Polyolisynteesi ultraäänitransesteröinnillä

Polyolit ovat synteettisiä estereitä, joita tuotetaan pääasiassa transesteröimällä triglyseridejä kasviöljyistä tai eläinrasvoista. Nämä polyolit ovat raaka-aineita polyuretaanien, biovoiteluaineiden ja muiden ceemisten aineiden valmistukseen. Ultrasonicationia käytetään parantamaan transesteröintireaktioita käyttämällä 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), tunnetaan hyvin hyödyllisistä vaikutuksistaan transesteröintiin sekä muihin kemiallisiin prosesseihin.

Kestävä polyolisynteesi kasviöljyistä ultraäänellä

Kasviperäiset rasvahapot eli kasviöljyt ovat laajalti saatavilla oleva uusiutuva raaka-aine, josta voidaan valmistaa biopohjaisia polyoleja ja polyuretaania. Tehon ultraäänen käyttö luo suotuisia sonokemiallisia vaikutuksia, jotka nopeuttavat merkittävästi transesteröinnin katalyyttistä reaktiota. Lisäksi sonikaatio parantaa syntetisoitujen polyolien saantoa, koska akustisen kavitaation voimakas sekoitusenergia voittaa massansiirron rajoituksen. Ultraäänitransesteröintireaktioiden tiedetään toimivan tehokkaasti alhaisemmalla alkoholilla ja katalyytillä tavanomaisina transesteröintireaktioina. Tämä johtaa parempaan yleiseen tehokkuuteen ultraäänellä.

Pentaerytritoliesteripohjaisen biolubricantin ultraäänisynteesi

Pentaerytritolieseri voidaan syntetisoida tehokkaasti rypsiöljystä kaksivaiheisen sonokemiallisen prosessin avulla, kuten Arumugamin tutkimusryhmä on osoittanut. Optimointitutkimuksessaan tutkijat käyttivät Hielscher-ultraäänilaitetta UP400St (katso kuva vasemmalla). Ensimmäisessä sonokemiallisesti edistetyssä transesteröinnissä rypsiöljy reagoidaan metanolin kanssa metyyliesteriksi. 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 ultraäänipulssilla 15 s, ultraääniamplitudilla 60%, katalyytin pitoisuudella 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 synteesissä. Ultraäänitransesteröintiprosessin tärkeimmät edut ovat pentaerytritolieserin lisääntyneet saannot, lyhentynyt reaktioaika ja huomattavasti alhaisemmat reaktiolämpötilat. (vrt. Arumugam et al., 2019)

Ultraäänellä tehostettu rypsiöljyn kaksivaiheinen transesteröinti pentaerytritoliesteriin.
(mukautettu julkaisusta Arumugam et ai., 2019)

Pentaanaaliperäiset asetaaliesterit ultraäänisynteesin kautta

Kurniawanin tutkimusryhmä syntetisoi kolme pentanaaliperäistä asetaaliesteriä sonokemiallisella menetelmällä, jossa käytettiin vihreän kemian periaatteita. Sonikaatiota käytettiin edistämään kahta kemiallista vaihetta:

1. 9,10-dihydroksioktadekaanihapon esteröinti
2. Alkyyli-9,10-dihydroksioktadekanoaatin asetalyytti

Alkyyli-9,10-dihydroksistearaatin estereiden tuottamiseksi tarvitaan kaksi vaihetta ja saadaan 67-85%: n saannot. Tehokkuuden arvioimiseksi sonokemiallista menetelmää verrattiin tavanomaiseen palautusjäähdytystekniikkaan. Lisäksi homogeenisia ja kiinteitä happokatalyyttejä, nimittäin rikkihappoa (H2SO4), luonnollista bentoniittia ja H-bentoniittia, käytettiin määrittämään eri katalyyttien vaikutus ja tehokkuus. Havaittiin, että H-bentoniitin katalysoiman hapon sonokemiallinen esteröinti antoi tuotteille jopa 70%: n saannon 3 kertaa lyhyemmässä reaktioajassa kuin palautusjäähdytysmenetelmä, mikä on merkittävää. Viimeinen asetalisointivaihe n-pentanaalilla H-bentoniitin läsnä ollessa ultraäänellä antoi kolme pentanaaliperäistä dioksolaanijohdannaista 69–85%: n saannoilla, jotka ovat korkeammat kuin tavanomainen menetelmä. Refluksimenetelmä vaati pidemmän reaktioajan kuin sonokemiallinen menetelmä, koska ultraäänisynteesi vaati vain 10-30min. Huomattavasti lyhyemmän reaktioajan lisäksi sonikaatiossa saatiin kunkin esterin merkittävä saanto sonokemiallisella menetelmällä.
Tutkija laski myös, että sonokemiallisen reaktion energiantarve on noin 62 kertaa pienempi kuin tavanomaisella menetelmällä. Tämä vähentää kustannuksia ja on ympäristöystävällistä.
Kunkin tuotteen fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien tarkastelu osoitti, että metyyli-8-(2-butyyli-5-oktyyli-1,3-dioksolaani-4-yyli)oktanoaatti on mahdollinen uusi biovoiteluaine, jolla voidaan korvata tavallisia voiteluaineita. (vrt. Kurniawan et al., 2021)

Pentaerytroyliestereiden transesteröinti ultraäänellä

Pentaeryryyliestereitä voidaan saada kasviöljyistä, kuten auringonkukka-, pellavansiemen- ja jatrophaöljystä. Hashemin tutkimusryhmä osoitti biopohjaisten voiteluaineiden synteesin peräkkäisten emäskatalysoitujen transesteröintien kautta, joihin sisältyi kaksi transesteröintivaihetta. He osoittivat synteesin toteutettavuuden auringonkukka-, pellavansiemen- ja jatrophaöljyllä. Ensimmäisessä vaiheessa öljyt muunnetaan vastaaviksi metyyliestereiksi. Toisessa prosessissa metyyliesterit muutettiin pentaerytroyliestereiksi pentaerytritolin vaikutuksesta seuraavan kaavion mukaisesti: (vrt. Hashem et ai., 2013)

Kun kasviöljy on transesteröity metyyliesteriksi, metyyliesterit muunnetaan pentaerytroyliestereiksi pentaerytritolin vaikutuksesta edellä olevan kaavion mukaisesti.
(vrt. Hashem et al., 2013)

Ultrasonicationin merkittävästi reaktiota parantavat vaikutukset transesteröintiin ovat tieteellisesti todistettuja ja jo vuosikymmenien ajan teollisesti hyväksyttyjä. Merkittävin esimerkki ultraäänellä parannetusta transesteröinnistä on öljyjen ja rasvojen muuntaminen rasvahappojen metyyliesteriksi (FAME), joka tunnetaan nimellä biodieseli.
Lue lisää (jäte)öljyjen ja -rasvojen ultraääniavusteisesta transesteröinnistä biodieseliksi!

Ultraäänianturit ja reaktorit transesteröintiä ja muita kemiallisia synteesejä varten

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 virtaussoluja missä tahansa koossa ja toimittaa kemian laboratorioita sekä kemiallisia tuotantolaitoksia teollisessa mittakaavassa. Pienikokoisista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraääniantureihin ja reaktoreihin Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi. Pitkällä kokemuksella sovelluksista, kuten sonokatalyysistä ja sonosynteesistä, 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 suuria amplitudit jatkuvassa toiminnassa (24/7). Kestävät ultraäänijärjestelmät eivät vaadi lähes 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 kovan kemikaalin käyttöön.
Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa: Kaikki laitteet suunnitellaan ja valmistetaan pääkonttorissamme Saksassa. Ennen toimitusta asiakkaalle jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormituksella. Pyrimme asiakastyytyväisyyteen ja tuotantomme on rakennettu täyttämään korkein laadunvarmistus (esim. ISO-sertifiointi).

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: