Syntéza polyolov prostredníctvom ultrazvukovej transesterifikácie

Polyoly sú syntetické estery vyrábané hlavne transesterifikáciou triglyceridov z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov. Tieto polyoly sú surovinou na výrobu polyuretánov, biomazív a iných kamikálov. Ultrazvuk sa používa na zlepšenie transesterifikačných reakcií pôsobením intenzívnych šmykových síl a tepelnej energie. Ultrazvuk a jeho sonochemické účinky dodávajú reakčnú energiu a pomáhajú prekonať obmedzenia prenosu hmoty. Sonikácia tým výrazne zlepšuje rýchlosť transesterifikácie, výťažok a celkovú účinnosť.

Ultrazvukom asistovaná transesterifikácia

Transesterifikačné reakcie sú jednou z najdôležitejších ciest syntézy a sú široko používané ako účinná technika na premenu rastlinných olejov na náhrady ropných produktov. Sonosyntéza (tiež sonochemická syntéza, čo je chemická syntéza podporovaná vysokovýkonným ultrazvukom) je dobre známa svojimi priaznivými účinkami na transesterifikáciu, ako aj na iné 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. Aplikácia výkonového ultrazvuku vytvára priaznivé sonochemické účinky, ktoré výrazne urýchľujú katalytickú reakciu transesterifikácie. Okrem toho sonikácia zvyšuje výťažok syntetizovaných polyolov, pretože intenzívna zmiešavacia energia akustickej kavitácie prekonáva obmedzenia prenosu hmoty. Je dobre známe, že ultrazvukové transesterifikačné reakcie prebiehajú efektívne s nižším obsahom alkoholu a katalyzátora ako konvenčné transesterifikačné reakcie. To vedie k zlepšeniu celkovej účinnosti ultrazvukom.

Ultrazvuková syntéza biomaziva na báze pentaerytritolového esteru

Ester pentaerytritolu je možné efektívne syntetizovať z repkového oleja pomocou dvojstupňového sonochemického procesu, ako demonštroval výskumný tím spoločnosti Arumugam. Vo svojej optimalizačnej štúdii vedci použili Hielscherov ultrazvuk UP400St (pozri obrázok vľavo). Pri prvej sonochemicky podporovanej transesterifikácii repkový olej reaguje s metanolom na metylester. V druhom kroku transesterifikácie metylester reaguje s xylénom a katalyzátorom na ester pentaerytritolu. Výskumník sa zameral na optimalizáciu parametrov ultrazvukového procesu s cieľom zvýšiť výťažok a celkovú účinnosť syntézy esterov pentaerytritolu pod ultrazvukom. Zlepšený výťažok 81,4 % esteru pentaerytritolu sa dosiahol ultrazvukovým impulzom 15 s, ultrazvukovou amplitúdou 60 %, koncentráciou katalyzátora 1,5 hm. % a reakčnou teplotou 100 °C. Na kontrolu kvality sa sonochemicky syntetizovaný ester pentaerytritolu porovnal so syntetickým kompresorovým olejom. Na záver štúdia naznačuje, že ultrazvukom podporovaný postupný transesterifikačný proces je účinnou metódou na nahradenie konvenčného postupného transesterifikačného procesu na syntézu biolubrikantu na báze pentaerytritolového esteru. Hlavnými výhodami procesu ultrazvukovej transesterifikácie sú zvýšené výťažky esteru pentaerytritolu, skrátený reakčný čas a výrazne nižšie reakčné teploty. (porovnaj Arumugam a kol., 2019)

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

Acetalové estery odvodené z pentanalu prostredníctvom ultrazvukovej syntézy

Výskumný tím Kurniawan syntetizoval tri acetalové estery odvodené z pentanalu sonochemickou metódou využívajúcou princípy zelenej chémie. Sonikácia sa používala na podporu dvoch chemických krokov:

1. Esterifikácia kyseliny 9,10-dihydroxyoktadekánovej
2. Acetalyzácia alkyl9,10-dihydroxyoktadekanoátu

Na výrobu esterov alkylu 9,10-dihydroxystearátu sú potrebné dva kroky a dosiahli sa výťažky 67-85%. Na vyhodnotenie účinnosti bola sonochemická metóda porovnaná s konvenčnou refluxnou technikou. Ďalej 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 katalyzovanej H-bentonitom poskytla produktom až 70% výťažok pri 3-krát kratšom reakčnom čase ako refluxná metóda, čo je pozoruhodné. Posledný krok acetalizácie s n-pentanalom v prítomnosti H-bentonitu pomocou ultrazvuku poskytol tri deriváty dioxolanu odvodené z pentanalu v 69–85% výťažkoch, ktoré sú vyššie ako konvenčná metóda. Refluxná metóda vyžadovala dlhší reakčný čas ako sonochemická metóda, pretože ultrazvuková syntéza vyžadovala iba 10-30 minút. Okrem výrazne kratšieho reakčného času pri sonikácii sa sonochemickou metódou dosiahol pozoruhodný výťažok každého esteru.
Výskumník tiež vypočítal, že energetické požiadavky sonochemickej reakcie sú približne 62-krát nižšie ako pri konvenčnej metóde. To znižuje náklady a je šetrné k životnému prostrediu.
Skúmanie fyzikálno-chemických vlastností každého produktu odhalilo, že metyl8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanát je potenciálne nové biolubrikant s funkciami nahradiť bežné mazivá. (porovnaj Kurniawan a kol., 2021)

Transesterifikácia esterov pentaerythrilu pomocou ultrazvuku

Estery pentaerythrilu možno získať z rastlinných olejov, ako je slnečnicový, ľanový a jatrofový olej. Výskumný tím spoločnosti Hashem demonštroval syntézu mazív na biologickej báze prostredníctvom následných transesterifikácií katalyzovaných bázami, ktoré zahŕňali dva transesterifikačné kroky. Preukázali uskutočniteľnosť syntézy pomocou slnečnicového, ľanového a jatrofového oleja. V prvom kroku sa oleje premenili na zodpovedajúce metylestery. V druhom procese sa metylestery premenili na pentaerytrylové estery pôsobením pentaerytritolu, ako je znázornené v nasledujúcej schéme: (porovnaj Hashem et al., 2013)

Po transesterifikácii rastlinného oleja na metylester sa metylestery premenia na estery pentaerytrylu pôsobením pentaerytritolu, ako je znázornené vo vyššie uvedenej schéme.
(porovnaj Hashem et al., 2013)

Účinky ultrazvuku na transesterifikáciu sú vedecky dokázané a už po desaťročiach priemyselne prijaté. Najvýznamnejším príkladom ultrazvukovo zlepšenej tranesterifikácie je premena olejov a tukov na metylester mastných kyselín (FAME), známy ako bionafta.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej transesterifikácii (odpadových) olejov a tukov na bionaftu!

Ultrazvukové sondy a reaktory na transesterifikáciu a iné chemické syntézy

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je vaším špecialistom, pokiaľ ide o sofistikované vysokovýkonné ultrazvukové prístroje pre sonochemické reakcie. Spoločnosť Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje a príslušenstvo, ako sú sondy (sonotrody), reaktory a prietokové články akejkoľvek veľkosti, a dodáva chemické laboratóriá, ako aj zariadenia na výrobu chemikálií v priemyselnom meradle. Od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení až po priemyselné ultrazvukové sondy a reaktory, spoločnosť Hielscher má ideálny ultrazvukový systém pre váš proces. Vďaka dlhoročným skúsenostiam v aplikáciách, ako je sonokatalýza a sonosyntéza, vám náš dobre vyškolený personál odporučí najvhodnejšie nastavenie pre vaše požiadavky.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové systémy s veľmi vysokou robustnosťou a schopné dodávať intenzívne ultrazvukové vlny, pretože všetky priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24 hodín denne, 7 dní v týždni). Robustné ultrazvukové systémy nevyžadujú takmer žiadnu údržbu a sú skonštruované tak, aby fungovali. Vďaka tomu je ultrazvukové zariadenie Hielscher spoľahlivé pre náročné aplikácie v náročných podmienkach. K dispozícii sú aj špeciálne sonotródy pre vysokoteplotné alebo veľmi agresívne chemikálie.
Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku: Všetky zariadenia sú navrhnuté a vyrobené v našej centrále v Nemecku. Pred dodaním zákazníkovi je každý ultrazvukový prístroj starostlivo testovaný pri plnom zaťažení. Snažíme sa o spokojnosť zákazníkov a naša výroba je štruktúrovaná tak, aby spĺňala najvyššie zabezpečenie kvality (napr. certifikácia ISO).

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: