Sinteza poliola putem ultrazvučne transesterifikacije

Polioli su sintetski esteri proizvedeni uglavnom transesterifikacijom triglicerida iz biljnih ulja ili životinjskih masti. Ovi polioli su sirovina za proizvodnju poliuretana, biomaziva i drugih kemikalija. Ultrasonication se koristi za poboljšanje transesterification reakcije primjenom intenzivne sile smicanja i toplinske energije. Ultrazvuk i njegovi sonokemijski učinci opskrbljuju reakcijskom energijom i pomažu u prevladavanju ograničenja prijenosa mase. Stoga sonikacija značajno poboljšava brzinu transesterifikacije, prinos i ukupnu učinkovitost.

Transesterifikacija potpomognuta ultrazvukom

Reakcije transesterifikacije jedan su od najvažnijih puteva sinteze i naširoko se koriste kao učinkovita tehnika za pretvaranje biljnih ulja u zamjene za naftne proizvode. Sono-sinteza (također sonokemijska sinteza, što je kemijska sinteza promovirana putem visokoučinkovitog ultrazvuka), dobro je poznata po svojim blagotvornim učincima na transesterifikaciju, kao i na druge kemijske procese.

Održiva sinteza poliola iz biljnih ulja pomoću ultrazvuka

Masne kiseline biljnog podrijetla, tj. biljna ulja, široko su dostupna i obnovljiva sirovina i mogu se koristiti za pripremu biobaziranih poliola i poliuretana. Primjena snažnog ultrazvuka stvara povoljne sonokemijske učinke, koji značajno ubrzavaju katalitičku reakciju transesterifikacije. Uz to, sonikacija povećava prinos sintetiziranih poliola jer intenzivna energija miješanja akustične kavitacije nadilazi ograničenja prijenosa mase. Poznato je da ultrazvučne reakcije transesterifikacije rade učinkovito s nižim alkoholom i katalizatorom kao konvencionalne reakcije transesterifikacije. To dovodi do poboljšane ukupne učinkovitosti ultrazvukom.

Ultrazvučna sinteza biomaziva na bazi estera pentaeritritola

Pentaeritritol ester može se učinkovito sintetizirati iz ulja repice putem sonokemijskog procesa u dva koraka kao što je pokazao istraživački tim Arumugama. U svojoj studiji optimizacije, istraživači su koristili Hielscher ultrasonicator UP400St (vidi sliku lijevo). U prvoj sonokemijski promoviranoj transesterifikaciji, ulje uljane repice reagira s metanolom u metilni ester. U drugom koraku transesterifikacije, metil ester reagira sa ksilenom i katalizatorom u pentaeritritol ester. Istraživač se usredotočio na optimizaciju parametara ultrazvučnog procesa kako bi se povećao prinos i ukupna učinkovitost sinteze pentaeritritol estera pod ultrazvukom. Poboljšani prinos od 81,4% pentaeritritol estera postignut je s ultrazvučnim pulsom od 15 s, ultrazvučnom amplitudom od 60%, koncentracijom katalizatora od 1,5 wt%, i reakcijskom temperaturom od 100°C. Za kontrolu kvalitete, sonokemijski sintetizirani pentaeritritol ester uspoređen je sa sintetičkim kompresorskim uljem. Zaključno, studija sugerira da je ultrazvučno promoviran uzastopni proces transesterifikacije učinkovita metoda za zamjenu konvencionalnog uzastopnog procesa transesterifikacije za sintezu biomaziva na bazi pentaeritritol estera. Glavne prednosti ultrazvučnog procesa transesterifikacije su povećani prinosi pentaeritritol estera, skraćeno vrijeme reakcije i znatno niže temperature reakcije. (usp. Arumugam i dr., 2019.)

Ultrazvučno intenzivirana dvostupanjska transesterifikacija uljane repice u pentaeritritol ester.
(preuzeto iz Arumugam et al., 2019.)

Acetalni esteri izvedeni iz pentanala putem ultrazvučne sinteze

Istraživački tim Kurniawana sintetizirao je tri acetalna estera dobivena iz pentanala sonokemijskom metodom koristeći principe zelene kemije. Sonikacija je korištena za promicanje dva kemijska koraka:

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

Kako bi se proizveli esteri alkil 9,10-dihidroksistearata potrebna su dva koraka i dobiveni su prinosi od 67-85%. Za procjenu učinkovitosti, sonokemijska metoda je uspoređena s konvencionalnom tehnikom refluksa. Nadalje, za određivanje utjecaja i učinkovitosti različitih katalizatora korišteni su homogeni i čvrsti kiseli katalizatori, naime sumporna kiselina (H2SO4), prirodni bentonit i H-bentonit. Utvrđeno je da je sonokemijska esterifikacija kiseline katalizirana H-bentonitom dala proizvode u prinosu do 70% u 3 puta kraćem vremenu reakcije od metode refluksa, što je izvanredno. Konačni korak acetalizacije s n-pentanalom u prisutnosti H-bentonita korištenjem ultrazvučne obrade dao je tri derivata dioksolana izvedena iz pentanala u prinosima od 69-85%, što je više od konvencionalne metode. Metoda refluksa zahtijevala je dulje vrijeme reakcije od sonokemijske metode jer je ultrazvučna sinteza zahtijevala samo 10-30 minuta. Uz znatno kraće vrijeme reakcije pod sonikacijom, sonokemijskom metodom dobiven je izvanredan prinos svakog estera.
Istraživač je također izračunao da su energetski zahtjevi sonokemijske reakcije cca. 62 puta niža od one kod konvencionalne metode. To smanjuje troškove i ekološki je prihvatljivo.
Ispitivanje fizikalno-kemijskih svojstava svakog proizvoda otkrilo je da je metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencijalno novo biomazivo sa funkcionalnim svojstvima da zamijene uobičajena maziva. (usp. Kurniawan i sur., 2021.)

Transesterifikacija pentaeritril estera pomoću ultrazvuka

Pentaeritrilni esteri mogu se dobiti iz biljnih ulja kao što su suncokretovo, laneno i jatrofino ulje. Istraživački tim Hashema demonstrirao je sintezu lubrikanata na biološkoj osnovi putem uzastopnih bazno kataliziranih transesterifikacija koje uključuju dva koraka transesterifikacije. Pokazali su izvedivost sinteze pomoću ulja suncokreta, lanenih sjemenki i jatrofe. U prvom koraku, ulja su prevedena u odgovarajuće metil estere. U drugom procesu, metilni esteri su prevedeni u pentaeritrilne estere djelovanjem pentaeritritola kao što je prikazano u sljedećoj shemi: (usp. Hashem et al., 2013.)

Nakon transesterifikacije biljnog ulja u metilni ester, metilni esteri se pretvaraju u pentaeritrilne estere djelovanjem pentaeritritola kao što je prikazano u gornjoj shemi.
(usp. Hashem et al., 2013.)

Učinci ultrazvuka na transesterifikaciju koji značajno pojačavaju reakciju znanstveno su dokazani i već su desetljećima industrijski prihvaćeni. Najistaknutiji primjer ultrazvučno poboljšane tranesterifikacije je pretvorba ulja i masti u metil ester masne kiseline (FAME), poznat kao biodizel.
Pročitajte više o transesterifikaciji (otpadnih) ulja i masti u biodizel uz pomoć ultrazvuka!

Ultrazvučne sonde i reaktori za transesterifikaciju i druge kemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš stručnjak kada je riječ o sofisticiranim ultrazvučnim uređajima visokih performansi za sonokemijske reakcije. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage i dodatke kao što su sonde (sonotrode), reaktori i protočne ćelije u bilo kojoj veličini i opskrbljuje kemijske laboratorije kao i pogone za kemijsku proizvodnju u industrijskim razmjerima. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sustav za vaš proces. S dugogodišnjim iskustvom u primjenama kao što su sono-kataliza i sono-sinteza, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam najprikladnije postavke za vaše zahtjeve.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sustave visokih performansi vrlo visoke robusnosti i sposobne isporučiti intenzivne ultrazvučne valove budući da svi Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu isporučiti vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7). Robusni ultrazvučni sustavi ne zahtijevaju gotovo nikakvo održavanje i napravljeni su za rad. To Hielscher ultrazvučnu opremu čini pouzdanom za teške primjene pod zahtjevnim uvjetima. Dostupne su i posebne sonotrode za visoke temperature ili vrlo jake kemikalije.
Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva oprema dizajnirana je i proizvedena u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu, svaki ultrazvučni uređaj pažljivo se testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša je proizvodnja strukturirana tako da ispunjava najvišu razinu osiguranja kvalitete (npr. ISO certifikat).

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: