Syntéza polyolu prostredníctvom ultrazvukovej transesterifikácie

Polyoly sú syntetické estery produkované hlavne transesterifikáciou triglyceridov z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov. Tieto polyoly sú surovinou na výrobu polyuretánov, biolubrikánov a iných cemikálií. Ultrazvukom sa používa na zvýšenie transesterifikačných reakcií použitím intenzívnych šmykových síl a tepelnej energie. Ultrazvuk a jeho sonochemické účinky dodávajú reakčnú energiu a pomáhajú prekonať obmedzenia prenosu hmoty. Týmto ultrazvukom výrazne zlepšuje transesterifikačnú rýchlosť, výnos a celkovú účinnosť.

Ultrazvukom asistovaná transesterifikácia

Transesterifikačné reakcie sú jednou z najdôležitejších syntéznych ciest a sú široko používané ako účinná technika na premenu rastlinných olejov na náhrady ropných produktov. Sono-syntéza (tiež sonochemická syntéza, čo je chemická syntéza podporovaná vysoko výkonným ultrazvukom), je dobre známa svojimi priaznivými účinkami na transesterifikáciu, ako aj na iné chemické procesy.

Udržateľná syntéza polyolu z rastlinných olejov pomocou ultrazvuku

Rastlinné mastné kyseliny, t. j. rastlinné oleje, sú široko dostupnou a obnoviteľnou surovinou a môžu sa použiť na prípravu biopodložených polyolov a polyuretánov. Aplikácia výkonového ultrazvuku vytvára priaznivé sonochemické účinky, ktoré výrazne urýchľujú katalytickú reakciu transesterifikácie. Okrem toho ultrazvukom zvyšuje výťažnosť syntetizovaných polyolov, pretože intenzívna energia miešania akustickej kavitácie prekonáva obmedzenie prenosu hmotnosti. Ultrazvukové transesterifikačné reakcie sú dobre známe, že bežia efektívne s nižším obsahom alkoholu a katalyzátora ako konvenčné transesterifikačné reakcie. To vedie k zlepšeniu celkovej účinnosti ultrazvukom.

Ultrazvuková syntéza biolubrikantu na báze pentaerytritolového esteru

Pentaerytritol ester môže byť účinne syntetizovaný z repkového oleja prostredníctvom dvojstupňového sonochemického procesu, ako to preukázal výskumný tím spoločnosti Arumugam. Vo svojej optimalizačnej štúdii výskumníci použili Hielscher ultrasonicator UP400St (pozri obrázok vľavo). Pri prvej sonochemicky podporovanej transesterifikácii repkový olej reaguje metanolom na metyl ester. V druhom transesterifikačnom kroku metyl ester reaguje s xylénom a katalyzátorom na pentaerytritol ester. Výskumník sa zameral na optimalizáciu parametrov ultrazvukového procesu s cieľom zvýšiť výnos a celkovú účinnosť syntézy pentaerytritol esteru pod ultrazvukom. Zlepšený výnos 81,4% esteru pentaerytritolu bol dosiahnutý ultrazvukovým pulzom 15 s, ultrazvukovou amplitúdou 60%, koncentráciou katalyzátora 1,5 wt%a reakčnou teplotou 100 ° C. Pre kontrolu kvality bol sonochemicky syntetizovaný ester pentaerytritolu porovnaný so syntetickým kompresorovým olejom. Na záver štúdia naznačuje, že ultrazvukom podporovaný postupný transesterifikačný proces je účinnou metódou na nahradenie konvenčného postupného transesterifikačného procesu syntézy biolubricantu na báze pentaerytritolového esteru. Hlavnými výhodami ultrazvukového transesterifikačného procesu sú zvýšené výnosy esteru pentaerytritolu, skrátený reakčný čas a výrazne nižšie reakčné teploty. (porov. Arumugam a kol., 2019)

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

Pentanal-odvodené acetal estery prostredníctvom ultrazvukovej syntézy

Výskumný tím Kurniawan syntetizoval tri acetal estery odvodené z pentanálu pomocou sonochemickej metódy využívajúcej princípy zelenej chémie. Ultrazvukom bol použitý na podporu dvoch chemických krokov:

1. Esterifikácia kyseliny 9,10-dihydroxyoktadecanoovej
2. Acetalyzácia alkylu 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Na výrobu esterov alkylu 9,10- dihydroxystearátu sú potrebné dva kroky a dosiahli sa výnosy 67-85%. Na hodnotenie účinnosti bola sonochemická metóda porovnaná s konvenčnou technikou refluxu. Okrem toho sa na určenie vplyvu a účinnosti rôznych katalyzátorov používali homogénne katalyzátory s pevnými kyselinami, konkrétne kyselina sírová (H2SO4), prírodný bentonit a H-bentonit. Zistilo sa, že sonochemická esterifikácia kyseliny katalyzovanej H-bentonitom podávala produkty až v 70% výnose v 3-krát kratšom reakčnom čase ako refluxná metóda, čo je pozoruhodné. Posledný krok acetalizácie s n-pentanalom v prítomnosti H-bentonitu pomocou ultrazvukom poskytol tri deriváty dioxolénu odvodené z pentanalu v 69-85% výnosoch, ktoré sú vyššie ako konvenčná metóda. Refluxná metóda vyžadovala dlhší reakčný čas ako sonochemická metóda, pretože ultrazvuková syntéza vyžadovala iba 10-30min. Okrem toho k výrazne kratšiemu reakčnému času pri ultrazvukom bol získaný pozoruhodný výnos každého esteru pomocou sonochemickej metódy.
Výskumník tiež vypočítal, že energetické požiadavky sonochemickej reakcie sú približne 62-krát nižšie ako u konvenčnej metódy. To znižuje náklady a je šetrné k životnému prostrediu.
Preskúmanie fyzikálno-chemických vlastností každého výrobku odhalilo, že metyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktantan je potenciálny nový biolubricant s funkciami na nahradenie bežných mazív. (porov. Kurniawan a kol., 2021)

Transesterifikácia pentaerytrýlových esterov pomocou ultrazvuku

Pentaerythryl estery možno získať z rastlinných olejov, ako je slnečnicový, ľanový a jatrophový olej. Výskumný tím spoločnosti Hashem demonštroval syntézu biozaložených mazív prostredníctvom postupných transesterifikácií katalyzovaných základmi, 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 boli metylestery premenené na pentaerytryl estery pôsobením pentaerytritolu, ako je znázornené v nasledujúcej schéme: (porov. Hašem a kol., 2013)

Po transesterifikácii rastlinného oleja na metyl ester sa metylestery premenia na pentaerytrél estery pôsobením pentaerytritolu, ako je znázornené vo vyššie uvedenej schéme.
(porov. Hašem a kol., 2013)

Významné účinky ultrazvukom na transesterifikáciu zvyšujúce reakciu sú vedecky dokázané a už od desaťročí priemyselne prijaté. Najvýznamnejším príkladom ultrazvukom zlepšenej tranesterifikácie je premena olejov a tukov na metylester mastných kyselín (FAME), známy ako bionafta.
Prečítajte si viac o ultrazvukom asistovanej transesterifikácii (odpadových) olejov a tukov do bionafty!

Ultrazvukové sondy a reaktory pre transesterifikáciu a iné chemické syntézy

Hielscher Ultrasonics je váš špecialista, pokiaľ ide o sofistikované vysoko výkonné ultrasonicators pre sonochemické reakcie. Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrasonicators a príslušenstvo, ako sú sondy (sonotródy), reaktory a prietokové články v akejkoľvek veľkosti a dodáva chemické laboratóriá, ako aj chemické výrobné zariadenia v priemyselnom meradle. Od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení až po priemyselné ultrazvukové sondy a reaktory, Hielscher má ideálny ultrazvukový systém pre váš proces. S dlhoročnými skúsenosťami v aplikáciách, ako je sono-katalýza a sono-syntéza, vám náš dobre vyškolený personál odporučí najvhodnejšie nastavenie pre vaše požiadavky.
Hielscher Ultrazvukom vyrába vysoko výkonné ultrazvukové systémy s veľmi vysokou robustnosťou a schopný dodávať intenzívne ultrazvukové vlny, pretože všetky Hielscher priemyselné ultrasonicators môžu dodať veľmi vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7). Robustné ultrazvukové systémy nevyžadujú takmer žiadnu údržbu a sú postavené na prevádzku. Vďaka tomu je ultrazvukové vybavenie Hielscher spoľahlivé pre náročné aplikácie v náročných podmienkach. K dispozícii sú aj špeciálne sonotródy pre vysokoteplotnú alebo veľmi tvrdú chemikáliu.
Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku: Všetky zariadenia sú navrhnuté a vyrobené v našom sídle v Nemecku. Pred dodaním zákazníkovi je každé ultrazvukové zariadenie starostlivo testované pri plnom zaťažení. Usilujeme sa o spokojnosť zákazníkov a naša výroba je štruktúrovaná tak, aby spĺňala najvyššie zabezpečenie kvality (napr. certifikácia ISO).

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: