طولانی در کاربردهایی مانند کاتالیز فراصوتی و سنتز فراصوتی، مناسب‌ترین پیکربندی را برای نیازهای شما پیشنهاد می‌کنند.
Hielscher Ultrasonics سامانه‌های فراصوتی با عملکرد بالا، استحکام بسیار زیاد و قابلیت تولید امواج فراصوتی شدید می‌سازد، زیرا تمام سونیکاتورهای صنعتی Hielscher می‌توانند در کارکرد پیوسته (24/7)، دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. این سامانه‌های فراصوتی مستحکم تقریباً به هیچ‌گونه نگهداری نیاز ندارند و برای کار مداوم ساخته شده‌اند. این ویژگی تجهیزات فراصوتی Hielscher را برای کاربردهای سنگین در شرایط دشوار، قابل‌اعتماد می‌سازد. سونوتْرودهای ویژه برای دماهای بالا یا محیط‌های شیمیایی بسیار خورنده نیز موجود هستند.
بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت آلمان: تمام تجهیزات در مقر اصلی ما در آلمان طراحی و تولید می‌شوند. پیش از تحویل به مشتری، هر دستگاه فراصوتی با دقت و تحت بار کامل آزمایش می‌شود. ما برای رضایت مشتری تلاش می‌کنیم و ساختار تولیدمان برای برآورده کردن بالاترین سطح تضمین کیفیت (برای مثال، گواهی ISO) تنظیم شده است.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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
دانستنی‌های مفید
استر پلی‌ال چیست؟
استر پلی‌ال، استری است که از واکنش یک پلی‌ال، یعنی الکلی دارای دو یا چند گروه هیدروکسیل، با یک یا چند اسید کربوکسیلیک تولید می‌شود. در شیمی روانکارها، استرهای پلی‌ال از سیالات پایهٔ مهمِ استری سنتزی هستند، زیرا ساختار مولکولی شاخه‌دار آن‌ها روانکاری بالا، رفتار مناسب گرانروی نسبت به دما، فرّاریت کم و پایداری حرارتی و اکسایشی عالی فراهم می‌کند.
پلی‌ال‌ها چه کاربردهایی دارند؟
پلی‌ال‌ها به‌عنوان واحدهای سازندهٔ شیمیایی در تولید پلی‌یورتان‌ها، پلی‌استرها، رزین‌های آلکیدی، روانکارهای سنتزی، نرم‌کننده‌ها، مواد فعال سطحی، پوشش‌ها، چسب‌ها و الاستومرها به کار می‌روند. در تولید روانکار، پلی‌ال‌هایی مانند تری‌متیلول‌پروپان، نئوپنتیل گلیکول و پنتااریتریتول با اسیدهای چرب استریفیه می‌شوند تا روغن‌های پایهٔ استر پلی‌ال با عملکرد بالا تولید شوند. در کاربردهای غذایی، برخی پلی‌ال‌ها به‌عنوان شیرین‌کننده‌های کم‌کالری، مواد نگهدارندهٔ رطوبت و ترکیبات اصلاح‌کنندهٔ بافت استفاده می‌شوند.
دربارهٔ کاربرد پلی‌ال‌ها در تولید فراصوتی روانکارهای زیستی بیشتر بدانید!
پلی‌ال‌ها در علوم غذایی و شیمی پلیمر چه تفاوتی دارند؟
در علوم غذایی، پلی‌ال‌ها معمولاً به الکل‌های قندی مانند سوربیتول، زایلیتول، مالتیتول، اریتریتول و مانیتول اشاره دارند که به‌عنوان شیرین‌کننده، نگهدارندهٔ رطوبت و عامل حجم‌دهنده به کار می‌روند. در شیمی پلیمر، پلی‌ال‌ها به معنای گسترده‌تری به الکل‌های چندعاملی یا مولکول‌های دارای گروه‌های انتهایی هیدروکسیل گفته می‌شود که با اسیدها، ایزوسیانات‌ها یا سایر گروه‌های عاملی واکنش می‌دهند تا پلیمرها، رزین‌ها، فوم‌ها، الاستومرها و استرهای سنتزی تشکیل شوند. این اصطلاح در هر دو حوزه از نظر شیمیایی مرتبط است، اما زمینهٔ کاربرد آن متفاوت است: پلی‌ال‌های غذایی عمدتاً ترکیباتی با نقش عملکردی هستند، در حالی که پلی‌ال‌های صنعتی واسطه‌های شیمیایی واکنش‌پذیرند.
مسیرهای سنتز پلی‌ال کدام‌اند؟
پلی‌ال‌های روغن طبیعی (به‌اختصار NOPs) یا زیست‌پلی‌ال‌ها، پلی‌ال‌هایی هستند که از روغن‌های گیاهی به دست می‌آیند. چندین مسیر شیمیایی متفاوت برای سنتز زیست‌پلی‌ال‌ها وجود دارد. زیست‌پلی‌ال‌ها عمدتاً به‌عنوان مواد اولیهٔ تولید پلی‌یورتان‌ها به کار می‌روند، اما در تولید محصولات دیگری مانند روانکارها، الاستومرها، چسب‌ها، چرم مصنوعی و پوشش‌ها نیز استفاده می‌شوند.
برای سنتز پلی‌ال‌ها از روغن‌های گیاهی، روش‌های واکنشی مختلفی مانند اپوکسیداسیون، ترانس‌آمیداسیون و ترانس‌استریفیکاسیون در دسترس هستند. برای مثال، پلی‌ال بر پایهٔ روغن کلزا را می‌توان با اپوکسیداسیون جزئی پیوندهای دوگانه در زنجیره‌های اسید چرب و باز کردن کامل حلقه‌های اکسیران با استفاده از دی‌اتیلن گلیکول سنتز کرد. ترانس‌آمیداسیون و ترانس‌استریفیکاسیون پیوندهای استری تری‌گلیسریدهای گیاهی را می‌توان به‌ترتیب با استفاده از دی‌اتانول‌آمین و تری‌اتانول‌آمین انجام داد.
دربارهٔ ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی دی‌استرها بیشتر بخوانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های مختلف از آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.