Синтеза полиола путем ултразвучне трансестерификације

Полиоли су синтетички естри произведени углавном трансестерификацијом триглицерида из биљних уља или животињских масти. Ови полиоли су сировина за производњу полиуретана, биомазива и других хемикалија. Ултрасоницатион се користи за побољшање реакција трансестерификације применом интензивних сила смицања и топлотне енергије. Ултразвук и његови сонохемијски ефекти снабдевају реакциону енергију и помажу да се превазиђу ограничења преноса масе. На тај начин, соникација значајно побољшава брзину трансестерификације, принос и укупну ефикасност.

Трансестерификација потпомогнута ултразвуком

Реакције трансестерификације су један од најважнијих путева синтезе и широко се користе као ефикасна техника за претварање биљних уља у замене за нафтне деривате. Соно-синтеза (такође сонохемијска синтеза, која је хемијска синтеза промовисана ултразвуком високих перформанси) је добро позната по својим благотворним ефектима на трансестерификацију као и на друге хемијске процесе.

Одржива синтеза полиола из биљних уља помоћу ултразвука

Масне киселине биљног порекла, односно биљна уља, су широко доступна и обновљива сировина и могу се користити за припрему биобазираних полиола и полиуретана. Примена снажног ултразвука ствара повољне сонохемијске ефекте, који значајно убрзавају каталитичку реакцију трансестерификације. Поред тога, соникација повећава принос синтетизованих полиола јер интензивна енергија мешања акустичне кавитације превазилази ограничење преноса масе. Познато је да ултразвучне реакције трансестерификације раде ефикасно са нижим алкохолом и катализатором као конвенционалне реакције трансестерификације. Ово доводи до побољшане укупне ефикасности ултразвуком.

Ултразвучна синтеза биомазива на бази пентаеритритола

Пентаеритритол естар се може ефикасно синтетизовати из уља уљане репице путем сонохемијског процеса у два корака, као што је показао истраживачки тим компаније Арумугам. У својој студији оптимизације, истраживачи су користили Хиелсцхер ултрасоницатор УП400Ст (види слику лево). У првој сонохемијски промовисаној трансестерификацији, уље уљане репице реагује са метанолом у метил естар. У другом кораку трансестерификације, метил естар реагује са ксилелом и катализатором у пентаеритритол естар. Истраживач се фокусирао на оптимизацију параметара ултразвучног процеса у циљу повећања приноса и укупне ефикасности синтезе пентаеритритол естра под ултразвуком. Побољшан принос од 81,4% пентаеритритол естра постигнут је ултразвучним импулсом од 15 с, ултразвучном амплитудом од 60%, концентрацијом катализатора од 1,5 теж%, и реакционом температуром од 100°Ц. За контролу квалитета, сонохемијски синтетизовани пентаеритритол естар је упоређен са синтетичким компресорским уљем. У закључку, студија сугерише да је ултразвучно промовисан узастопни процес трансестерификације ефикасан метод за замену конвенционалног сукцесивног процеса трансестерификације за синтезу биомазива на бази пентаеритритол естра. Главне предности процеса ултразвучне трансестерификације су повећани приноси пентаеритритол естра, скраћено време реакције и значајно ниже реакционе температуре. (уп. Арумугам ет ал., 2019)

Ултразвучно интензивирана двостепена трансестерификација уља репице у пентаеритритол естар.
(прилагођено из Арумугам ет ал., 2019)

Ацетални естри добијени од пентанала путем ултразвучне синтезе

Истраживачки тим Курниавана синтетизовао је три ацетал естра добијена од пентанала помоћу сонохемијске методе користећи принципе зелене хемије. Соникација је коришћена за промовисање два хемијска корака:

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

Да би се произвели естри алкил 9,10-дихидроксистеарата потребна су два корака и добијени су приноси од 67-85%. За процену ефикасности, сонохемијска метода је упоређена са конвенционалном техником рефлукса. Даље, за утврђивање утицаја и ефикасности различитих катализатора коришћени су хомогени и чврсти кисели катализатори, односно сумпорна киселина (Х2СО4), природни бентонит и Х-бентонит. Утврђено је да сонохемијска естерификација киселине катализоване Х-бентонитом даје производе са приносом до 70% у 3 пута краћем реакционом времену од методе рефлукса, што је изузетно. Последњи корак ацетализације са н-пентаналом у присуству Х-бентонита коришћењем ултразвучне обраде дао је три деривата диоксолана добијених од пентанала у приносу од 69–85%, који су већи од конвенционалне методе. Метода рефлукса захтевала је дуже време реакције од сонохемијске, јер је ултразвучна синтеза захтевала само 10-30 минута. Поред значајно краћег времена реакције под соникацијом, изузетан принос сваког естра је добијен коришћењем сонохемијске методе.
Истраживач је такође израчунао да су енергетски захтеви сонохемијске реакције приближно. 62 пута ниже него код конвенционалне методе. Ово смањује трошкове и еколошки је прихватљиво.
Испитивање физичко-хемијских својстава сваког производа открило је да је метил 8-(2-бутил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)октаноат потенцијално ново биолубрикант са функцијама да замени уобичајена мазива. (уп. Курниаван ет ал., 2021)

Трансестерификација пентаеритрил естера коришћењем ултразвука

Пентаеритрил естри се могу добити из биљних уља као што су сунцокретово, ланено и јатрофа уље. Истраживачки тим Хасхем-а демонстрирао је синтезу мазива на биобазираној основи путем узастопне трансестерификације катализоване базом која укључује два корака трансестерификације. Они су показали изводљивост синтезе користећи сунцокретово, ланено и јатрофа уље. У првом кораку, уља су претворена у одговарајуће метил естре. У другом процесу, метил естри су претворени у пентаеритрил естре дејством пентаеритритола као што је приказано на следећој шеми: (уп. Хасхем ет ал., 2013)

Након трансестерификације биљног уља у метил естар, метил естри се претварају у пентаеритрил естре деловањем пентаеритритола као што је приказано на горњој шеми.
(уп. Хасхем ет ал., 2013)

Ефекти ултразвучне обраде на трансестерификацију који значајно појачавају реакцију су научно доказани и већ деценијама индустријски усвојени. Најистакнутији пример ултразвучно побољшане транестерификације је конверзија уља и масти у метил естар масних киселина (ФАМЕ), познат као биодизел.
Прочитајте више о ултразвучној трансестерификацији (отпадних) уља и масти у биодизел!

Ултразвучне сонде и реактори за трансестерификацију и друге хемијске синтезе

Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш специјалиста када су у питању софистицирани ултрасоникатори високих перформанси за сонохемијске реакције. Хиелсцхер дизајнира, производи и дистрибуира ултрасоникаторе велике снаге и прибор као што су сонде (сонотроде), реактори и проточне ћелије било које величине и снабдева хемијске лабораторије као и хемијске производне погоне у индустријском обиму. Од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских ултразвучних сонди и реактора, Хиелсцхер има идеалан ултразвучни систем за ваш процес. Са дугогодишњим искуством у апликацијама као што су соно-катализа и соно-синтеза, наше добро обучено особље ће вам препоручити најприкладније подешавање за ваше захтеве.
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне системе високих перформанси врло високе робусности и способне да испоруче интензивне ултразвучне таласе пошто сви Хиелсцхер индустријски ултрасоникатори могу да испоруче веома високе амплитуде у непрекидном раду (24/7). Робусни ултразвучни системи не захтевају скоро никакво одржавање и направљени су да раде. Ово чини Хиелсцхер ултразвучну опрему поузданом за тешке примене у захтевним условима. Доступне су и посебне сонотроде за високе температуре или веома јаке хемикалије.
Највиши квалитет – Дизајнирано и произведено у Немачкој: Сва опрема је пројектована и произведена у нашем седишту у Немачкој. Пре испоруке купцу, сваки ултразвучни уређај се пажљиво тестира под пуним оптерећењем. Тежимо задовољству купаца и наша производња је структурисана тако да испуни највиши ниво обезбеђења квалитета (нпр. ИСО сертификат).

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: