Polyolit ovat synteettisiä estereitä, joita tuotetaan pääasiassa triglyseridien transesteröinnillä kasviöljyistä tai eläinrasvoista. Nämä polyolit ovat raaka-aineita polyuretaanien, biolubrikaanien ja muiden cemicalien valmistukseen. Ultrasonicationia käytetään parantamaan transesteröintireaktioita soveltamalla voimakkaita leikkausvoimia ja lämpöenergiaa. Ultraääni ja sen sonokemialliset vaikutukset toimittavat reaktioenergiaa ja auttavat voittamaan massansiirtorajoitukset. Siten sonikaatio parantaa merkittävästi transesteröintinopeutta, saantoa ja yleistä tehokkuutta.

Ultraääniavusteinen transesteröinti

Transesteröintireaktiot ovat yksi tärkeimmistä synteesireiteistä, ja niitä käytetään laajalti tehokkaana tekniikkana kasviöljyjen muuntamiseksi öljytuotteiden korvikkeiksi. Sono-synteesi (myös sonokemiallinen synteesi, joka on kemiallinen synteesi, jota edistetään korkean suorituskyvyn ultraäänellä) on tunnettu hyödyllisistä vaikutuksistaan transesteröintiin sekä muihin kemiallisiin prosesseihin.

Kestävä polyolisynteesi kasviöljyistä ultraäänellä

Kasviperäiset rasvahapot eli kasviöljyt ovat laajalti saatavilla oleva ja uusiutuva raaka-aine, ja niitä voidaan käyttää biopohjaisten polyolien ja polyuretaanien valmistukseen. Tehon ultraäänen käyttö luo suotuisia sonokemiallisia vaikutuksia, jotka nopeuttavat merkittävästi transesteröinnin katalyyttistä reaktiota. Lisäksi sonikaatio parantaa syntetisoitujen polyolien saantoa, kun akustisen kavitoinnin voimakas sekoitusenergia voittaa massansiirron rajoituksen. Ultraäänitransesteröintireaktioiden tiedetään toimivan tehokkaasti alhaisemman alkoholin ja katalyytin kanssa tavanomaisina transesteröintireaktioina. Tämä johtaa parempaan kokonaistehokkuuteen ultrasonicationilla.

Pentaerytritoliesteripohjaisen biolubricantin ultraäänisynteesi

Pentaerytritoliesteri voidaan syntetisoida tehokkaasti rypsiöljystä kaksivaiheisen sonokemiallisen prosessin avulla, kuten Arumugamin tutkimusryhmä on osoittanut. Optimointitutkimuksessaan tutkijat käyttivät Hielscherin ultraäänilaitetta UP400St (katso kuva vasemmalla). Ensimmäisessä sonokemiallisesti edistetyssä transesteröinnissä rypsiöljy reagoi metanolin kanssa metyyliesteriin. Toisessa transesteröintivaiheessa metyyliesteri reagoi ksyleenin ja katalyytin kanssa pentaerytritoliesteriin. Tutkija keskittyi ultraääniprosessiparametrien optimointiin pentaerytritoliesterisynteesin saannon ja yleisen tehokkuuden parantamiseksi ultraäänellä. Parannettu saanto 81,4% pentaerytritoliesteristä saavutettiin 15 sekunnin ultraäänipulssilla, ultraääniamplitudilla 60%, katalyyttipitoisuudella 1,5 paino-% ja reaktiolämpötilalla 100 ° C. Laadunvalvontaa varten sonokemiallisesti syntetisoitua pentaerytritoliesteriä verrattiin synteettiseen kompressoriöljyyn. Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkimus viittaa siihen, että ultraäänellä edistetty peräkkäinen transesteröintiprosessi on tehokas menetelmä korvaamaan tavanomainen peräkkäinen transesteröintiprosessi pentaerytritoliesteripohjaisen biovoiteluaineen synteesille. Ultraäänitransesteröintiprosessin tärkeimmät edut ovat pentaerytritoliesterin lisääntyneet saannot, lyhennetty reaktioaika ja huomattavasti alhaisemmat reaktiolämpötilat. (vrt. Arumugam et al., 2019)

Ultraäänellä tehostettu rypsiöljyn kaksivaiheinen transesteröinti pentaerytritoliesteriin.
(mukautettu albumilta Arumugam et al., 2019)

Pentanaalisesti johdetut asetaaliset esterit ultraäänisynteesin avulla

Kurniawanin tutkimusryhmä syntetisoi kolme pentanaalista johdettua asetaalesteriä sonokemiallisella menetelmällä käyttäen vihreän kemian periaatteita. Sonikaatiota käytettiin edistämään kahta kemiallista vaihetta:

1. 9,10-dihydroksioktadekaanihapon esteröinti
2. Alkyyli-9,10-dihydroksioktadekanonaatin asetalaatio

Alkyyli-9,10-dihydroksistearaatin estereiden tuottamiseksi tarvitaan kaksi vaihetta ja saatiin 67-85%: n saanto. Tehokkuuden arvioinnissa sonokemiallista menetelmää verrattiin tavanomaiseen refluksitekniikkaan. Lisäksi eri katalyyttien vaikutuksen ja tehokkuuden määrittämiseen käytettiin homogeenisia ja kiinteitä happokatalyyttiä, nimittäin rikkihappoa (H2SO4), luonnollista bentoniittia ja H-bentoniittia. Todettiin, että H-bentoniitin happokatalysoidun happokatalysoidun sonokemiallinen esteröinti antoi tuotteille jopa 70%: n saannon 3 kertaa lyhyemmässä reaktioajassa kuin palautusjäähdytysmenetelmä, mikä on merkittävää. Viimeinen asetalointivaihe n-pentanaalilla H-bentoniitin läsnä ollessa ultraäänellä tarjosi kolme pentanaalisesti johdettua dioksolaanijohdannaista 69–85%: n saannossa, jotka ovat korkeammat kuin tavanomainen menetelmä. Refluksimenetelmä vaati pidemmän reaktioajan kuin sonokemiallinen menetelmä, koska ultraäänisynteesi vaati vain 10-30min. Huomattavasti lyhyemmän sonikaatioreaktioajan lisäksi kunkin esterin merkittävä saanto saatiin sonokemiallisella menetelmällä.
Tutkija laski myös, että sonokemiallisen reaktion energiantarve on noin 62 kertaa pienempi kuin tavanomaisen menetelmän. Tämä vähentää kustannuksia ja on ympäristöystävällinen.
Kunkin tuotteen fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien tutkiminen paljasti, että metyyli-8-(2-butyyli-5-oktyyli-1,3-dioksolaani-4-yyli)oktanaatti on potentiaalinen uusi biovoiteluaine, jonka tehtävänä on korvata tavalliset voiteluaineet. (vrt. Kurniawan et al., 2021)

Pentaerytrolliesterien transesteröinti ultraäänellä

Pentaerytrolliestereitä voidaan saada kasviöljyistä, kuten auringonkukka-, pellavansiemen- ja jatrophaöljystä. Hashemin tutkimusryhmä osoitti biopohjaisten voiteluaineiden synteesin peräkkäisillä emäskatalysoiduilla transesteröinneillä, joihin sisältyi kaksi transesteröintivaihetta. Ne osoittivat synteesin toteutettavuuden auringonkukka-, pellavansiemen- ja jatrophaöljyllä. Ensimmäisessä vaiheessa öljyt muutettiin vastaaviksi metyyliestereiksi. Toisessa prosessissa metyyliesterit muutettiin pentaerytrolliestereiksi pentaerythryyliestereiksi pentaerytritolin vaikutuksesta, kuten seuraavassa kaaviossa on esitetty: (vrt. Hashem et ai., 2013)

Kasviöljyn transesteröinnin jälkeen metyyliesteriksi metyyliesterit muuttuvat pentaerytrolliestereiksi pentaerytritolin vaikutuksesta, kuten yllä olevassa kaaviossa on esitetty.
(vrt. Hashem et al., 2013)

Ultrasonicationin merkittävästi reaktioita parantavat vaikutukset transesteröintiin ovat tieteellisesti todistettuja ja jo vuosikymmenien ajan teollisesti hyväksyttyjä. Näkyvin esimerkki ultraäänellä parantuneesta transnesteröinnistä on öljyjen ja rasvojen muuntaminen rasvahappojen metyyliesteriksi (FAME), joka tunnetaan nimellä biodiesel.
Lue lisää (jäte)öljyjen ja rasvojen ultraääniavusteisesta transesteröinnistä biodieseliksi!

Ultraäänianturit ja reaktorit transesteröintiä varten ja muut kemialliset synteesit

Hielscher Ultrasonics on asiantuntijasi, kun kyse on hienostuneista korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteista sonokemiallisiin reaktioihin. Hielscher suunnittelee, valmistaa ja jakelee suuritehoisia ultraäänilaitteita ja lisävarusteita, kuten koettimia (sonotrodeja), reaktoreita ja virtauskennoja missä tahansa koossa ja toimittaa kemiallisia laboratorioita sekä kemiallisia tuotantolaitoksia teollisessa mittakaavassa. Kompakteista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraääniantureihin ja reaktoreihin Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi. Pitkäaikainen kokemus sono-katalyysin ja sono-synteesin kaltaisista sovelluksista, hyvin koulutettu henkilökuntamme suosittelee sinulle tarpeisiisi sopivinta asennusta.
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmiä, joilla on erittäin korkea kestävyys ja jotka pystyvät tuottamaan voimakkaita ultraääniaaltoja, koska kaikki Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat tuottaa erittäin korkeita amplitudeja jatkuvassa toiminnassa (24/7). Vankat ultraäänijärjestelmät eivät vaadi melkein mitään huoltoa ja ne on rakennettu toimimaan. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavia raskaisiin sovelluksiin vaativissa olosuhteissa. Saatavilla on myös erityisiä sonotrodeja korkean lämpötilan tai erittäin ankarille kemikaaleille.
Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa: Kaikki laitteet on suunniteltu ja valmistettu pääkonttorissamme Saksassa. Ennen asiakkaalle toimittamista jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormituksella. Pyrimme asiakastyytyväisyyteen ja tuotantomme on rakennettu täyttämään korkein laadunvarmistus (esim. ISO-sertifiointi).

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: