Polyolsynthese via ultrasone omestering

Polyolen zijn synthetische esters die hoofdzakelijk worden geproduceerd door omestering van triglyceriden uit plantaardige oliën of dierlijke vetten. Deze polyolen zijn grondstoffen voor de productie van polyurethans, biosmeermiddelen en andere cemicaliën. Ultrasoonbehandeling wordt gebruikt om de transesterificatiereacties te versterken door intense afschuifkrachten en thermische energie toe te passen. Ultrasoon geluid en de sonochemische effecten ervan leveren reactie-energie en helpen de beperkingen van de massaoverdracht te overwinnen. Daardoor verbetert sonicatie aanzienlijk de omzettingssnelheid, het rendement en de algehele efficiëntie.

Ultrageluid-geassisteerde omestering

Omesteringreacties zijn een van de belangrijkste syntheseroutes en worden op grote schaal gebruikt als een doeltreffende techniek om plantaardige oliën om te zetten in vervangers van aardolieproducten. Sonosynthese (ook sonochemische synthese, d.w.z. chemische synthese die wordt bevorderd met behulp van krachtig ultrageluid), staat bekend om de gunstige effecten ervan op transesterificatie en andere chemische processen.

Duurzame polyol synthese uit plantaardige oliën met behulp van ultrageluid

Van planten afkomstige vetzuren, d.w.z. plantaardige oliën, zijn een ruim beschikbare en hernieuwbare grondstof en kunnen worden gebruikt voor de bereiding van biobased polyolen en polyurethanen. De toepassing van ultrageluid creëert gunstige sonochemische effecten, die de katalytische reactie van transesterificatie aanzienlijk versnellen. Bovendien verhoogt sonicatie de opbrengst van gesynthetiseerde polyolen aangezien de intense mengenergie van akoestische cavitatie de beperking van de massaoverdracht overwint. Het is bekend dat ultrasone omesteringsreacties efficiënt verlopen met minder alcohol en katalysator dan conventionele omesteringsreacties. Dit leidt tot een verbeterde algemene efficiëntie door ultrasoonbehandeling.

Ultrasone synthese van een pentaerytritol-ester-gebaseerd biosmeermiddel

Pentaerythritolester kan efficiënt worden gesynthetiseerd uit raapzaadolie via een sonochemisch proces in twee stappen, zoals aangetoond door het onderzoeksteam van Arumugam. In hun optimalisatiestudie gebruikten de onderzoekers de Hielscher ultrasoonmachine UP400St (zie foto links). In de eerste sonochemisch gestimuleerde transesterificatie wordt raapzaadolie met methanol tot methylester gereageerd. In de tweede transesterificatiestap reageert de methylester met xyleen en een katalysator tot pentaerytritolester. De onderzoeker concentreerde zich op de optimalisering van de ultrasone procesparameters om de opbrengst en de algehele efficiëntie van de pentaerytritolester synthese onder ultrasoon geluid te verbeteren. 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 compressorolie van synthetische kwaliteit. De conclusie van de studie is dat het ultrasoon gestimuleerde opeenvolgende omesteringsproces een efficiënte methode is om het conventionele opeenvolgende omesteringsproces te vervangen voor de synthese van pentaerytritolester-gebaseerd biosmeermiddel. De belangrijkste voordelen van het ultrasone omesteringsproces zijn een hogere opbrengst aan pentaerytritolester, een kortere reactietijd en aanzienlijk lagere reactietemperaturen. (cf. Arumugam et al., 2019)

Ultrasoon geïntensiveerde omestering in twee fasen van raapzaadolie tot pentaerytritolester.
(aangepast van Arumugam et al., 2019)

Pentanal-afgeleide acetaalesters via ultrasone synthese

Het onderzoeksteam van Kurniawan synthetiseerde drie uit pentanal afgeleide acetalesters via een sonochemische methode waarbij gebruik werd gemaakt van de beginselen van de groene chemie. Sonificatie werd gebruikt om twee chemische stappen te bevorderen:

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

Om de esters van alkyl-9,10-dihydroxystearaat te produceren zijn twee stappen nodig en er werden opbrengsten van 67-85% verkregen. Voor de evaluatie van de efficiëntie werd de sonochemische methode vergeleken met de conventionele refluxtechniek. Bovendien 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. Het bleek dat sonochemische verestering van het zuur gekatalyseerd door H-bentoniet producten opleverde met een opbrengst tot 70% in een 3 maal kortere reactietijd dan de refluxmethode, wat opmerkelijk is. De laatste acetalisatiestap met n-pentanal in aanwezigheid van H-bentoniet met behulp van ultrasoonbehandeling leverde drie van pentanal afgeleide dioxolaanderivaten op met een opbrengst van 69-85%, wat hoger is dan bij de conventionele methode. De refluxmethode vereiste een langere reactietijd dan de sonochemische methode, terwijl voor de ultrasone synthese slechts 10-30min nodig waren. 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 drukt de kosten en is milieuvriendelijk.
Uit het onderzoek van de fysisch-chemische eigenschappen van elk product bleek dat methyl-8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoaat een potentieel nieuw biosmeermiddel is met de functionaliteiten om gangbare smeermiddelen te vervangen. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Omestering van penta-erythryl esters met behulp van ultrageluid

Pentaerythryl esters kunnen worden verkregen uit plantaardige oliën zoals zonnebloem-, lijnzaad- en jatropha-olie. Het onderzoeksteam van Hashem demonstreerde de synthese van biogebaseerde smeermiddelen via een opeenvolgende base-gekatalyseerde transesterificatie met twee transesterificatiestappen. Zij toonden de haalbaarheid aan van de synthese met zonnebloem-, lijnzaad- en jatropha-olie. In de eerste stap werden de oliën omgezet in de overeenkomstige methylesters. In de tweede stap werden de methylesters omgezet in pentaerythryl esters door de werking van pentaerythritol, zoals weergegeven in het volgende schema: (cf. Hashem et al., 2013)

Na de omestering van plantaardige olie tot methylester worden de methylesters omgezet in pentaerythrylesters door de werking van pentaerytritol, zoals in het schema hierboven is aangegeven.
(cf. Hashem et al., 2013)

De aanzienlijk reactieverhogende effecten van ultrasoonbehandeling op transesterificatie zijn wetenschappelijk bewezen en worden al sinds tientallen jaren industrieel toegepast. Het meest prominente voorbeeld van ultrasoon verbeterde transesterificatie is de omzetting van oliën en vetten in vetzuurmethylester (FAME), bekend als biodiesel.
Lees meer over de ultrasone omestering van (afval)oliën en vetten tot biodiesel!

Ultrasone sondes en reactoren voor omestering en andere chemische synthesen

Hielscher Ultrasonics is uw specialist als het gaat om geavanceerde high-performance ultrasoonapparatuur voor sonochemische reacties. Hielscher ontwerpt, fabriceert en distribueert high-power ultrasoonapparaten en accessoires zoals sondes (sonotrodes), reactoren en flowcellen in elke maat en levert aan zowel chemische laboratoria als chemische productiefaciliteiten op industriële schaal. Van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot industriële ultrasone sondes en reactoren, Hielscher heeft het ideale ultrasone systeem voor uw proces. Met jarenlange ervaring in toepassingen zoals sono-katalyse en sono-synthese, zullen onze goed opgeleide medewerkers u de meest geschikte opstelling voor uw eisen adviseren.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone systemen met een zeer hoge robuustheid en in staat om intense ultrasone golven te leveren, aangezien alle Hielscher industriële ultrasooninstallaties zeer hoge amplitudes kunnen leveren in continue werking (24/7). De robuuste ultrasone systemen vergen vrijwel geen onderhoud en zijn gebouwd om te draaien. Dit maakt Hielscher ultrasoonapparatuur betrouwbaar voor zware toepassingen onder veeleisende omstandigheden. Speciale sonotrodes voor hoge temperaturen of zeer agressieve chemische stoffen zijn eveneens leverbaar.
Hoogste kwaliteit – Ontworpen en gemaakt in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en vervaardigd in ons hoofdkwartier in Duitsland. Vóór levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. Wij streven naar klanttevredenheid en onze productie is zodanig gestructureerd dat wordt voldaan aan de hoogste kwaliteitswaarborging (bijv. ISO-certificering).

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: