Polyolsyntes via ultraljudstransesterifiering

Polyoler är syntetiska estrar som huvudsakligen framställs genom en transesterifiering av triglycerider från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter. Dessa polyoler är råmaterial för produktion av polyuretaner, biologiskt nedbrytbara smörjmedel och andra kemiska ämnen. Ultraljud används för att förbättra transesterifieringsreaktioner genom att tillämpa intensiva skjuvkrafter och termisk energi. Ultraljud och dess sonokemiska effekter ger reaktionsenergi och hjälper till att övervinna massöverföringsbegränsningar. Därmed förbättrar ultraljudsbehandling avsevärt transesterifieringshastigheten, utbytet och den totala effektiviteten.

Ultraljudsassisterad transesterifiering

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

Hållbar polyolsyntes från vegetabiliska oljor med hjälp av ultraljud

Vegetabiliska fettsyror, dvs. vegetabiliska oljor, är en allmänt tillgänglig och förnybar råvara och kan användas för framställning av biobaserade polyoler och polyuretaner. Tillämpningen av kraftultraljud skapar gynnsamma sonokemiska effekter, vilket avsevärt påskyndar den katalytiska reaktionen av transesterifiering. Dessutom förbättrar ultraljudsbehandling utbytet av syntetiserade polyoler eftersom den intensiva blandningsenergin av akustisk kavitation övervinner massöverföringsbegränsningen. Ultraljud transesterifiering reaktioner är välkända för 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 pentaerytritolester baserad biosmörjmedel

Pentaerytritolester kan syntetiseras effektivt från rapsolja via tvåstegs sonokemisk process, vilket visats av forskargruppen i Arumugam. I sin optimeringsstudie använde forskarna Hielscher ultraljudsapparat UP400St (se bild till vänster). I den första sonokemiskt främjade transesterifieringen reagerar rapsolja med metanol på metylester. I det andra transesterifieringssteget reagerar metylestern med xylen och en katalysator till pentaerytritolestern. Forskaren fokuserade på optimering av ultraljudsprocessparametrar för att förbättra utbytet och den totala effektiviteten av pentaerytritolestrsyntesen under ultraljud. Förbättrat utbyte av 81,4 % 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 tyder studien på att den ultraljudsfrämjade successiva transesterifieringsprocessen är en effektiv metod för att ersätta den konventionella successiva transesterifieringsprocessen för syntes av pentaerytritolestrbaserat biologiskt smörjmedel. De stora fördelarna med ultraljudstransesterifieringsprocessen är ökade utbyten av pentaerytritolestr, en förkortad reaktionstid och betydligt lägre reaktionstemperaturer. (jfr Arumugam et al., 2019)

Ultraljudsintensifierad tvåstegs transesterifiering av rapsolja till pentaerytritolestern.
(anpassad från Arumugam et al., 2019)

Pentanal-härledda acetalestrar via ultraljud syntes

Forskargruppen i Kurniawan syntetiserade tre pentanal-härledda acetalestrar via sonokemisk metod med hjälp av principerna för grön kemi. Ultraljudsbehandling användes för att främja två kemiska steg:

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

För att producera estrar av alkyl-9,10-dihydroxistearat krävs två steg och utbyten på 67-85% erhölls. För effektivitetsutvärdering jämfördes den sonokemiska metoden med den konventionella refluxtekniken. Dessutom användes homogena och fasta syrakatalysatorer, nämligen svavelsyra (H2SO4), naturlig bentonit och H-bentonit, för att bestämma inverkan och effektivitet hos olika katalysatorer. Det visade sig att sonokemisk förestring av syran som katalyseras av H-bentonit gav produkter i upp till 70% utbyte i 3 gånger kortare reaktionstid än refluxmetoden, vilket är anmärkningsvärt. Det slutliga acetaliseringssteget med n-pentanal i närvaro av H-bentonit med hjälp av ultraljud gav tre pentanal-härledda dioxolanderivat i 69-85% utbyten, vilket är högre än den konventionella metoden. Refluxmetoden krävde en längre reaktionstid än den sonokemiska metoden eftersom ultraljudssyntesen endast krävde 10-30 min. Förutom den betydligt kortare reaktionstiden under ultraljudsbehandling, erhölls ett anmärkningsvärt utbyte av varje ester 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.
En 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 biologiskt smörjmedel som kan ersätta vanliga smörjmedel. (jfr Kurniawan et al., 2021)

Transesterifiering av pentaerytrylestrar med hjälp av ultraljud

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

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

De betydligt reaktionsförbättrande effekterna av ultraljud på transesterifiering är vetenskapligt bevisade och redan sedan årtionden industriellt antas. Det mest framträdande exemplet på ultraljudsförbättrad transesterifiering är omvandlingen av oljor och fetter till fettsyrametylester (FAME), känd som biodiesel.
Läs mer om ultraljudsassisterad transesterifiering av (avfalls)oljor och fetter till biodiesel!

Ultraljudssonder och reaktorer för transesterifiering och andra kemiska synteser

Hielscher Ultrasonics är din specialist när det gäller sofistikerade högpresterande ultraljudsapparater för sonokemiska reaktioner. Hielscher designar, tillverkar och distribuerar högeffekts ultraljudsapparater och tillbehör såsom sonder (sonotrodes), reaktorer och flödesceller i alla storlekar och levererar kemiska laboratorier samt kemiska produktionsanläggningar i industriell skala. Från kompakta ultraljudsenheter för labb till industriella ultraljudssonder och reaktorer, Hielscher har det perfekta ultraljudssystemet för din process. Med lång erfarenhet av tillämpningar som sono-katalys och sono-syntes kommer vår välutbildade personal att rekommendera dig den mest lämpliga installationen för dina behov.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudssystem med mycket hög robusthet och kan leverera intensiva ultraljudsvågor eftersom alla Hielscher industriella ultraljudsapparater 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 ultraljudsutrustning tillförlitlig för tunga applikationer under krävande förhållanden. Det finns också speciella sonotroder för kemikalier med hög temperatur eller mycket starka kemikalier.
Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland: All utrustning är designad och tillverkad i vårt huvudkontor i Tyskland. Innan 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).

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: