סינתזת פוליאול באמצעות טרנסאסטריפיקציה קולית

פוליאולים הם אסטרים סינתטיים המיוצרים בעיקר באמצעות טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים משמנים צמחיים או שומנים מן החי. פוליאולים אלה הם חומר גלם לייצור פוליאוריתנים, ביולובריקנטים וקמיקלים אחרים. אולטראסוניזציה משמשת לשיפור תגובות טרנסאסטריפיקציה על ידי הפעלת כוחות גזירה אינטנסיביים ואנרגיה תרמית. אולטרסאונד והשפעותיו הסונוכימיות מספקים אנרגיית תגובה ומסייעים להתגבר על מגבלות העברת המסה. לפיכך, סוניקציה משפרת באופן משמעותי את מהירות הטרנסאסטריפיקציה, את התפוקה ואת היעילות הכוללת.

טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד

תגובות טרנסאסטריפיקציה הן אחד מנתיבי הסינתזה החשובים ביותר והן נמצאות בשימוש נרחב כטכניקה יעילה להמרת שמנים צמחיים לתחליפי מוצרי נפט. סונו-סינתזה (גם סינתזה סונוכימית, שהיא סינתזה כימית המקודמת באמצעות אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים), ידועה בהשפעותיה המועילות על טרנסאסטריפיקציה כמו גם על תהליכים כימיים אחרים.

סינתזת פוליאול בת קיימא משמנים צמחיים באמצעות אולטרסאונד

חומצות שומן שמקורן בצמחים, כלומר שמנים צמחיים, הן חומר גלם זמין ומתחדש באופן נרחב וניתן להשתמש בהן להכנת פוליאולים מבוססי ביולוגיה ופוליאוריתנים. היישום של אולטרסאונד כוח יוצר השפעות סונוכימיות חיוביות, אשר להאיץ באופן משמעותי את התגובה הקטליטית של transesterification. בנוסף, סוניקציה משפרת את התשואה של פוליאולים מסונתזים כאשר אנרגיית הערבוב האינטנסיבית של קוויטציה אקוסטית מתגברת על מגבלת העברת המסה. תגובות טרנסאסטריפיקציה קוליות ידועות כמי שפועלות ביעילות עם אלכוהול וזרזים נמוכים יותר כתגובות טרנסאסטריפיקציה קונבנציונליות. זה מוביל ליעילות כוללת משופרת על ידי אולטראסוניזציה.

סינתזה קולית של ביולובריקנט מבוסס פנטאריתריטול אסתר

ניתן לסנתז ביעילות את אסטר הפנטאריתריטול משמן לפתית באמצעות תהליך סונוכימי דו-שלבי, כפי שהודגם על ידי צוות המחקר של Arumugam. במחקר האופטימיזציה שלהם, החוקרים השתמשו באולטרה-סוניקטור של Hielscher UP400St (ראו תמונה משמאל). בטרנס-אסטריפיקציה הראשונה המקודמת באופן סונוכימי, שמן לפתית מגיב עם מתנול למתיל אסטר. בשלב הטרנסאסטריפיקציה השני, אסטר המתיל מגיב עם קסילן וזרז לאסטר פנטאריתריטול. החוקר התמקד באופטימיזציה של פרמטרים של תהליך על-קולי על מנת לשפר את התפוקה והיעילות הכוללת של סינתזת אסטר הפנטאריתריטול תחת אולטרסאונד. תפוקה משופרת של 81.4% של אסטר פנטאריתריטול הושגה עם פולס על-קולי של 15 שניות, משרעת קולית של 60%, ריכוז זרז של 1.5 wt% וטמפרטורת התגובה של 100 מעלות צלזיוס. עבור בקרת איכות, אסטר הפנטאריתריטול המסונתז באופן סונוכימי הושווה לשמן מדחס בדרגה סינתטית. לסיכום, המחקר מציע כי תהליך הטרנסאסטריפיקציה הרציף המקודם באופן קולי הוא שיטה יעילה להחלפת תהליך הטרנסאסטריפיקציה הרציף הקונבנציונלי לסינתזה של ביולובריקנט מבוסס פנטאריתריטול מבוסס אסטר. היתרונות העיקריים של תהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטרה-סונית הם תפוקות מוגברות של אסטר פנטאריתריטול, זמן תגובה מקוצר וטמפרטורות תגובה נמוכות משמעותית. (ראה: Arumugam et al., 2019)

באופן אולטראסוני הגביר את הטרנסאסטריפיקציה הדו-שלבית של שמן לפתית לאסטר הפנטאריתריטול.
(מעובד מתוך Arumugam et al., 2019)

אסטרים אצטליים שמקורם בפנטנל באמצעות סינתזה קולית

צוות המחקר של קורניוואן סינתז שלושה אסטרים אצטליים שמקורם בפנטנל באמצעות שיטה סונוכימית תוך שימוש בעקרונות הכימיה הירוקה. סוניקציה שימשה לקידום שני שלבים כימיים:

1. אסטריפיקציה של חומצה 9,10-דיהידרוקסיוקטדקנואית
2. אצטליזציה של אלקיל 9,10-דיהידרוקסיוקטדקנואט

על מנת לייצר את האסטרים של אלקיל 9,10- דיהידרוקסיסטארט נדרשים שני שלבים והתקבלו תשואות של 67-85%. לצורך הערכת יעילות, השיטה הסונוכימית הושוותה לטכניקת הרפלוקס הקונבנציונלית. יתר על כן, זרזים הומוגניים וחומצה מוצקה, כלומר חומצה גופרתית (H2SO4), בנטוניט טבעי ו- H-בנטוניט, שימשו לקביעת ההשפעה והיעילות של זרזים שונים. נמצא כי אסטריפיקציה סונוכימית של החומצה המואצת על ידי H-בנטוניט נתנה למוצרים תפוקה של עד 70% בזמן תגובה קצר פי 3 משיטת הרפלוקס, וזה מדהים. שלב האצטליזציה הסופי עם n-פנטנל בנוכחות H-בנטוניט באמצעות אולטראסוניקה העניק שלוש נגזרות דיוקסולן שמקורן בפנטנל ב-69-85% תשואות, שהן גבוהות יותר מהשיטה המקובלת. שיטת הרפלוקס דרשה זמן תגובה ארוך יותר מהשיטה הסונוכימית מכיוון שסינתזה קולית דרשה רק 10-30 דקות. בנוסף לזמן התגובה הקצר משמעותית תחת סוניקציה, הושגה תשואה יוצאת דופן של כל אסטר בשיטה הסונוכימית.
החוקר גם חישב כי דרישות האנרגיה של התגובה הסונוכימית נמוכות בערך פי 62 מאלו של השיטה המקובלת. זה מפחית עלויות והוא ידידותי לסביבה.
בדיקה של התכונות הפיסיקוכימיות של כל מוצר גילתה כי מתיל 8-(2-בוטיל-5-אוקטיל-1,3-דיוקסולן-4-yl)אוקטנואט הוא ביו-לובריקנט חדשני פוטנציאלי עם הפונקציות להחלפת חומרי סיכה נפוצים. (ראה: Kurniawan et al., 2021)

טרנסאסטריפיקציה של פנטאריתריל אסטרים באמצעות אולטרסאונד

אסטרים Pentaerythryl ניתן להשיג משמנים צמחיים כגון חמניות, זרעי פשתן, ושמן jatropha. צוות המחקר של ה' הדגים סינתזה של חומרי סיכה מבוססי ביולוגיה באמצעות טרנסאסטריפיקציה עוקבת של זרז בסיס הכוללת שני שלבי טרנסאסטריפיקציה. הם הדגימו את היתכנות הסינתזה באמצעות שמן חמניות, זרעי פשתן וג'טרופה. בשלב הראשון, השמנים הומרו לאסטרי המתיל המתאימים. בתהליך השני, אסטרים של מתיל הומרו לאסטרי פנטאריתריל על ידי פעולת הפנטאריתריטול כפי שמוצג בסכימה הבאה: (ראה: Hashem et al., 2013)

לאחר טרנסאסטריפיקציה של שמן צמחי למתיל אסטר, אסטרים מתיל מומרים לאסטרי פנטאריתריל על ידי פעולת הפנטאריתריטול כפי שמוצג בתוכנית לעיל.
(ראה: ה' ואח', 2013)

ההשפעות המגבירות את התגובה המשמעותית של אולטראסוניזציה על טרנסאסטריפיקציה מוכחות מדעית וכבר עשרות שנים אומצו באופן תעשייתי. הדוגמה הבולטת ביותר לטרנסטריפיקציה משופרת מבחינה קולית היא המרה של שמנים ושומנים לחומצת שומן מתיל אסטר (FAME), הידועה בשם ביו-דיזל.
קראו עוד על טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד של שמנים ושומנים (פסולת) לביו-דיזל!

בדיקות וכורים על-קוליים לטרנסאסטריפיקציה וסינתזות כימיות אחרות

Hielscher Ultrasonics הוא המומחה שלך כשמדובר ultrasonicators מתוחכם ביצועים גבוהים עבור תגובות sonochemical. Hielscher מתכננת, מייצרת ומפיצה אולטרה-סוניקטורים ואביזרים בעלי הספק גבוה כגון בדיקות (sonotrodes), כורים ותאי זרימה בכל גודל ומספקת מעבדות כימיות כמו גם מתקני ייצור כימיים בקנה מידה תעשייתי. החל ממכשירים על-קוליים קומפקטיים במעבדה וכלה בבדיקות וכורים על-קוליים תעשייתיים, ל-Hielscher יש את המערכת העל-קולית האידיאלית לתהליך שלכם. עם ניסיון רב שנים ביישומים כגון סונו-קטליזה וסונו-סינתזה, הצוות המיומן שלנו ימליץ לך על ההגדרה המתאימה ביותר לדרישותיך.
Hielscher Ultrasonics מייצרת מערכות קוליות בעלות ביצועים גבוהים בעלי עמידות גבוהה מאוד ומסוגלות לספק גלי אולטרסאונד אינטנסיביים מכיוון שכל האולטרה-סוניקטורים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעת גבוהה מאוד בפעולה רציפה (24/7). מערכות האולטרסאונד החזקות כמעט אינן דורשות תחזוקה והן בנויות לפעולה. זה הופך את הציוד העל-קולי של Hielscher לאמין עבור יישומים כבדים בתנאים תובעניים. סונוטרודות מיוחדות עבור טמפרטורה גבוהה או כימית קשה מאוד זמינים גם כן.
האיכות הגבוהה ביותר – מעוצב ומיוצר בגרמניה: כל הציוד מתוכנן ומיוצר במטה שלנו בגרמניה. לפני המסירה ללקוח, כל מכשיר קולי נבדק בקפידה תחת עומס מלא. אנו שואפים לשביעות רצון הלקוחות והייצור שלנו בנוי כדי למלא את אבטחת האיכות הגבוהה ביותר (למשל, אישור ISO).

הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו: