Syntéza polyolov ultrazvukovou transesterifikáciou

Polyoly sú syntetické estery vyrábané najmä transesterifikáciou triglyceridov z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov. Tieto polyoly sú surovinou na výrobu polyuretánov, biomazív a ďalších chemikálií. Pôsobenie ultrazvuku sa využíva na zintenzívnenie transesterifikačných reakcií prostredníctvom intenzívnych šmykových síl a tepelnej energie. Ultrazvuk a jeho sonochemické účinky dodávajú reakčnú energiu a pomáhajú prekonávať obmedzenia prenosu hmoty. Sonikácia tak výrazne zvyšuje rýchlosť transesterifikácie, výťažok a celkovú účinnosť.

Transesterifikácia podporovaná ultrazvukom

Transesterifikačné reakcie predstavujú jednu z najdôležitejších ciest syntézy a široko sa využívajú ako účinná technika na premenu rastlinných olejov na náhrady ropných produktov. Sonosyntéza (tiež sonochemická syntéza, teda chemická syntéza podporovaná vysokovýkonným ultrazvukom) je dobre známa svojimi priaznivými účinkami na transesterifikáciu aj ďalšie chemické procesy.

Udržateľná syntéza polyolov z rastlinných olejov pomocou ultrazvuku

Mastné kyseliny rastlinného pôvodu, t. j. rastlinné oleje, sú široko dostupnou a obnoviteľnou surovinou a možno ich použiť na prípravu polyolov a polyuretánov na biologickej báze. Použitie výkonového ultrazvuku vyvoláva priaznivé sonochemické účinky, ktoré výrazne urýchľujú katalytickú transesterifikačnú reakciu. Sonikácia navyše zvyšuje výťažok syntetizovaných polyolov, pretože intenzívna energia miešania vyvolaného akustickou kavitáciou prekonáva obmedzenia prenosu hmoty. Je dobre známe, že ultrazvukové transesterifikačné reakcie prebiehajú účinne s menším množstvom alkoholu a katalyzátora než konvenčné transesterifikačné reakcie. Pôsobenie ultrazvuku tak vedie k zvýšeniu celkovej účinnosti.

Ultrazvuková syntéza biomaziva na báze esteru pentaerytritolu

Ester pentaerytritolu možno účinne syntetizovať z repkového oleja dvojstupňovým sonochemickým procesom, ako preukázal výskumný tím Arumugama. Vo svojej optimalizačnej štúdii výskumníci použili ultrazvukový prístroj Hielscher UP400St (pozri obrázok vľavo). Pri prvej transesterifikácii podporovanej sonochemicky reaguje repkový olej s metanolom za vzniku metylesteru. V druhom transesterifikačnom kroku metylester reaguje s xylénom a katalyzátorom za vzniku esteru pentaerytritolu. Výskumník sa zameral na optimalizáciu parametrov ultrazvukového procesu s cieľom zvýšiť výťažok a celkovú účinnosť syntézy esteru pentaerytritolu pôsobením ultrazvuku. Zvýšený výťažok esteru pentaerytritolu na úrovni 81,4% sa dosiahol pri ultrazvukovom impulze 15 s, amplitúde ultrazvuku 60%, koncentrácii katalyzátora 1,5 wt% a reakčnej teplote 100°C. Na kontrolu kvality sa sonochemicky syntetizovaný ester pentaerytritolu porovnal so syntetickým kompresorovým olejom. Štúdia na záver naznačuje, že proces následných transesterifikácií podporovaných ultrazvukom je účinnou metódou, ktorá môže nahradiť konvenčný proces následných transesterifikácií pri syntéze biomaziva na báze esteru pentaerytritolu. Hlavnými výhodami ultrazvukového transesterifikačného procesu sú vyššie výťažky esteru pentaerytritolu, skrátený reakčný čas a výrazne nižšie reakčné teploty. (porov. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvukom zintenzívnená dvojstupňová transesterifikácia repkového oleja na ester pentaerytritolu.
(upravené podľa Arumugam et al., 2019)

Acetálové estery odvodené od pentanalu získané ultrazvukovou syntézou

Výskumný tím Kurniawana syntetizoval tri acetálové estery odvodené od pentanalu sonochemickou metódou s využitím princípov zelenej chémie. Sonikácia sa použila na podporu dvoch chemických krokov:

1. Esterifikácia kyseliny 9,10-dihydroxyoktadekánovej
2. Acetalizácia alkyl-9,10-dihydroxyoktadekanoátu

Na výrobu esterov alkyl-9,10-dihydroxystearátu sú potrebné dva kroky, pričom sa dosiahli výťažky 67–85%. Na vyhodnotenie účinnosti sa sonochemická metóda porovnala s konvenčnou refluxnou technikou. Okrem toho sa na stanovenie vplyvu a účinnosti rôznych katalyzátorov použili homogénne a tuhé kyslé katalyzátory, konkrétne kyselina sírová (H2SO4), prírodný bentonit a H-bentonit. Zistilo sa, že sonochemická esterifikácia kyseliny katalyzovaná H-bentonitom poskytla produkty s výťažkom až 70% za trojnásobne kratší reakčný čas než refluxná metóda, čo je pozoruhodné. Záverečný krok acetalizácie s n-pentanalom v prítomnosti H-bentonitu s využitím ultrazvuku poskytol tri dioxolánové deriváty odvodené od pentanalu s výťažkami 69–85%, ktoré sú vyššie než pri konvenčnej metóde. Refluxná metóda si vyžadovala dlhší reakčný čas než sonochemická metóda, keďže ultrazvuková syntéza si vyžadovala iba 10–30min. Okrem výrazne kratšieho reakčného času pri sonikácii sa sonochemickou metódou dosiahol aj pozoruhodný výťažok každého esteru.
Výskumník tiež vypočítal, že energetické nároky sonochemickej reakcie sú približne 62-krát nižšie než pri konvenčnej metóde. To znižuje náklady a je šetrné k životnému prostrediu.
Skúmanie fyzikálno-chemických vlastností každého produktu ukázalo, že metyl-8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolán-4-yl)oktanoát je potenciálnym novým biomazivom s funkčnými vlastnosťami umožňujúcimi nahradiť bežné mazivá. (porov. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikácia esterov pentaerytritolu pomocou ultrazvuku

Estery pentaerytritolu možno získať z rastlinných olejov, ako sú slnečnicový, ľanový a jatrofový olej. Hashemov výskumný tím demonštroval syntézu mazív na biologickej báze prostredníctvom po sebe nasledujúcich bázicky katalyzovaných transesterifikácií zahŕňajúcich dva transesterifikačné kroky. Uskutočniteľnosť syntézy preukázali s použitím slnečnicového, ľanového a jatrofového oleja. V prvom kroku sa oleje premenili na zodpovedajúce metylestery. V druhom procese sa metylestery pôsobením pentaerytritolu premenili na estery pentaerytritolu, ako je znázornené v nasledujúcej schéme: (porov. Hashem et al., 2013)

Po transesterifikácii rastlinného oleja na metylester sa metylestery pôsobením pentaerytritolu premieňajú na estery pentaerytritolu, ako je znázornené v schéme vyššie.
(porov. Hashem et al., 2013)

Účinky ultrazvuku, ktoré výrazne podporujú transesterifikačnú reakciu, sú vedecky preukázané a už desaťročia sa využívajú v priemysle. Najvýznamnejším príkladom transesterifikácie zlepšenej ultrazvukom je premena olejov a tukov na metylestery mastných kyselín (FAME), známe ako bionafta.
Prečítajte si viac o ultrazvukom podporovanej transesterifikácii (odpadových) olejov a tukov na bionaftu!

Ultrazvukové sondy a reaktory na transesterifikáciu a ďalšie chemické syntézy

Hielscher Ultrasonics je vaším špecialistom na sofistikované vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre sonochemické reakcie. Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia a príslušenstvo, ako sú sondy (sonotródy), reaktory a prietokové cely všetkých veľkostí, a dodáva ich chemickým laboratóriám aj priemyselným chemickým výrobným prevádzkam. Od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení až po priemyselné ultrazvukové sondy a reaktory – Hielscher má ideálny ultrazvukový systém pre váš proces. Vďaka dlhoročným skúsenostiam s aplikáciami, ako sú sonokatalýza a sonosyntéza, vám naši dôkladne vyškolení pracovníci odporučia najvhodnejšiu zostavu podľa vašich požiadaviek.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové systémy s veľmi vysokou odolnosťou, ktoré dokážu vytvárať intenzívne ultrazvukové vlny, pretože všetky priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7). Odolné ultrazvukové systémy nevyžadujú takmer žiadnu údržbu a sú skonštruované na trvalú prevádzku. Vďaka tomu sú ultrazvukové zariadenia Hielscher spoľahlivé pri aplikáciách s vysokým zaťažením v náročných podmienkach. K dispozícii sú aj špeciálne sonotródy pre vysoké teploty alebo veľmi agresívne chemické prostredie.
Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku: Všetky zariadenia sa navrhujú a vyrábajú v našom sídle v Nemecku. Pred dodaním zákazníkovi sa každé ultrazvukové zariadenie dôkladne testuje pri plnom zaťažení. Usilujeme sa o spokojnosť zákazníkov a naša výroba je organizovaná tak, aby spĺňala najvyššie požiadavky na zabezpečovanie kvality (napr. certifikácia ISO).

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad približnej spracovateľskej kapacity našich ultrazvukových zariadení: