Polyoler är syntetiska estrar som huvudsakligen framställs genom en transesterifiering av triglycerider från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter. Dessa polyoler är råmaterial för framställning av polyuretaner, biosmörjmedel och andra cemicals. Ultraljud används för att förbättra transesterifiering reaktioner genom att tillämpa intensiva skjuvkrafter och termisk energi. Ultraljud och dess sonokemiska effekter levererar reaktionsenergi och hjälper till att övervinna massöverföringsbegränsningar. Därmed förbättrar ultraljudsbehandling avsevärt transesterifiering hastighet, utbyte, och övergripande effektivitet.

Ultraljudsassisterad transesterifiering

Transesterifieringsreaktioner är en av de viktigaste syntesvägarna och används ofta som en effektiv teknik för att omvandla vegetabiliska oljor till petroleumprodukter. Sono-syntes (även sonokemisk syntes, som är kemisk syntes som främjas via högpresterande ultraljud), är välkänd för sina fördelaktiga effekter på transesterifiering såväl som andra kemiska processer.

Hållbar polyolsyntes från vegetabiliska oljor med ultraljud

Växtbaserade fettsyror, dvs. vegetabiliska oljor, är en allmänt tillgänglig och förnybar råvara och kan användas för framställning av biobaserade polyoler och polyuretaner. Tillämpningen av kraft ultraljud skapar gynnsamma sonokemiska effekter, vilket väsentligt påskyndar den katalytiska reaktionen av transesterifiering. Dessutom, ultraljudsbehandling ökar utbytet av syntetiserade polyoler som den intensiva blandningsenergin av akustisk kavitation övervinner massöverföringsbegränsning. Ultraljud transesterifiering reaktioner är välkända att köra effektivt med lägre alkohol och katalysator som konventionella transesterifiering reaktioner. Detta leder till en förbättrad total effektivitet genom ultraljud.

Ultraljud syntes av en pentaerytritol ester-baserade biosmörjmedel

Pentaerytritolester kan syntetiseras effektivt från rapsolja via tvåstegs sonokemisk process som demonstreras av forskargruppen i Arumugam. I sin optimeringsstudie använde forskarna Hielscher ultrasonicator UP400St (se bild till vänster). I den första sonokemiskt främjade transesterifieringen reageras rapsolja med metanol mot metylester. I det andra transesterifieringssteget reagerar metylestern med xylen och en katalysator till pentaerytritolester. Forskaren fokuserade på optimering av ultraljud process parametrar för att förbättra utbytet och den totala effektiviteten av pentaerytritolestersyntesen under ultraljud. Förbättrat utbyte av 81,4% av pentaerytritolester uppnåddes med en ultraljudspuls på 15 s, en ultraljudsamplitud på 60%, en katalysatorkoncentration på 1,5 viktprocent och reaktionstemperaturen på 100 ° C. För kvalitetskontroll jämfördes den sonokemiskt syntetiserade pentaerytritolestern med kompressorolja av syntetisk kvalitet. Sammanfattningsvis föreslår studien att ultraljud-främjas successiv transesterifiering processen är en effektiv metod för att ersätta den konventionella successiva transesterifieringsprocessen för syntesen av pentaerytritol ester-baserade biosmörjmedel. De stora fördelarna med ultraljud transesterifiering processen är ökade utbyten av pentaerytritol ester, en förkortad reaktionstid och signifikant lägre reaktionstemperaturer. (jfr Arumugam m.fl., 2019)

Ultraljud intensifierad tvåstegs transesterifiering av rapsolja till pentaerytritolester.
(anpassad från Arumugam et al., 2019)

Pentanal-härledda acetalestrar via ultraljud syntes

Kurniawans forskargrupp syntetiserade tre pentanal-härledda acetalestrar via sonokemisk metod som använder principerna för grön kemi. Ultraljudsbehandling användes för att främja två kemiska steg:

1. Förestring av 9,10-dihydroxioktadekansyra
2. Acetalysation av alkyl 9,10-dihydroxioktadekanoat

För att producera estrarna av alkyl 9,10- dihydroxistearat krävs två steg och utbyten på 67-85% erhölls. För effektivitetsutvärdering jämfördes den sonokemiska metoden med den konventionella återflödestekniken. Vidare användes homogena och fasta syrakatalysatorer, nämligen svavelsyra (H2SO4), naturlig bentonit och H-bentonit, för att bestämma påverkan och effektiviteten hos olika katalysatorer. Det visade sig att sonokemisk förestring av syran katalyserad av H-bentonit gav produkter i upp till 70% utbyte på 3 gånger kortare reaktionstid än återflödesmetoden, vilket är anmärkningsvärt. Det sista acetaliseringssteget med n-pentanal i närvaro av H-bentonit med ultraljud gav tre pentanal-härledda dioxolane derivat i 69-85% utbyten, som är högre än den konventionella metoden. Återflödesmetoden krävde en längre reaktionstid än den sonokemiska metoden eftersom ultraljudssyntesen krävde endast 10-30min. Dessutom till den betydligt kortare reaktionstiden under ultraljudsbehandling, ett anmärkningsvärt utbyte av varje ester erhölls med hjälp av den sonokemiska metoden.
Forskaren beräknade också att energibehovet för den sonokemiska reaktionen är cirka 62 gånger lägre än för den konventionella metoden. Detta minskar kostnaderna och är miljövänligt.
Undersökning av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos varje produkt visade att metyl 8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanoat är ett potentiellt nytt biosmörjmedel med funktioner för att ersätta vanliga smörjmedel. (jfr Kurniawan et al., 2021)

Transesterifiering av pentaerytylestrar med ultraljud

Pentaerytylestrar kan erhållas från vegetabiliska oljor såsom solros, linfrö och jatrophaolja. Hashems forskargrupp demonstrerade syntesen av biobaserade smörjmedel via en successiv baskatalyserad transesterifiering som involverade två transesterifieringssteg. De demonstrerade genomförbarheten av syntesen med solros,linfrö och jatrophaolja. I det första steget omvandlades oljorna till motsvarande metylestrar. I den andra processen omvandlades metylestrarna till pentaerytylestrar genom verkan av pentaerytritol som visas i följande schema: (jfr Hashem et al., 2013)

Efter transesterifiering av vegetabilisk olja till metylester omvandlas metylestrarna till pentaerytylestrar genom verkan av pentaerytritol som visas i schemat ovan.
(jfr Hashem et al., 2013)

De signifikant reaktionsförbättrande effekterna av ultraljud på transesterifiering är vetenskapligt bevisade och redan sedan årtionden industriellt antagna. Det mest framträdande exemplet för ultraljud förbättrad tranesterifiering är omvandlingen av oljor och fetter till fettsyrametylester (FAME), känd som biodiesel.
Läs mer om ultraljudsassisterad transesterifiering av (avfall) oljor och fetter till biodiesel!

Ultraljud sonder och reaktorer för transesterifiering och andra kemiska synteser

Hielscher Ultrasonics är din specialist när det gäller sofistikerade högpresterande ultrasonicators för sonokemiska reaktioner. Hielscher designar, tillverkar och distribuerar högeffektiva ultrasonicators och tillbehör som sonder (sonotrodes), reaktorer och flödesceller i alla storlekar och levererar kemiska laboratorier samt kemiska produktionsanläggningar i industriell skala. Från kompakta lab ultraljud enheter till industriella ultraljud sonder och reaktorer, Hielscher har det perfekta ultraljud systemet för din process. Med lång erfarenhet av applikationer som sono-katalys och sono-syntes kommer vår välutbildade personal att rekommendera dig den lämpligaste installationen för dina behov.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudssystem med mycket hög robusthet och kan leverera intensiva ultraljudsvågor eftersom alla Hielscher industriella ultrasonicators kan leverera mycket höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7). De robusta ultraljudssystemen kräver nästan inget underhåll och är byggda för att köras. Detta gör Hielscher ultraljud utrustning pålitlig för tunga applikationer under krävande förhållanden. Speciella sonotrodes för hög temperatur eller mycket hård kemikalie finns också.
Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland: All utrustning är konstruerad och tillverkad i vårt huvudkontor i Tyskland. Före leverans till kunden testas varje ultraljudsenhet noggrant under full belastning. Vi strävar efter kundnöjdhet och vår produktion är strukturerad för att uppfylla högsta kvalitetssäkring (t.ex. ISO-certifiering).

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: