סינתזת פוליאולים באמצעות טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית

פוליאולים הם אסטרים סינתטיים המיוצרים בעיקר באמצעות טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים משמנים צמחיים או משומנים מן החי. פוליאולים אלה הם חומר גלם לייצור פוליאוריתנים, חומרי סיכה ביולוגיים וכימיקלים אחרים. טיפול אולטרסוני משמש לשיפור תגובות טרנסאסטריפיקציה באמצעות הפעלת כוחות גזירה עזים ואנרגיה תרמית. אולטרסאונד והשפעותיו הסונוכימיות מספקים אנרגיה לתגובה ומסייעים להתגבר על מגבלות מעבר מסה. בכך, סוניקציה משפרת משמעותית את מהירות הטרנסאסטריפיקציה, את הניצולת ואת היעילות הכוללת.

טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד

תגובות טרנסאסטריפיקציה הן אחד ממסלולי הסינתזה החשובים ביותר, והן משמשות בהיקף נרחב כטכניקה יעילה להמרת שמנים צמחיים לתחליפים למוצרי נפט. סונוסינתזה (המכונה גם סינתזה סונוכימית, כלומר סינתזה כימית המקודמת באמצעות אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים) מוכרת היטב בזכות השפעותיה המועילות על טרנסאסטריפיקציה ועל תהליכים כימיים אחרים.

סינתזה בת קיימא של פוליאולים משמנים צמחיים באמצעות אולטרסאונד

חומצות שומן ממקור צמחי, כלומר שמנים צמחיים, הן חומר גלם מתחדש וזמין בהיקף נרחב, וניתן להשתמש בהן להכנת פוליאולים ופוליאוריתנים ממקור ביולוגי. השימוש באולטרסאונד רב עוצמה יוצר השפעות סונוכימיות מועילות, המאיצות משמעותית את תגובת הטרנסאסטריפיקציה הקטליטית. בנוסף, סוניקציה משפרת את ניצולת הפוליאולים המסונתזים, שכן אנרגיית הערבוב העזה של הקוויטציה האקוסטית מתגברת על מגבלת מעבר המסה. ידוע היטב שתגובות טרנסאסטריפיקציה אולטרסוניות מתנהלות ביעילות עם כמויות קטנות יותר של אלכוהול וזרז בהשוואה לתגובות טרנסאסטריפיקציה קונבנציונליות. כך הטיפול האולטרסוני משפר את היעילות הכוללת.

סינתזה אולטרסונית של חומר סיכה ביולוגי המבוסס על אסטר של פנטאריתריטול

ניתן לסנתז ביעילות אסטר של פנטאריתריטול משמן לפתית באמצעות תהליך סונוכימי דו־שלבי, כפי שהדגים צוות המחקר של Arumugam. במחקר האופטימיזציה שלהם השתמשו החוקרים במכשיר האולטרסוני UP400St של Hielscher (ראו תמונה משמאל). בטרנסאסטריפיקציה הראשונה, המקודמת סונוכימית, שמן לפתית מגיב עם מתנול ליצירת אסטר מתילי. בשלב הטרנסאסטריפיקציה השני, האסטר המתילי מגיב עם קסילן וזרז ליצירת אסטר של פנטאריתריטול. החוקר התמקד באופטימיזציה של פרמטרי התהליך האולטרסוני כדי לשפר את הניצולת ואת היעילות הכוללת של סינתזת האסטר של פנטאריתריטול תחת אולטרסאונד. ניצולת משופרת של 81.4% של אסטר של פנטאריתריטול הושגה עם פולס אולטרסוני של 15 s, אמפליטודה אולטרסונית של 60%, ריכוז זרז של 1.5 wt% וטמפרטורת תגובה של 100°C. לצורך בקרת איכות, האסטר של פנטאריתריטול שסונתז סונוכימית הושווה לשמן למדחסים בדרגה סינתטית. לסיכום, המחקר מצביע על כך שתהליך הטרנסאסטריפיקציה העוקבת המקודם באמצעות אולטרסאונד הוא שיטה יעילה להחלפת תהליך הטרנסאסטריפיקציה העוקבת הקונבנציונלי בסינתזה של חומר סיכה ביולוגי המבוסס על אסטר של פנטאריתריטול. היתרונות העיקריים של תהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית הם ניצולות גבוהות יותר של אסטר של פנטאריתריטול, זמן תגובה מקוצר וטמפרטורות תגובה נמוכות משמעותית. (ראו Arumugam et al., 2019)

טרנסאסטריפיקציה דו־שלבית של שמן לפתית לאסטר של פנטאריתריטול, המוגברת באמצעות אולטרסאונד.
(מעובד מתוך Arumugam et al., 2019)

אסטרים אצטאליים שמקורם בפנטנאל באמצעות סינתזה אולטרסונית

צוות המחקר של Kurniawan סינתז שלושה אסטרים אצטליים שמקורם בפנטנאל בשיטה סונוכימית המיישמת את עקרונות הכימיה הירוקה. סוניקציה שימשה לקידום שני שלבים כימיים:

1. אסטריפיקציה של חומצה 9,10-דיהידרוקסיאוקטדקנואית
2. אצטליזציה של אלקיל 9,10-דיהידרוקסיאוקטדקנואט

לייצור האסטרים של אלקיל 9,10-דיהידרוקסיסטארט נדרשים שני שלבים, והתקבלו נצולות של 67–85%. להערכת היעילות הושוותה השיטה הסונוכימית לטכניקת הריפלוקס המקובלת. נוסף על כך, נעשה שימוש בזרזים חומציים הומוגניים ומוצקים, ובהם חומצה גופרתית (H2SO4), בנטוניט טבעי ו-H-bentonite, כדי לקבוע את השפעתם ויעילותם של זרזים שונים. נמצא כי אסטריפיקציה סונוכימית של החומצה, המזורזת באמצעות H-bentonite, הניבה תוצרים בנצולת של עד 70% בזמן תגובה קצר פי 3 מזה של שיטת הריפלוקס, וזהו הישג ראוי לציון. שלב האצטליזציה הסופי עם n-pentanal בנוכחות H-bentonite ובאמצעות טיפול אולטרסוני הניב שלוש נגזרות דיוקסולאן שמקורן בפנטנאל בנצולות של 69–85%, הגבוהות מאלו של השיטה המקובלת. שיטת הריפלוקס דרשה זמן תגובה ארוך יותר מהשיטה הסונוכימית, שכן הסינתזה האולטרסונית דרשה רק 10–30min. נוסף על זמן התגובה הקצר משמעותית במהלך הסוניקציה, הושגה בשיטה הסונוכימית נצולת ראויה לציון של כל אסטר.
החוקר חישב גם שדרישות האנרגיה של התגובה הסונוכימית נמוכות בערך פי 62 מאלו של השיטה המקובלת. הדבר מפחית עלויות וידידותי לסביבה.
בחינת התכונות הפיזיקוכימיות של כל תוצר העלתה כי methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate הוא חומר סיכה ביולוגי חדש פוטנציאלי, בעל התכונות התפקודיות הנדרשות להחלפת חומרי סיכה נפוצים. (ראו Kurniawan ואחרים, 2021)

טרנסאסטריפיקציה של אסטרים של פנטאריתריל באמצעות אולטרסאונד

ניתן להפיק אסטרים של פנטאריתריל משמנים צמחיים כגון שמן חמניות, שמן פשתן ושמן יטרופה. צוות המחקר של Hashem הדגים סינתזה של חומרי סיכה ממקור ביולוגי באמצעות טרנסאסטריפיקציות עוקבות המזורזות באמצעות בסיס, בתהליך הכולל שני שלבי טרנסאסטריפיקציה. החוקרים הדגימו את היתכנות הסינתזה באמצעות שמן חמניות, שמן פשתן ושמן יטרופה. בשלב הראשון הומרו השמנים לאסטרים המתיליים המתאימים. בתהליך השני הומרו האסטרים המתיליים לאסטרים של פנטאריתריל באמצעות פעולתו של פנטאריתריטול, כפי שמוצג בתרשים הבא: (ראו Hashem ואחרים, 2013)

לאחר טרנסאסטריפיקציה של שמן צמחי לאסטר מתילי, האסטרים המתיליים מומרים לאסטרים של פנטאריתריל באמצעות פעולתו של פנטאריתריטול, כפי שמוצג בתרשים לעיל.
(ראו Hashem ואחרים, 2013)

ההשפעות של טיפול אולטרסוני, המשפרות משמעותית את תגובת הטרנסאסטריפיקציה, הוכחו מדעית ומיושמות בתעשייה כבר עשרות שנים. הדוגמה הבולטת ביותר לטרנסאסטריפיקציה המשופרת באמצעות אולטרסאונד היא המרת שמנים ושומנים לאסטר מתילי של חומצת שומן (FAME), המוכר כביו-דיזל.
קראו עוד על טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד להמרת שמנים ושומנים (לרבות פסולת) לביו-דיזל!

גשושיות וכורים אולטרסוניים לטרנסאסטריפיקציה ולסינתזות כימיות אחרות

Hielscher Ultrasonics היא המומחית שלכם למכשירים אולטרסוניים מתקדמים בעלי ביצועים גבוהים לתגובות סונוכימיות. Hielscher מתכננת, מייצרת ומשווקת מכשירים אולטרסוניים רבי־עוצמה ואביזרים כגון גשושים (סונוטרודות), כורים ותאי זרימה בכל גודל, ומספקת אותם למעבדות כימיות ולמתקני ייצור כימיים בקנה מידה תעשייתי. ממכשירים אולטרסוניים קומפקטיים למעבדה ועד גשושים וכורים אולטרסוניים תעשייתיים, ל־Hielscher יש את המערכת האולטרסונית האידאלית לתהליך שלכם. בזכות ניסיון רב־שנים ביישומים כגון קטליזה וסינתזה באמצעות אולטרסאונד, הצוות המיומן שלנו ימליץ לכם על התצורה המתאימה ביותר לדרישותיכם.
Hielscher Ultrasonics מייצרת מערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים, עמידות גבוהה מאוד ויכולת להפיק גלי אולטרסאונד עזים, שכן כל המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד בהפעלה רציפה (24/7). מערכות האולטרסאונד העמידות דורשות תחזוקה מועטה ביותר ונבנו לפעולה ממושכת. תכונות אלה הופכות את הציוד האולטרסוני של Hielscher לאמין ליישומים בעומס עבודה כבד ובתנאים תובעניים. זמינות גם סונוטרודות מיוחדות לטמפרטורות גבוהות או לסביבות כימיות קשות מאוד.
האיכות הגבוהה ביותר – מתוכנן ומיוצר בגרמניה: כל הציוד מתוכנן ומיוצר במטה שלנו בגרמניה. לפני המסירה ללקוח, כל מכשיר אולטרסוני נבדק בקפידה בעומס מלא. אנו שואפים לשביעות רצון הלקוחות, והייצור שלנו בנוי לעמוד בדרישות הבטחת האיכות הגבוהות ביותר (למשל, הסמכת ISO).

הטבלה שלהלן נותנת אומדן לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: