Sintesis Poliol melalui Transesterifikasi Ultrasonik

Poliol adalah ester sintetis yang diproduksi terutama melalui transesterifikasi trigliserida dari minyak nabati atau lemak hewani. Poliol ini merupakan bahan baku untuk produksi poliuretan, biopelumas, dan bahan kimia lainnya. Ultrasonikasi digunakan untuk meningkatkan reaksi transesterifikasi dengan menerapkan gaya geser yang intens dan energi termal. Ultrasound dan efek sonokimianya memasok energi reaksi dan membantu mengatasi keterbatasan perpindahan massa. Dengan demikian, sonikasi secara signifikan meningkatkan kecepatan transesterifikasi, rendemen, dan efisiensi keseluruhan.

Transesterifikasi Berbantuan Ultrasound

Reaksi transesterifikasi merupakan salah satu jalur sintesis terpenting dan banyak digunakan sebagai teknik yang efektif untuk mengubah minyak nabati menjadi pengganti produk minyak bumi. Sonosintesis (juga disebut sintesis sonokimia, yaitu sintesis kimia yang didorong oleh ultrasound berkinerja tinggi) dikenal luas karena efek menguntungkannya pada transesterifikasi maupun proses kimia lainnya.

Sintesis Poliol Berkelanjutan dari Minyak Nabati menggunakan Ultrasound

Asam lemak yang berasal dari tumbuhan, yaitu minyak nabati, merupakan bahan baku terbarukan yang tersedia secara luas dan dapat digunakan untuk pembuatan poliol dan poliuretan berbasis hayati. Penerapan ultrasound berdaya tinggi menghasilkan efek sonokimia yang menguntungkan, yang secara signifikan mempercepat reaksi katalitik transesterifikasi. Selain itu, sonikasi meningkatkan rendemen poliol yang disintesis karena energi pencampuran yang intens dari kavitasi akustik mengatasi keterbatasan perpindahan massa. Reaksi transesterifikasi ultrasonik dikenal berlangsung secara efisien dengan jumlah alkohol dan katalis yang lebih sedikit dibandingkan reaksi transesterifikasi konvensional. Hal ini menghasilkan peningkatan efisiensi keseluruhan melalui ultrasonikasi.

Sintesis Ultrasonik Biopelumas Berbasis Ester Pentaeritritol

Ester pentaeritritol dapat disintesis secara efisien dari minyak rapa melalui proses sonokimia dua tahap sebagaimana ditunjukkan oleh tim peneliti Arumugam. Dalam studi optimasi mereka, para peneliti menggunakan ultrasonikator Hielscher UP400St (lihat gambar di sebelah kiri). Pada transesterifikasi pertama yang didorong secara sonokimia, minyak rapa direaksikan dengan metanol menjadi ester metil. Pada tahap transesterifikasi kedua, ester metil bereaksi dengan xilena dan katalis menjadi ester pentaeritritol. Peneliti berfokus pada optimasi parameter proses ultrasonik untuk meningkatkan rendemen dan efisiensi keseluruhan sintesis ester pentaeritritol dengan ultrasound. Peningkatan rendemen ester pentaeritritol hingga 81,4% dicapai dengan pulsa ultrasonik 15 s, amplitudo ultrasonik 60%, konsentrasi katalis 1,5 wt%, dan suhu reaksi 100°C. Untuk pengendalian mutu, ester pentaeritritol yang disintesis secara sonokimia dibandingkan dengan oli kompresor kelas sintetis. Sebagai kesimpulan, studi tersebut menunjukkan bahwa proses transesterifikasi berurutan yang didorong secara ultrasonik merupakan metode yang efisien untuk menggantikan proses transesterifikasi berurutan konvensional dalam sintesis biopelumas berbasis ester pentaeritritol. Keunggulan utama proses transesterifikasi ultrasonik adalah peningkatan rendemen ester pentaeritritol, waktu reaksi yang lebih singkat, dan suhu reaksi yang jauh lebih rendah. (bandingkan Arumugam et al., 2019)

Transesterifikasi dua tahap minyak rapa menjadi ester pentaeritritol yang diintensifkan secara ultrasonik.
(diadaptasi dari Arumugam et al., 2019)

Ester Asetal Turunan Pentanal melalui Sintesis Ultrasonik

Tim peneliti Kurniawan menyintesis tiga ester asetal turunan pentanal melalui metode sonokimia dengan menerapkan prinsip kimia hijau. Sonikasi digunakan untuk mendorong dua tahap kimia:

1. Esterifikasi asam 9,10-dihidroksioktadekanoat
2. Asetalisasi alkil 9,10-dihidroksioktadekanoat

Untuk menghasilkan ester alkil 9,10-dihidroksistearat, diperlukan dua tahap dan diperoleh rendemen 67–85%. Untuk evaluasi efisiensi, metode sonokimia dibandingkan dengan teknik refluks konvensional. Selain itu, katalis asam homogen dan padat, yaitu asam sulfat (H2SO4), bentonit alami, dan H-bentonit, digunakan untuk menentukan pengaruh dan efisiensi berbagai katalis. Ditemukan bahwa esterifikasi sonokimia terhadap asam yang dikatalisis oleh H-bentonit menghasilkan produk dengan rendemen hingga 70% dalam waktu reaksi 3 kali lebih singkat daripada metode refluks, suatu hasil yang luar biasa. Tahap asetalisasi akhir dengan n-pentanal di hadapan H-bentonit menggunakan ultrasonikasi menghasilkan tiga turunan dioksolana yang berasal dari pentanal dengan rendemen 69–85%, yang lebih tinggi daripada metode konvensional. Metode refluks memerlukan waktu reaksi yang lebih lama daripada metode sonokimia karena sintesis ultrasonik hanya memerlukan 10–30min. Selain waktu reaksi yang jauh lebih singkat dengan sonikasi, rendemen yang luar biasa untuk setiap ester diperoleh menggunakan metode sonokimia.
Peneliti juga menghitung bahwa kebutuhan energi reaksi sonokimia sekitar 62 kali lebih rendah daripada metode konvensional. Hal ini mengurangi biaya dan ramah lingkungan.
Pemeriksaan sifat fisikokimia setiap produk menunjukkan bahwa metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat merupakan calon biopelumas baru dengan kemampuan fungsional untuk menggantikan pelumas umum. (bandingkan Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikasi Ester Pentaeritril menggunakan Ultrasound

Ester pentaeritril dapat diperoleh dari minyak nabati seperti minyak bunga matahari, biji rami, dan jarak pagar. Tim peneliti Hashem menunjukkan sintesis pelumas berbasis hayati melalui transesterifikasi berurutan yang dikatalisis basa dan melibatkan dua tahap transesterifikasi. Mereka menunjukkan kelayakan sintesis menggunakan minyak bunga matahari, biji rami, dan jarak pagar. Pada tahap pertama, minyak diubah menjadi ester metil yang bersesuaian. Pada proses kedua, ester metil diubah menjadi ester pentaeritril melalui reaksi dengan pentaeritritol sebagaimana ditunjukkan dalam skema berikut: (bandingkan Hashem et al., 2013)

Setelah transesterifikasi minyak nabati menjadi ester metil, ester metil diubah menjadi ester pentaeritril melalui reaksi dengan pentaeritritol sebagaimana ditunjukkan dalam skema di atas.
(bandingkan Hashem et al., 2013)

Efek ultrasonikasi yang secara signifikan meningkatkan reaksi transesterifikasi telah terbukti secara ilmiah dan telah diterapkan dalam industri selama beberapa dekade. Contoh paling menonjol dari transesterifikasi yang ditingkatkan secara ultrasonik adalah konversi minyak dan lemak menjadi ester metil asam lemak (FAME), yang dikenal sebagai biodiesel.
Baca lebih lanjut tentang transesterifikasi minyak dan lemak (limbah) menjadi biodiesel dengan bantuan ultrasound!

Probe dan Reaktor Ultrasonik untuk Transesterifikasi dan Sintesis Kimia Lainnya

Hielscher Ultrasonics adalah spesialis Anda untuk ultrasonikator canggih berkinerja tinggi bagi reaksi sonokimia. Hielscher merancang, memproduksi, dan mendistribusikan ultrasonikator berdaya tinggi serta aksesori seperti probe (sonotrode), reaktor, dan sel alir dalam berbagai ukuran, serta memasok laboratorium kimia maupun fasilitas produksi kimia berskala industri. Dari perangkat ultrasonik laboratorium yang ringkas hingga probe dan reaktor ultrasonik industri, Hielscher memiliki sistem ultrasonik yang ideal untuk proses Anda. Dengan pengalaman panjang dalam aplikasi seperti sonokatalisis dan sonosintesis, staf kami yang terlatih akan merekomendasikan konfigurasi yang paling sesuai dengan kebutuhan Anda.
Hielscher Ultrasonics memproduksi sistem ultrasonik berkinerja tinggi yang sangat tangguh dan mampu menghasilkan gelombang ultrasound yang intens karena semua ultrasonikator industri Hielscher dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi dalam operasi berkelanjutan (24/7). Sistem ultrasound yang tangguh ini hampir tidak memerlukan pemeliharaan dan dibuat untuk terus beroperasi. Hal ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher andal untuk aplikasi tugas berat dalam kondisi yang menuntut. Sonotrode khusus untuk suhu tinggi atau lingkungan kimia yang sangat keras juga tersedia.
Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Dibuat di Jerman: Semua peralatan dirancang dan diproduksi di kantor pusat kami di Jerman. Sebelum dikirim kepada pelanggan, setiap perangkat ultrasonik diuji dengan cermat pada beban penuh. Kami mengupayakan kepuasan pelanggan dan produksi kami diatur untuk memenuhi jaminan mutu tertinggi (misalnya, sertifikasi ISO).

Tabel di bawah ini memberikan gambaran mengenai perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: