Синтеза полиола ултразвучном трансестерификацијом

Полиоли су синтетички естри који се производе углавном трансестерификацијом триглицерида из биљних уља или животињских масти. Ови полиоли су сировина за производњу полиуретана, биомазива и других хемикалија. Ултразвучна обрада се користи за поспешивање реакција трансестерификације применом интензивних сила смицања и топлотне енергије. Ултразвук и његови сонохемијски ефекти обезбеђују енергију за реакцију и помажу у превазилажењу ограничења преноса масе. Тиме ултразвучна обрада значајно побољшава брзину трансестерификације, принос и укупну ефикасност.

Трансестерификација потпомогнута ултразвуком

Реакције трансестерификације представљају један од најважнијих путева синтезе и широко се примењују као ефикасна техника за претварање биљних уља у замене за нафтне производе. Соносинтеза (такође сонохемијска синтеза, односно хемијска синтеза поспешена ултразвуком високих перформанси) добро је позната по својим повољним ефектима на трансестерификацију, као и на друге хемијске процесе.

Одржива синтеза полиола из биљних уља помоћу ултразвука

Масне киселине биљног порекла, тј. биљна уља, широко су доступна и обновљива сировина и могу се користити за добијање полиола и полиуретана на биолошкој основи. Примена ултразвука велике снаге ствара повољне сонохемијске ефекте који значајно убрзавају каталитичку реакцију трансестерификације. Поред тога, ултразвучна обрада повећава принос синтетисаних полиола јер интензивна енергија мешања услед акустичке кавитације превазилази ограничење преноса масе. Добро је познато да се реакције ултразвучне трансестерификације ефикасно одвијају уз мање количине алкохола и катализатора него конвенционалне реакције трансестерификације. То доводи до побољшања укупне ефикасности применом ултразвучне обраде.

Ултразвучна синтеза биомазива на бази естра пентаеритритола

Естар пентаеритритола може се ефикасно синтетисати из уља уљане репице двостепеним сонохемијским поступком, као што је показао истраживачки тим Арумугама. У својој студији оптимизације истраживачи су користили ултразвучни уређај Hielscher UP400St (видети слику лево). У првој, сонохемијски поспешеној трансестерификацији, уље уљане репице реагује са метанолом, при чему настаје метил-естар. У другом кораку трансестерификације метил-естар реагује са ксиленом и катализатором, при чему настаје естар пентаеритритола. Истраживач се усредсредио на оптимизацију параметара ултразвучног процеса како би повећао принос и укупну ефикасност синтезе естра пентаеритритола под дејством ултразвука. Побољшани принос естра пентаеритритола од 81,4% постигнут је уз ултразвучни импулс од 15 s, ултразвучну амплитуду од 60%, концентрацију катализатора од 1,5 wt% и температуру реакције од 100°C. Ради контроле квалитета, сонохемијски синтетисани естар пентаеритритола упоређен је са синтетичким компресорским уљем. У закључку, студија указује на то да је поступак узастопне трансестерификације поспешен ултразвуком ефикасна метода за замену конвенционалног поступка узастопне трансестерификације при синтези биомазива на бази естра пентаеритритола. Главне предности поступка ултразвучне трансестерификације су повећани приноси естра пентаеритритола, скраћено време реакције и значајно ниже температуре реакције. (уп. Arumugam et al., 2019)

Двостепена трансестерификација уља уљане репице у естар пентаеритритола, интензивирана ултразвуком.
(прилагођено према Arumugam et al., 2019)

Ацетални естри добијени из пентанала ултразвучном синтезом

Истраживачки тим Kurniawan синтетисао је три ацетална естра изведена из пентанала сонохемијском методом, примењујући принципе зелене хемије. Соникација је коришћена за поспешивање два хемијска корака:

1. Естерификација 9,10-дихидроксиоктадеканске киселине
2. Ацетализација алкил-9,10-дихидроксиоктадеканоата

За производњу естара алкил-9,10-дихидроксистеарата потребна су два корака, а остварени су приноси од 67–85%. Ради процене ефикасности, сонохемијска метода упоређена је са конвенционалном техником рефлукса. Поред тога, коришћени су хомогени и чврсти киселински катализатори, и то сумпорна киселина (H2SO4), природни бентонит и H-бентонит, како би се утврдили утицај и ефикасност различитих катализатора. Утврђено је да су сонохемијском естерификацијом киселине, катализованом H-бентонитом, добијени производи са приносом до 70% за 3 пута краће време реакције него методом рефлукса, што је изузетно. У завршном кораку ацетализације са n-пентаналом у присуству H-бентонита, уз примену ултразвука, добијена су три деривата диоксолана изведена из пентанала са приносима од 69–85%, који су виши него код конвенционалне методе. Метода рефлукса захтевала је дуже време реакције од сонохемијске методе, пошто је ултразвучна синтеза захтевала само 10–30min. Поред знатно краћег времена реакције при соникацији, сонохемијском методом остварен је и изузетан принос сваког естра.
Истраживач је такође израчунао да су енергетске потребе сонохемијске реакције приближно 62 пута мање него код конвенционалне методе. Тиме се смањују трошкови и чува животна средина.
Испитивање физичко-хемијских својстава сваког производа показало је да је метил-8-(2-бутил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)октаноат потенцијално ново биомазиво са функционалним својствима која омогућавају замену уобичајених мазива. (уп. Kurniawan et al., 2021)

Трансестерификација естара пентаеритритола помоћу ултразвука

Естри пентаеритритола могу се добити из биљних уља као што су сунцокретово, ланено и уље јатрофе. Истраживачки тим Hashem приказао је синтезу мазива на биолошкој основи узастопним базно катализованим трансестерификацијама које обухватају два корака трансестерификације. Показали су изводљивост синтезе коришћењем сунцокретовог, ланеног и уља јатрофе. У првом кораку, уља су преведена у одговарајуће метил-естре. У другом процесу, метил-естри су преведени у естре пентаеритритола деловањем пентаеритритола, као што је приказано у следећој шеми: (уп. Hashem et al., 2013)

Након трансестерификације биљног уља у метил-естар, метил-естри се преводе у естре пентаеритритола деловањем пентаеритритола, као што је приказано у горњој шеми.
(уп. Hashem et al., 2013)

Ефекти ултразвучне обраде који знатно поспешују реакцију трансестерификације научно су доказани и већ деценијама се примењују у индустрији. Најистакнутији пример трансестерификације побољшане ултразвуком јесте претварање уља и масти у метил-естар масних киселина (FAME), познат као биодизел.
Прочитајте више о трансестерификацији (отпадних) уља и масти у биодизел уз помоћ ултразвука!

Ултразвучне сонде и реактори за трансестерификацију и друге хемијске синтезе

Hielscher Ultrasonics је ваш специјалиста за напредне ултразвучне уређаје високих перформанси за сонохемијске реакције. Hielscher пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне уређаје велике снаге и додатну опрему, као што су сонде (сонотроде), реактори и проточне ћелије свих величина, и снабдева хемијске лабораторије, као и постројења за хемијску производњу у индустријским размерама. Од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских ултразвучних сонди и реактора, Hielscher има идеалан ултразвучни систем за ваш процес. Захваљујући дугогодишњем искуству у применама као што су сонокатализа и соносинтеза, наше добро обучено особље препоручиће вам конфигурацију која најбоље одговара вашим захтевима.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне системе високих перформанси, изузетне робусности и способности да генеришу интензивне ултразвучне таласе, јер сви индустријски ултразвучни уређаји компаније Hielscher могу да остваре веома високе амплитуде при непрекидном раду (24/7). Робусни ултразвучни системи готово да не захтевају одржавање и направљени су за непрекидан рад. То чини ултразвучну опрему компаније Hielscher поузданом за примене са великим оптерећењем у захтевним условима. Доступне су и специјалне сонотроде за високе температуре или веома агресивне хемијске средине.
Највиши квалитет – пројектовано и произведено у Немачкој: Сва опрема се пројектује и производи у нашем седишту у Немачкој. Пре испоруке купцу, сваки ултразвучни уређај пажљиво се испитује под пуним оптерећењем. Тежимо задовољству купаца, а наша производња је организована тако да испуњава највише захтеве за обезбеђење квалитета (нпр. ISO сертификација).

Табела у наставку даје вам представу о приближном капацитету обраде наших ултразвучних уређаја: