Sinteza poliolov z ultrazvočno transesterifikacijo

Polioli so sintetični estri, proizvedeni predvsem s transesterifikacijo trigliceridov iz rastlinskih olj ali živalskih maščob. Ti polioli so surovina za proizvodnjo poliuretanov, biomaziv in drugih cemikalov. Ultrasonication se uporablja za povečanje reakcij transesterifikacije z uporabo intenzivnih strižnih sil in toplotne energije. Ultrazvok in njegovi sonokemični učinki zagotavljajo reakcijsko energijo in pomagajo premagati omejitve prenosa mase. S tem ultrazvočno razbijanje bistveno izboljša hitrost transesterifikacije, donos in splošno učinkovitost.

Transesterifikacija z ultrazvokom

Reakcije transesterifikacije so ena najpomembnejših poti sinteze in se pogosto uporabljajo kot učinkovita tehnika za pretvorbo rastlinskih olj v nadomestke naftnih derivatov. Sono-sinteza (tudi sonokemična sinteza, ki je kemična sinteza, ki jo spodbuja visoko zmogljiv ultrazvok) je dobro znana po svojih blagodejnih učinkih na transesterifikacijo in druge kemične procese.

Trajnostna sinteza poliolov iz rastlinskih olj z uporabo ultrazvoka

Rastlinske maščobne kisline, tj. rastlinska olja, so široko dostopna in obnovljiva surovina in se lahko uporabljajo za pripravo poliolov in poliuretanov na biološki osnovi. Uporaba močnega ultrazvoka ustvarja ugodne sonokemične učinke, ki bistveno pospešijo katalitično reakcijo transesterifikacije. Poleg tega ultrazvočna obdelava poveča donos sintetiziranih poliolov, saj intenzivna energija mešanja akustične kavitacije premaga omejitev prenosa mase. Znano je, da ultrazvočne reakcije transesterifikacije učinkovito potekajo z nižjim alkoholom in katalizatorjem kot običajne reakcije transesterifikacije. To vodi do izboljšane splošne učinkovitosti z ultrazvokom.

Ultrazvočna sinteza biomaziva na osnovi pentaeritritolnega estra

Ester pentaeritritola se lahko učinkovito sintetizira iz oljne ogrščice z dvostopenjskim sonokemičnim postopkom, kot je pokazala raziskovalna skupina Arumugam. V svoji optimizacijski študiji so raziskovalci uporabili Hielscher ultrasonicator UP400St (glej sliko levo). V prvi sonokemično spodbujani transesterifikaciji repično olje reagira z metanolom v metil ester. V drugem koraku transesterifikacije metil ester reagira s ksilenom in katalizatorjem na ester pentaeritritol. Raziskovalec se je osredotočil na optimizacijo ultrazvočnih procesnih parametrov, da bi povečal donos in splošno učinkovitost sinteze pentaeritritolnega estra pod ultrazvokom. Izboljšan donos 81,4% pentaeritritolnega estra je bil dosežen z ultrazvočnim impulzom 15 s, ultrazvočno amplitudo 60%, koncentracijo katalizatorja 1,5 mas. % in reakcijsko temperaturo 100 °C. Za nadzor kakovosti so sonokemično sintetizirani pentaeritritolni ester primerjali s sintetičnim kompresorskim oljem. Skratka, študija kaže, da je ultrazvočno promoviran zaporedni proces transesterifikacije učinkovita metoda za nadomestitev konvencionalnega zaporednega procesa transesterifikacije za sintezo biomaziva na osnovi pentaeritritolnega estra. Glavne prednosti ultrazvočnega transesterifikacijskega procesa so povečani izkoristki pentaeritritolnega estra, skrajšan reakcijski čas in bistveno nižje reakcijske temperature. (prim. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvočno intenzivirana dvostopenjska transesterifikacija oljne ogrščice v ester pentaeritritol.
(prilagojeno po Arumugam et al., 2019)

Acetalni estri, pridobljeni iz pentanala, z ultrazvočno sintezo

Raziskovalna skupina Kurniawana je sintetizirala tri acetalne estre, pridobljene iz pentanala, s sonokemično metodo z uporabo načel zelene kemije. Sonication je bil uporabljen za spodbujanje dveh kemičnih korakov:

1. Esterifikacija 9,10-dihidroksioktadekanske kisline
2. Acetalizacija alkil 9,10-dihidroksioktadekanoata

Za proizvodnjo estrov alkil 9,10-dihidroksistearata sta potrebna dva koraka in doseženi so bili izkoristki 67-85%. Za oceno učinkovitosti so sonokemično metodo primerjali s konvencionalno refluksno tehniko. Poleg tega so bili za določanje vpliva in učinkovitosti različnih katalizatorjev uporabljeni homogeni in trdni kislinski katalizatorji, in sicer žveplova kislina (H2SO4), naravni bentonit in H-bentonit. Ugotovljeno je bilo, da je sonokemična esterifikacija kisline, katalizirana s H-bentonitom, dala produktom do 70% donosa v 3-krat krajšem reakcijskem času kot refluksna metoda, kar je izjemno. Končni korak acetalizacije z n-pentanalom v prisotnosti H-bentonita z uporabo ultrasonication je zagotovil tri pentanalne derivate dioksolana v 69–85% donosih, ki so višji od konvencionalne metode. Metoda refluksa je zahtevala daljši reakcijski čas kot sonokemična metoda, saj je ultrazvočna sinteza zahtevala le 10-30 minut. Poleg bistveno krajšega reakcijskega časa pri ultrazvočnem razbijanju je bil s sonokemično metodo pridobljen izjemen donos vsakega estra.
Raziskovalec je tudi izračunal, da so energetske potrebe sonokemične reakcije približno 62-krat nižje kot pri konvencionalni metodi. To zmanjšuje stroške in je okolju prijazno.
Preučitev fizikalno-kemijskih lastnosti vsakega izdelka je pokazala, da je metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencialno novo biomazivo s funkcijami za nadomestitev običajnih maziv. (prim. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikacija pentaeritiralnih estrov z uporabo ultrazvoka

Pentaeritiril estri lahko dobimo iz rastlinskih olj, kot so sončnično, laneno seme in jatrofno olje. Raziskovalna skupina Hashem je pokazala sintezo maziv na biološki osnovi z zaporednimi bazno kataliziranimi transesterifikacijami, ki vključujejo dva koraka transesterifikacije. Dokazali so izvedljivost sinteze z uporabo sončničničnega, lanenega in jatrofnega olja. V prvem koraku so bila olja pretvorjena v ustrezne metil estre. V drugem postopku so bili metilni estri pretvorjeni v pentaeritirilne estri z delovanjem pentaeritritola kot je prikazano v naslednji shemi: (prim. Hashem et al., 2013)

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

Učinki ultrasonication, ki znatno povečujejo reakcijo na transesterifikacijo, so znanstveno dokazani in že desetletja industrijsko sprejeti. Najpomembnejši primer ultrazvočno izboljšane tranesterifikacije je pretvorba olj in maščob v metil ester maščobnih kislin (FAME), znan kot biodizel.
Preberite več o ultrazvočno podprti transesterifikaciji (odpadnih) olj in maščob v biodizel!

Ultrazvočne sonde in reaktorji za transesterifikacijo in druge kemične sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš specialist, ko gre za sofisticirane visoko zmogljive ultrazvočne aparate za sonokemične reakcije. Hielscher načrtuje, proizvaja in distribuira ultrazvočne aparate in dodatke z visoko močjo, kot so sonde (sonotrode), reaktorji in pretočne celice vseh velikosti, ter dobavlja kemične laboratorije in obrate za kemično proizvodnjo v industrijskem obsegu. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev, Hielscher ima idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Z dolgoletnimi izkušnjami v aplikacijah, kot sta sono-kataliza in sono-sinteza, vam bo naše dobro usposobljeno osebje priporočilo najprimernejšo nastavitev za vaše zahteve.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne sisteme z zelo visoko robustnostjo in sposobnimi za zagotavljanje intenzivnih ultrazvočnih valov, saj lahko vsi Hielscher industrijski ultrazvočni aparati zagotavljajo zelo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7). Robustni ultrazvočni sistemi ne zahtevajo skoraj nobenega vzdrževanja in so zgrajeni za delovanje. Zaradi tega je Hielscher ultrazvočna oprema zanesljiva za težke aplikacije v zahtevnih pogojih. Na voljo so tudi posebne sonotrode za visokotemperaturne ali zelo ostre kemikalije.
Najvišja kakovost – Zasnovano in izdelano v Nemčiji: Vsa oprema je zasnovana in izdelana na našem sedežu v Nemčiji. Pred dostavo kupcu je vsaka ultrazvočna naprava skrbno preizkušena pri polni obremenitvi. Prizadevamo si za zadovoljstvo strank in naša proizvodnja je strukturirana tako, da izpolnjuje najvišje zagotavljanje kakovosti (npr. ISO certifikat).

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: