การสังเคราะห์พอลิออลด้วยทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้อัลตราซาวนด์

พอลิออลเป็นเอสเทอร์สังเคราะห์ที่ผลิตขึ้นเป็นหลักด้วยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไตรกลีเซอไรด์จากน้ำมันพืชหรือไขมันสัตว์ พอลิออลเหล่านี้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตพอลิยูรีเทน สารหล่อลื่นชีวภาพ และสารเคมีอื่น ๆ การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยให้แรงเฉือนที่รุนแรงและพลังงานความร้อน อัลตราซาวนด์และผลทางโซโนเคมีของอัลตราซาวนด์ให้พลังงานแก่ปฏิกิริยาและช่วยเอาชนะข้อจำกัดในการถ่ายเทมวล ดังนั้น การใช้อัลตราซาวนด์จึงช่วยเพิ่มความเร็ว ผลได้ และประสิทธิภาพโดยรวมของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างมีนัยสำคัญ

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเป็นหนึ่งในเส้นทางการสังเคราะห์ที่สำคัญที่สุด และใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนน้ำมันพืชเป็นสารทดแทนผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม การสังเคราะห์ด้วยเสียง หรือการสังเคราะห์ทางโซโนเคมี ซึ่งเป็นการสังเคราะห์ทางเคมีที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง เป็นที่รู้จักดีว่ามีผลดีต่อทรานส์เอสเทอริฟิเคชันและกระบวนการทางเคมีอื่น ๆ

การสังเคราะห์พอลิออลจากน้ำมันพืชอย่างยั่งยืนโดยใช้อัลตราซาวนด์

กรดไขมันที่ได้จากพืช กล่าวคือ น้ำมันพืช เป็นวัตถุดิบที่หาได้อย่างแพร่หลายและหมุนเวียนทดแทนได้ และสามารถใช้ในการเตรียมพอลิออลและพอลิยูรีเทนฐานชีวภาพได้ การใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงก่อให้เกิดผลทางโซโนเคมีที่เอื้อประโยชน์ ซึ่งช่วยเร่งปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ การใช้อัลตราซาวนด์ยังเพิ่มผลได้ของพอลิออลที่สังเคราะห์ เนื่องจากพลังงานการผสมที่รุนแรงจากคาวิเทชันทางเสียงช่วยเอาชนะข้อจำกัดในการถ่ายเทมวล เป็นที่ทราบกันดีว่าปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้แอลกอฮอล์และตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณน้อยกว่าปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันแบบดั้งเดิม จึงทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้นด้วยการใช้อัลตราซาวนด์

การสังเคราะห์สารหล่อลื่นชีวภาพที่มีเอสเทอร์ของ pentaerythritol เป็นองค์ประกอบพื้นฐานด้วยอัลตราซาวนด์

เอสเทอร์ของ pentaerythritol สามารถสังเคราะห์จากน้ำมันเรพซีดได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยกระบวนการโซโนเคมีสองขั้นตอน ดังที่ทีมวิจัยของ Arumugam ได้แสดงให้เห็น ในการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุด นักวิจัยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St ของ Hielscher (ดูภาพด้านซ้าย) ในทรานส์เอสเทอริฟิเคชันขั้นแรกที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมี น้ำมันเรพซีดทำปฏิกิริยากับเมทานอลเพื่อให้ได้เมทิลเอสเทอร์ ในทรานส์เอสเทอริฟิเคชันขั้นที่สอง เมทิลเอสเทอร์ทำปฏิกิริยากับไซลีนและตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ได้เอสเทอร์ของ pentaerythritol นักวิจัยมุ่งหาค่าพารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อเพิ่มผลได้และประสิทธิภาพโดยรวมของการสังเคราะห์เอสเทอร์ของ pentaerythritol ภายใต้อัลตราซาวนด์ สามารถเพิ่มผลได้ของเอสเทอร์ของ pentaerythritol เป็น 81.4% โดยใช้พัลส์อัลตราซาวนด์ 15 s แอมพลิจูดอัลตราซาวนด์ 60% ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา 1.5 wt% และอุณหภูมิปฏิกิริยา 100°C สำหรับการควบคุมคุณภาพ ได้เปรียบเทียบเอสเทอร์ของ pentaerythritol ที่สังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีกับน้ำมันคอมเพรสเซอร์เกรดสังเคราะห์ โดยสรุป การศึกษานี้ชี้ว่ากระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันต่อเนื่องเป็นลำดับที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการใช้แทนกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันต่อเนื่องเป็นลำดับแบบดั้งเดิม สำหรับการสังเคราะห์สารหล่อลื่นชีวภาพที่มีเอสเทอร์ของ pentaerythritol เป็นองค์ประกอบพื้นฐาน ข้อดีหลักของกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยอัลตราซาวนด์ ได้แก่ ผลได้ของเอสเทอร์ของ pentaerythritol ที่เพิ่มขึ้น เวลาปฏิกิริยาที่สั้นลง และอุณหภูมิปฏิกิริยาที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (เทียบกับ Arumugam et al., 2019)

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันสองขั้นตอนของน้ำมันเรพซีดเป็นเอสเทอร์ของ pentaerythritol ที่เพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการด้วยอัลตราซาวนด์
(ดัดแปลงจาก Arumugam et al., 2019)

เอสเทอร์อะซีทัลที่ได้จาก pentanal ด้วยการสังเคราะห์โดยใช้อัลตราซาวนด์

ทีมวิจัยของ Kurniawan สังเคราะห์เอสเทอร์อะซีทัลที่ได้จาก pentanal สามชนิดด้วยวิธีโซโนเคมี โดยใช้หลักการเคมีสีเขียว การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยส่งเสริมขั้นตอนทางเคมีสองขั้นตอน ได้แก่:

1. เอสเทอริฟิเคชันของ 9,10-dihydroxyoctadecanoic acid
2. การเกิดอะซีทัลของ alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

การผลิตเอสเทอร์ของ alkyl 9,10-dihydroxystearate ต้องใช้สองขั้นตอน และได้ผลได้ 67–85% เพื่อประเมินประสิทธิภาพ ได้เปรียบเทียบวิธีโซโนเคมีกับเทคนิครีฟลักซ์แบบดั้งเดิม นอกจากนี้ ยังใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรดแบบเอกพันธ์และแบบของแข็ง ได้แก่ กรดซัลฟิวริก (H2SO4) เบนโทไนต์ธรรมชาติ และ H-bentonite เพื่อศึกษาผลและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดต่าง ๆ พบว่าเอสเทอริฟิเคชันทางโซโนเคมีของกรดที่เร่งปฏิกิริยาด้วย H-bentonite ให้ผลิตภัณฑ์ด้วยผลได้สูงถึง 70% โดยใช้เวลาปฏิกิริยาสั้นกว่าวิธีรีฟลักซ์ 3 เท่า ซึ่งเป็นผลที่โดดเด่น ขั้นตอนการเกิดอะซีทัลขั้นสุดท้ายกับ n-pentanal ในสภาวะที่มี H-bentonite โดยใช้อัลตราซาวนด์ให้อนุพันธ์ dioxolane ที่ได้จาก pentanal สามชนิด ด้วยผลได้ 69–85% ซึ่งสูงกว่าวิธีดั้งเดิม วิธีรีฟลักซ์ต้องใช้เวลาปฏิกิริยานานกว่าวิธีโซโนเคมี เนื่องจากการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์ใช้เวลาเพียง 10–30min นอกจากเวลาปฏิกิริยาที่สั้นลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้อัลตราซาวนด์แล้ว วิธีโซโนเคมียังให้ผลได้ของเอสเทอร์แต่ละชนิดอย่างโดดเด่นอีกด้วย
นักวิจัยยังคำนวณว่าความต้องการพลังงานของปฏิกิริยาโซโนเคมีต่ำกว่าวิธีดั้งเดิมประมาณ 62 เท่า ซึ่งช่วยลดต้นทุนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
การตรวจสอบสมบัติทางเคมีกายภาพของผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดแสดงให้เห็นว่า methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate มีศักยภาพเป็นสารหล่อลื่นชีวภาพชนิดใหม่ที่มีสมบัติการใช้งานเพื่อทดแทนสารหล่อลื่นทั่วไป (เทียบกับ Kurniawan et al., 2021)

ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของเอสเทอร์ pentaerythryl โดยใช้อัลตราซาวนด์

เอสเทอร์ pentaerythryl สามารถผลิตได้จากน้ำมันพืช เช่น น้ำมันดอกทานตะวัน น้ำมันลินสีด และน้ำมันสบู่ดำ ทีมวิจัยของ Hashem ได้แสดงการสังเคราะห์สารหล่อลื่นฐานชีวภาพด้วยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันต่อเนื่องเป็นลำดับที่เร่งด้วยเบส ซึ่งประกอบด้วยทรานส์เอสเทอริฟิเคชันสองขั้นตอน โดยแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ของการสังเคราะห์โดยใช้น้ำมันดอกทานตะวัน น้ำมันลินสีด และน้ำมันสบู่ดำ ในขั้นแรก น้ำมันถูกเปลี่ยนเป็นเมทิลเอสเทอร์ที่สอดคล้องกัน ในกระบวนการขั้นที่สอง เมทิลเอสเทอร์ถูกเปลี่ยนเป็นเอสเทอร์ pentaerythryl โดยการทำปฏิกิริยากับ pentaerythritol ดังแสดงในแผนผังต่อไปนี้: (เทียบกับ Hashem et al., 2013)

หลังจากทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชเป็นเมทิลเอสเทอร์ เมทิลเอสเทอร์จะถูกเปลี่ยนเป็นเอสเทอร์ pentaerythryl โดยการทำปฏิกิริยากับ pentaerythritol ดังแสดงในแผนผังด้านบน
(เทียบกับ Hashem et al., 2013)

ผลของการใช้อัลตราซาวนด์ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างมีนัยสำคัญได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ และนำมาใช้ในอุตสาหกรรมแล้วเป็นเวลาหลายทศวรรษ ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์คือการเปลี่ยนน้ำมันและไขมันเป็นเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (FAME) ซึ่งรู้จักกันในชื่อไบโอดีเซล
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยในการเปลี่ยนน้ำมันและไขมัน (ที่ใช้แล้ว) เป็นไบโอดีเซล!

หัวโพรบและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับทรานส์เอสเทอริฟิเคชันและการสังเคราะห์ทางเคมีอื่น ๆ

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้เชี่ยวชาญของคุณด้านเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีซับซ้อนสำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมี Hielscher ออกแบบ ผลิต และจำหน่ายเครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูงและอุปกรณ์เสริม เช่น หัวโพรบ (โซโนโทรด) เครื่องปฏิกรณ์ และเซลล์การไหลในทุกขนาด โดยจัดหาให้ทั้งห้องปฏิบัติการเคมีและโรงงานผลิตสารเคมีระดับอุตสาหกรรม ตั้งแต่อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการไปจนถึงหัวโพรบและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรม Hielscher มีระบบอัลตราซาวนด์ที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการของคุณ ด้วยประสบการณ์ยาวนานในการประยุกต์ใช้ เช่น การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงและการสังเคราะห์ด้วยเสียง บุคลากรที่ผ่านการฝึกอบรมอย่างดีของเราจะแนะนำการจัดระบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความต้องการของคุณ
Hielscher Ultrasonics ผลิตระบบอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่แข็งแกร่งทนทานมากและสามารถให้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มสูง เนื่องจากเครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมทั้งหมดของ Hielscher สามารถให้แอมพลิจูดสูงมากในการทำงานอย่างต่อเนื่อง (24/7) ระบบอัลตราซาวนด์ที่แข็งแกร่งทนทานนี้แทบไม่ต้องบำรุงรักษาและสร้างขึ้นเพื่อการทำงาน จึงทำให้อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher เชื่อถือได้สำหรับงานหนักภายใต้สภาวะที่มีข้อกำหนดเข้มงวด นอกจากนี้ ยังมีโซโนโทรดพิเศษสำหรับอุณหภูมิสูงหรือสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรงมากด้วย
คุณภาพสูงสุด – ออกแบบและผลิตในเยอรมนี: อุปกรณ์ทั้งหมดออกแบบและผลิตที่สำนักงานใหญ่ของเราในเยอรมนี ก่อนส่งมอบให้ลูกค้า อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ทุกเครื่องได้รับการทดสอบอย่างละเอียดภายใต้โหลดเต็มกำลัง เรามุ่งมั่นสร้างความพึงพอใจให้ลูกค้า และจัดโครงสร้างการผลิตเพื่อให้เป็นไปตามการประกันคุณภาพระดับสูงสุด (เช่น การรับรอง ISO)

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: