Polyolsynthese via ultrasone omestering

Polyolen zijn synthetische esters die voornamelijk worden geproduceerd via omestering van triglyceriden uit plantaardige oliën of dierlijke vetten. Deze polyolen zijn grondstoffen voor de productie van polyurethanen, biologische smeermiddelen en andere chemicaliën. Ultrasone behandeling wordt gebruikt om omesteringsreacties te bevorderen door intense afschuifkrachten en thermische energie toe te passen. Ultrasoon geluid en de bijbehorende sonochemische effecten leveren reactie-energie en helpen beperkingen in de massaoverdracht te overwinnen. Daardoor verbetert sonicatie de snelheid, de opbrengst en de algehele efficiëntie van de omestering aanzienlijk.

Omestering met behulp van ultrasoon geluid

Omesteringsreacties behoren tot de belangrijkste syntheseroutes en worden veelvuldig toegepast als effectieve techniek om plantaardige oliën om te zetten in vervangers voor aardolieproducten. Sonosynthese (ook sonochemische synthese genoemd, waarbij chemische synthese wordt bevorderd door ultrasoon geluid met hoge prestaties) staat bekend om haar gunstige effecten op omestering en andere chemische processen.

Duurzame polyolsynthese uit plantaardige oliën met behulp van ultrasoon geluid

Vetzuren van plantaardige oorsprong, dat wil zeggen plantaardige oliën, zijn een ruim beschikbare en hernieuwbare grondstof en kunnen worden gebruikt voor de bereiding van biogebaseerde polyolen en polyurethanen. De toepassing van ultrasoon geluid met hoog vermogen creëert gunstige sonochemische effecten die de katalytische omesteringsreactie aanzienlijk versnellen. Bovendien verhoogt sonicatie de opbrengst aan gesynthetiseerde polyolen, doordat de intense mengenergie van akoestische cavitatie de beperking in de massaoverdracht overwint. Ultrasone omesteringsreacties staan erom bekend efficiënt te verlopen met kleinere hoeveelheden alcohol en katalysator dan conventionele omesteringsreacties. Dit leidt tot een verbeterde algehele efficiëntie door ultrasone behandeling.

Ultrasone synthese van een biologisch smeermiddel op basis van pentaerytritolester

Pentaerytritolester kan efficiënt uit koolzaadolie worden gesynthetiseerd via een sonochemisch proces in twee stappen, zoals aangetoond door het onderzoeksteam van Arumugam. In hun optimalisatiestudie gebruikten de onderzoekers de sonicator UP400St van Hielscher (zie afbeelding links). Bij de eerste sonochemisch bevorderde omestering reageert koolzaadolie met methanol tot methylester. In de tweede omesteringsstap reageert de methylester met xyleen en een katalysator tot pentaerytritolester. De onderzoeker richtte zich op de optimalisatie van ultrasone procesparameters om de opbrengst en de algehele efficiëntie van de synthese van pentaerytritolester onder invloed van ultrasoon geluid te verhogen. Een verbeterde opbrengst van 81,4% pentaerytritolester werd bereikt met een ultrasone puls van 15 s, een ultrasone amplitude van 60%, een katalysatorconcentratie van 1,5 wt% en een reactietemperatuur van 100°C. Voor de kwaliteitscontrole werd de sonochemisch gesynthetiseerde pentaerytritolester vergeleken met synthetische compressorolie. Concluderend suggereert de studie dat het door ultrasoon geluid bevorderde proces van opeenvolgende omesteringsreacties een efficiënte methode is om het conventionele proces van opeenvolgende omesteringsreacties te vervangen voor de synthese van een biologisch smeermiddel op basis van pentaerytritolester. De belangrijkste voordelen van het ultrasone omesteringsproces zijn hogere opbrengsten aan pentaerytritolester, een kortere reactietijd en aanzienlijk lagere reactietemperaturen. (cf. Arumugam et al., 2019)

Door ultrasoon geluid geïntensiveerde omestering van koolzaadolie tot pentaerytritolester in twee stappen.
(aangepast naar Arumugam et al., 2019)

Van pentanal afgeleide acetaalesters via ultrasone synthese

Het onderzoeksteam van Kurniawan synthetiseerde drie van pentanal afgeleide acetaalesters via een sonochemische methode volgens de principes van groene chemie. Sonicatie werd gebruikt om twee chemische stappen te bevorderen:

1. Verestering van 9,10-dihydroxyoctadecaanzuur
2. Acetalisering van alkyl-9,10-dihydroxyoctadecanoaat

Voor de productie van de esters van alkyl-9,10-dihydroxystearaat zijn twee stappen nodig en werden opbrengsten van 67–85% behaald. Om de efficiëntie te evalueren, werd de sonochemische methode vergeleken met de conventionele refluxtechniek. Verder werden homogene en vaste zure katalysatoren, namelijk zwavelzuur (H2SO4), natuurlijk bentoniet en H-bentoniet, gebruikt om de invloed en efficiëntie van verschillende katalysatoren te bepalen. Er werd vastgesteld dat sonochemische verestering van het zuur, gekatalyseerd door H-bentoniet, producten opleverde met een opbrengst tot 70% in een 3 keer kortere reactietijd dan de refluxmethode, wat opmerkelijk is. De laatste acetaliseringsstap met n-pentanal in aanwezigheid van H-bentoniet en met ultrasone behandeling leverde drie van pentanal afgeleide dioxolaanderivaten op met opbrengsten van 69–85%, die hoger zijn dan bij de conventionele methode. De refluxmethode vereiste een langere reactietijd dan de sonochemische methode, aangezien de ultrasone synthese slechts 10–30min vergde. Naast de aanzienlijk kortere reactietijd onder sonicatie werd met de sonochemische methode een opmerkelijke opbrengst van elke ester verkregen.
De onderzoeker berekende ook dat de energiebehoefte van de sonochemische reactie ongeveer 62 keer lager is dan die van de conventionele methode. Dit verlaagt de kosten en is milieuvriendelijk.
Onderzoek naar de fysisch-chemische eigenschappen van elk product toonde aan dat methyl-8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoaat een potentieel nieuw biologisch smeermiddel is met de functionaliteiten om gangbare smeermiddelen te vervangen. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Omestering van pentaerytrylesters met behulp van ultrasoon geluid

Pentaerytrylesters kunnen worden verkregen uit plantaardige oliën zoals zonnebloemolie, lijnzaadolie en jatrophaolie. Het onderzoeksteam van Hashem demonstreerde de synthese van biogebaseerde smeermiddelen via opeenvolgende basegekatalyseerde omesteringsreacties in twee omesteringsstappen. Het team toonde de haalbaarheid van de synthese aan met zonnebloemolie, lijnzaadolie en jatrophaolie. In de eerste stap werden de oliën omgezet in de overeenkomstige methylesters. In het tweede proces werden de methylesters door de werking van pentaerytritol omgezet in pentaerytrylesters, zoals weergegeven in het volgende schema: (cf. Hashem et al., 2013)

Na omestering van plantaardige olie tot methylester worden de methylesters door de werking van pentaerytritol omgezet in pentaerytrylesters, zoals weergegeven in het bovenstaande schema.
(cf. Hashem et al., 2013)

De aanzienlijke reactiebevorderende effecten van ultrasone behandeling op omestering zijn wetenschappelijk bewezen en worden al tientallen jaren industrieel toegepast. Het meest prominente voorbeeld van door ultrasoon geluid verbeterde omestering is de omzetting van oliën en vetten in vetzuurmethylester (FAME), bekend als biodiesel.
Lees meer over de omestering van (afval)oliën en vetten tot biodiesel met behulp van ultrasoon geluid!

Ultrasone sondes en reactoren voor omestering en andere chemische syntheses

Hielscher Ultrasonics is uw specialist voor geavanceerde sonicatoren met hoge prestaties voor sonochemische reacties. Hielscher ontwerpt, produceert en distribueert sonicatoren met hoog vermogen en accessoires zoals sondes (sonotroden), reactoren en doorstroomcellen in alle formaten en levert aan zowel chemische laboratoria als chemische productiefaciliteiten op industriële schaal. Van compacte ultrasone laboratoriumapparaten tot industriële ultrasone sondes en reactoren: Hielscher heeft het ideale ultrasone systeem voor uw proces. Dankzij onze jarenlange ervaring met toepassingen zoals sonokatalyse en sonosynthese adviseren onze goed opgeleide medewerkers u over de meest geschikte configuratie voor uw eisen.
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone systemen met hoge prestaties die zeer robuust zijn en intense ultrasone golven kunnen leveren, aangezien alle industriële sonicatoren van Hielscher zeer hoge amplitudes kunnen leveren bij continu gebruik (24/7). De robuuste ultrasone systemen vergen vrijwel geen onderhoud en zijn gebouwd om te blijven draaien. Dit maakt de ultrasone apparatuur van Hielscher betrouwbaar voor zware toepassingen onder veeleisende omstandigheden. Er zijn ook speciale sonotroden voor hoge temperaturen of zeer agressieve chemische omgevingen beschikbaar.
Hoogste kwaliteit – ontworpen en geproduceerd in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en geproduceerd op onze hoofdvestiging in Duitsland. Vóór levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. Wij streven naar klanttevredenheid en onze productie is ingericht om aan de hoogste eisen voor kwaliteitsborging te voldoen (bijvoorbeeld ISO-certificering).

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: