Sinteza poliola ultrazvučnom transesterifikacijom

Polioli su sintetski esteri koji se uglavnom proizvode transesterifikacijom triglicerida iz biljnih ulja ili životinjskih masti. Ti su polioli sirovina za proizvodnju poliuretana, biomaziva i drugih kemikalija. Ultrazvučna obrada primjenjuje se za poboljšanje reakcija transesterifikacije djelovanjem intenzivnih smičnih sila i toplinske energije. Ultrazvuk i njegovi sonokemijski učinci osiguravaju energiju za reakciju i pomažu prevladati ograničenja prijenosa mase. Time sonikacija znatno poboljšava brzinu transesterifikacije, prinos i ukupnu učinkovitost.

Transesterifikacija potpomognuta ultrazvukom

Reakcije transesterifikacije jedan su od najvažnijih putova sinteze i široko se primjenjuju kao učinkovita tehnika pretvorbe biljnih ulja u zamjene za naftne proizvode. Sonosinteza (također sonokemijska sinteza, odnosno kemijska sinteza potaknuta ultrazvukom visokih performansi) dobro je poznata po svojim povoljnim učincima na transesterifikaciju i druge kemijske procese.

Održiva sinteza poliola iz biljnih ulja primjenom ultrazvuka

Masne kiseline biljnog podrijetla, odnosno biljna ulja, široko su dostupna i obnovljiva sirovina te se mogu upotrebljavati za pripremu poliola i poliuretana na biološkoj osnovi. Primjena ultrazvuka velike snage stvara povoljne sonokemijske učinke koji znatno ubrzavaju katalitičku reakciju transesterifikacije. Osim toga, sonikacija povećava prinos sintetiziranih poliola jer intenzivna energija miješanja koju stvara akustična kavitacija prevladava ograničenje prijenosa mase. Dobro je poznato da se ultrazvučne reakcije transesterifikacije učinkovito odvijaju uz manje količine alkohola i katalizatora nego konvencionalne reakcije transesterifikacije. Time ultrazvučna obrada poboljšava ukupnu učinkovitost.

Ultrazvučna sinteza biomaziva na osnovi estera pentaeritritola

Ester pentaeritritola može se učinkovito sintetizirati iz repičina ulja sonokemijskim postupkom u dva koraka, kako je pokazao istraživački tim Arumugama. U svojem istraživanju optimizacije istraživači su upotrebljavali Hielscher ultrazvučni uređaj UP400St (vidjeti sliku lijevo). U prvoj sonokemijski potaknutoj transesterifikaciji repičino ulje reagira s metanolom, pri čemu nastaje metilni ester. U drugom koraku transesterifikacije metilni ester reagira s ksilenom i katalizatorom, pri čemu nastaje ester pentaeritritola. Istraživač se usredotočio na optimizaciju parametara ultrazvučnog procesa radi povećanja prinosa i ukupne učinkovitosti sinteze estera pentaeritritola uz primjenu ultrazvuka. Povećani prinos estera pentaeritritola od 81,4% postignut je uz ultrazvučni impuls od 15 s, ultrazvučnu amplitudu od 60%, koncentraciju katalizatora od 1,5 wt% i reakcijsku temperaturu od 100°C. Radi kontrole kvalitete sonokemijski sintetizirani ester pentaeritritola uspoređen je s kompresorskim uljem sintetske kvalitete. Zaključno, istraživanje upućuje na to da je postupak uzastopne transesterifikacije potaknute ultrazvukom učinkovita metoda koja može zamijeniti konvencionalni postupak uzastopne transesterifikacije za sintezu biomaziva na osnovi estera pentaeritritola. Glavne su prednosti postupka ultrazvučne transesterifikacije veći prinosi estera pentaeritritola, kraće vrijeme reakcije i znatno niže reakcijske temperature. (usp. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvučno intenzivirana dvostupanjska transesterifikacija repičina ulja u ester pentaeritritola.
(prilagođeno prema Arumugam et al., 2019)

Acetalni esteri izvedeni iz pentanala dobiveni ultrazvučnom sintezom

Istraživački tim Kurniawana sintetizirao je tri acetalna estera izvedena iz pentanala sonokemijskom metodom primjenjujući načela zelene kemije. Sonikacija je upotrijebljena za poticanje dvaju kemijskih koraka:

1. Esterifikacija 9,10-dihidroksioktadekanske kiseline
2. Acetalizacija alkil-9,10-dihidroksioktadekanoata

Za proizvodnju estera alkil-9,10-dihidroksistearata potrebna su dva koraka, a ostvarena su iskorištenja od 67–85%. Radi procjene učinkovitosti sonokemijska metoda uspoređena je s konvencionalnom tehnikom refluksa. Nadalje, za određivanje utjecaja i učinkovitosti različitih katalizatora upotrijebljeni su homogeni i čvrsti kiselinski katalizatori, odnosno sumporna kiselina (H2SO4), prirodni bentonit i H-bentonit. Utvrđeno je da su sonokemijskom esterifikacijom kiseline kataliziranom H-bentonitom dobiveni proizvodi uz iskorištenje do 70% i 3 puta kraće vrijeme reakcije nego metodom refluksa, što je iznimno. Završnim korakom acetalizacije s n-pentanalom u prisutnosti H-bentonita uz primjenu ultrazvuka dobivena su tri dioksolanska derivata izvedena iz pentanala uz iskorištenja od 69–85%, koja su veća nego pri konvencionalnoj metodi. Metoda refluksa zahtijevala je dulje vrijeme reakcije od sonokemijske metode jer je ultrazvučna sinteza zahtijevala samo 10–30min. Osim znatno kraćeg vremena reakcije uz sonikaciju, sonokemijskom metodom ostvareno je iznimno iskorištenje svakog estera.
Istraživač je također izračunao da su energetski zahtjevi sonokemijske reakcije približno 62 puta manji nego pri konvencionalnoj metodi. Time se smanjuju troškovi i povoljno djeluje na okoliš.
Ispitivanje fizikalno-kemijskih svojstava svakog proizvoda pokazalo je da je metil-8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencijalno novo biomazivo s funkcionalnim svojstvima potrebnima za zamjenu uobičajenih maziva. (usp. Kurniawan i sur., 2021)

Transesterifikacija pentaeritritilnih estera primjenom ultrazvuka

Pentaeritritilni esteri mogu se dobiti iz biljnih ulja poput suncokretova, lanenog i jatrofina ulja. Istraživački tim Hashema demonstrirao je sintezu maziva na biološkoj osnovi uzastopnim transesterifikacijama kataliziranima bazom, koje obuhvaćaju dva koraka transesterifikacije. Pokazali su izvedivost sinteze primjenom suncokretova, lanenog i jatrofina ulja. U prvom su koraku ulja pretvorena u odgovarajuće metilne estere. U drugom su postupku metilni esteri pretvoreni u pentaeritritilne estere djelovanjem pentaeritritola, kako je prikazano na sljedećoj shemi: (usp. Hashem i sur., 2013)

Nakon transesterifikacije biljnog ulja u metilni ester, metilni esteri pretvaraju se u pentaeritritilne estere djelovanjem pentaeritritola, kako je prikazano na gornjoj shemi.
(usp. Hashem i sur., 2013)

Učinci primjene ultrazvuka koji znatno poboljšavaju reakciju transesterifikacije znanstveno su dokazani i već se desetljećima primjenjuju u industriji. Najistaknutiji primjer transesterifikacije poboljšane ultrazvukom jest pretvorba ulja i masti u metilni ester masnih kiselina (FAME), poznat kao biodizel.
Pročitajte više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji (otpadnih) ulja i masti u biodizel!

Ultrazvučne sonde i reaktori za transesterifikaciju i druge kemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics vaš je stručnjak za sofisticirane ultrazvučne uređaje visokih performansi za sonokemijske reakcije. Hielscher projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage i pribor poput sondi (sonotroda), reaktora i protočnih ćelija svih veličina te opskrbljuje kemijske laboratorije i industrijska postrojenja za kemijsku proizvodnju. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sustav za vaš proces. Zahvaljujući dugogodišnjem iskustvu u primjenama poput sonokatalize i sonosinteze, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam konfiguraciju koja najbolje odgovara vašim zahtjevima.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sustave visokih performansi koji su iznimno robusni i mogu stvarati intenzivne ultrazvučne valove jer svi industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher mogu postizati vrlo visoke amplitude u neprekidnom radu (24/7). Robusni ultrazvučni sustavi gotovo ne zahtijevaju održavanje i izrađeni su za dugotrajan rad. Zbog toga je ultrazvučna oprema Hielscher pouzdana za primjene s velikim opterećenjem u zahtjevnim uvjetima. Dostupne su i posebne sonotrode za visoke temperature ili vrlo agresivne kemijske uvjete.
Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva se oprema projektira i proizvodi u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki se ultrazvučni uređaj pažljivo ispituje pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca, a naša je proizvodnja organizirana tako da ispuni najviše zahtjeve osiguranja kvalitete (npr. certifikacija prema ISO normama).

Tablica u nastavku daje vam uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja: