Sinteza poliolov z ultrazvočno transesterifikacijo

Polioli so sintetični estri, ki se proizvajajo predvsem s transesterifikacijo trigliceridov iz rastlinskih olj ali živalskih maščob. Ti polioli so surovina za proizvodnjo poliuretanov, biomaziv in drugih kemikalij. Ultrazvočna obdelava se uporablja za izboljšanje reakcij transesterifikacije z delovanjem intenzivnih strižnih sil in toplotne energije. Ultrazvok in njegovi sonokemični učinki zagotavljajo reakcijsko energijo in pomagajo premagovati omejitve prenosa snovi. Tako sonikacija znatno izboljša hitrost transesterifikacije, izkoristek in skupno učinkovitost.

Transesterifikacija s pomočjo ultrazvoka

Reakcije transesterifikacije so ena najpomembnejših sinteznih poti in se pogosto uporabljajo kot učinkovita tehnika za pretvorbo rastlinskih olj v nadomestke naftnih proizvodov. Sonosinteza (tudi sonokemična sinteza, ki je kemijska sinteza, pospešena z visokozmogljivim ultrazvokom) je dobro znana po svojih koristnih učinkih na transesterifikacijo in druge kemijske procese.

Trajnostna sinteza poliolov iz rastlinskih olj z uporabo ultrazvoka

Maščobne kisline rastlinskega izvora, tj. rastlinska olja, so široko dostopna in obnovljiva surovina ter se lahko uporabljajo za pripravo poliolov in poliuretanov na biološki osnovi. Uporaba močnostnega ultrazvoka ustvarja ugodne sonokemične učinke, ki znatno pospešijo katalitsko reakcijo transesterifikacije. Poleg tega sonikacija poveča izkoristek sintetiziranih poliolov, saj intenzivna mešalna energija akustične kavitacije premaguje omejitve prenosa snovi. Znano je, da ultrazvočne reakcije transesterifikacije potekajo učinkovito z manjšimi količinami alkohola in katalizatorja kot običajne reakcije transesterifikacije. To z ultrazvočno obdelavo izboljša skupno učinkovitost.

Ultrazvočna sinteza biomaziva na osnovi estra pentaeritritola

Ester pentaeritritola je mogoče učinkovito sintetizirati iz olja oljne ogrščice z dvostopenjskim sonokemičnim procesom, kot je pokazala raziskovalna skupina Arumugama. V svoji optimizacijski študiji so raziskovalci uporabili ultrazvočno napravo Hielscher UP400St (glejte sliko levo). Pri prvi sonokemično pospešeni transesterifikaciji olje oljne ogrščice reagira z metanolom in tvori metilni ester. V drugi stopnji transesterifikacije metilni ester reagira s ksilenom in katalizatorjem ter tvori ester pentaeritritola. Raziskovalec se je osredotočil na optimizacijo parametrov ultrazvočnega procesa, da bi povečal izkoristek in skupno učinkovitost sinteze estra pentaeritritola z ultrazvokom. Izboljšan izkoristek estra pentaeritritola, ki je znašal 81,4%, je bil dosežen z ultrazvočnim impulzom 15 s, ultrazvočno amplitudo 60%, koncentracijo katalizatorja 1,5 wt% in reakcijsko temperaturo 100°C. Za nadzor kakovosti so sonokemično sintetizirani ester pentaeritritola primerjali s sintetičnim kompresorskim oljem. Študija v zaključku nakazuje, da je zaporedna transesterifikacija, pospešena z ultrazvokom, učinkovita metoda za nadomestitev običajne zaporedne transesterifikacije pri sintezi biomaziva na osnovi estra pentaeritritola. Glavne prednosti procesa ultrazvočne transesterifikacije so večji izkoristki estra pentaeritritola, krajši reakcijski čas in znatno nižje reakcijske temperature. (prim. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvočno intenzivirana dvostopenjska transesterifikacija olja oljne ogrščice v ester pentaeritritola.
(prirejeno po Arumugam et al., 2019)

Acetalni estri, pridobljeni iz pentanala z ultrazvočno sintezo

Raziskovalna skupina Kurniawana je s sonokemično metodo ob uporabi načel zelene kemije sintetizirala tri acetalne estre, pridobljene iz pentanala. Sonikacija je bila uporabljena za pospešitev dveh kemijskih stopenj:

1. Esterifikacija kisline 9,10-dihydroxyoctadecanoic acid
2. Acetalizacija spojine alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Za proizvodnjo estrov spojine alkyl 9,10- dihydroxystearate sta potrebni dve stopnji, pri čemer so bili doseženi izkoristki 67–85%. Za oceno učinkovitosti so sonokemično metodo primerjali z običajno refluksno tehniko. Poleg tega so za določitev vpliva in učinkovitosti različnih katalizatorjev uporabili homogene in trdne kislinske katalizatorje, in sicer žveplovo kislino (H2SO4), naravni bentonit in H-bentonit. Ugotovili so, da je sonokemična esterifikacija kisline, katalizirana s H-bentonitom, dala produkte z izkoristkom do 70% v 3-krat krajšem reakcijskem času kot refluksna metoda, kar je izjemno. Končna stopnja acetalizacije z n-pentanalom v prisotnosti H-bentonita ob uporabi ultrazvočne obdelave je dala tri derivate dioksolana, pridobljene iz pentanala, z izkoristki 69–85%, ki so višji kot pri običajni metodi. Refluksna metoda je zahtevala daljši reakcijski čas kot sonokemična metoda, saj je ultrazvočna sinteza zahtevala le 10–30min. Poleg znatno krajšega reakcijskega časa pri sonikaciji je bil s sonokemično metodo dosežen izjemen izkoristek vsakega estra.
Raziskovalec je tudi izračunal, da so energijske potrebe sonokemične reakcije približno 62-krat manjše kot pri običajni metodi. To zmanjšuje stroške in je okolju prijazno.
Preučitev fizikalno-kemijskih lastnosti vsakega produkta je pokazala, da je methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate potencialno novo biomazivo z lastnostmi za nadomestitev običajnih maziv. (prim. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikacija pentaeritrilnih estrov z uporabo ultrazvoka

Pentaeritrilne estre je mogoče pridobiti iz rastlinskih olj, kot so sončnično olje, laneno olje in olje jatrofe. Raziskovalna skupina Hashema je prikazala sintezo maziv na biološki osnovi z zaporednima bazno kataliziranima transesterifikacijama, ki vključujeta dve stopnji transesterifikacije. Dokazali so izvedljivost sinteze z uporabo sončničnega olja, lanenega olja in olja jatrofe. V prvi stopnji so olja pretvorili v ustrezne metilne estre. V drugem procesu so metilne estre z delovanjem pentaeritritola pretvorili v pentaeritrilne estre, kot je prikazano v naslednji shemi: (prim. Hashem et al., 2013)

Po transesterifikaciji rastlinskega olja v metilni ester se metilni estri z delovanjem pentaeritritola pretvorijo v pentaeritrilne estre, kot je prikazano v zgornji shemi.
(prim. Hashem et al., 2013)

Učinki ultrazvočne obdelave, ki znatno izboljšajo reakcijo transesterifikacije, so znanstveno dokazani in se že desetletja uporabljajo v industriji. Najvidnejši primer ultrazvočno izboljšane transesterifikacije je pretvorba olj in maščob v metilni ester maščobnih kislin (FAME), znan kot biodizel.
Preberite več o transesterifikaciji (odpadnih) olj in maščob v biodizel s pomočjo ultrazvoka!

Ultrazvočne sonde in reaktorji za transesterifikacijo in druge kemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš specialist za izpopolnjene visokozmogljive ultrazvočne naprave za sonokemične reakcije. Hielscher načrtuje, izdeluje in distribuira ultrazvočne naprave visoke moči ter dodatno opremo, kot so sonde (sonotrode), reaktorji in pretočne celice vseh velikosti, ter oskrbuje kemijske laboratorije in obrate za kemijsko proizvodnjo v industrijskem merilu. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev ima Hielscher idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Naše dobro usposobljeno osebje vam bo na podlagi dolgoletnih izkušenj z uporabami, kot sta sonokataliza in sonosinteza, priporočilo najprimernejšo konfiguracijo za vaše zahteve.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne sisteme, ki so zelo robustni in lahko ustvarjajo intenzivne ultrazvočne valove, saj lahko vse industrijske ultrazvočne naprave Hielscher zagotavljajo zelo visoke amplitude pri neprekinjenem delovanju (24/7). Robustni ultrazvočni sistemi ne potrebujejo skoraj nobenega vzdrževanja in so izdelani za zanesljivo delovanje. Zato je ultrazvočna oprema Hielscher zanesljiva za zahtevne uporabe v težkih pogojih. Na voljo so tudi posebne sonotrode za visoke temperature ali zelo agresivna kemijska okolja.
Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji: Vsa oprema je zasnovana in izdelana na našem sedežu v Nemčiji. Pred dobavo stranki je vsaka ultrazvočna naprava skrbno preizkušena pri polni obremenitvi. Prizadevamo si za zadovoljstvo strank, naša proizvodnja pa je organizirana tako, da izpolnjuje najvišje zahteve zagotavljanja kakovosti (npr. certificiranje ISO).

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: