Ultrasonik Transesterifikasyon Yoluyla Poliol Sentezi

Polioller, esas olarak bitkisel yağlardan veya hayvansal yağlardan elde edilen trigliseritlerin transesterifikasyonu yoluyla üretilen sentetik esterlerdir. Bu polioller, poliüretanların, biyoyağlayıcıların ve diğer kimyasalların üretiminde kullanılan hammaddelerdir. Ultrasonikasyon, yoğun kesme kuvvetleri ve termal enerji uygulayarak transesterifikasyon reaksiyonlarını geliştirmek için kullanılır. Ultrason ve sonokimyasal etkileri, reaksiyon enerjisi sağlar ve kütle aktarımı sınırlamalarının aşılmasına yardımcı olur. Böylece sonikasyon, transesterifikasyon hızını, verimini ve genel etkinliğini önemli ölçüde artırır.

Ultrason Destekli Transesterifikasyon

Transesterifikasyon reaksiyonları, en önemli sentez yollarından biridir ve bitkisel yağları petrol ürünlerinin yerine geçebilecek ürünlere dönüştürmek için etkili bir teknik olarak yaygın biçimde kullanılır. Sonosentez (yüksek performanslı ultrasonla desteklenen kimyasal sentez anlamına gelen sonokimyasal sentez olarak da adlandırılır), transesterifikasyon ve diğer kimyasal süreçler üzerindeki yararlı etkileriyle iyi bilinmektedir.

Ultrason Kullanılarak Bitkisel Yağlardan Sürdürülebilir Poliol Sentezi

Bitki kökenli yağ asitleri, yani bitkisel yağlar, yaygın olarak bulunan ve yenilenebilir bir hammaddedir ve biyobazlı polioller ile poliüretanların hazırlanmasında kullanılabilir. Güç ultrasonunun uygulanması, transesterifikasyonun katalitik reaksiyonunu önemli ölçüde hızlandıran olumlu sonokimyasal etkiler oluşturur. Ayrıca, akustik kavitasyonun yoğun karıştırma enerjisi kütle aktarımı sınırlamasını aştığı için sonikasyon, sentezlenen poliollerin verimini artırır. Ultrasonik transesterifikasyon reaksiyonlarının, geleneksel transesterifikasyon reaksiyonlarına kıyasla daha az alkol ve daha az katalizörle etkin biçimde gerçekleştiği iyi bilinmektedir. Bu, ultrasonikasyon sayesinde genel etkinliğin artmasına yol açar.

Pentaeritritol Esteri Bazlı Bir Biyoyağlayıcının Ultrasonik Sentezi

Arumugam’ın araştırma ekibinin gösterdiği üzere, pentaeritritol esteri iki aşamalı bir sonokimyasal süreç yoluyla kolza yağından etkin biçimde sentezlenebilir. Araştırmacılar, optimizasyon çalışmalarında Hielscher UP400St sonikatörünü kullandı (soldaki resme bakın). Sonokimyasal olarak desteklenen ilk transesterifikasyonda, kolza yağı metanol ile reaksiyona sokularak metil ester elde edilir. İkinci transesterifikasyon aşamasında, metil ester ksilen ve bir katalizör ile reaksiyona girerek pentaeritritol esterine dönüşür. Araştırmacı, ultrason altında pentaeritritol esteri sentezinin verimini ve genel etkinliğini artırmak amacıyla ultrasonik proses parametrelerinin optimizasyonuna odaklandı. 15 s ultrasonik darbe süresi, %60 ultrasonik genlik, 1,5 wt% katalizör konsantrasyonu ve 100°C reaksiyon sıcaklığı ile pentaeritritol esterinde %81,4 düzeyinde artırılmış verim elde edildi. Kalite kontrolü için sonokimyasal olarak sentezlenen pentaeritritol esteri, sentetik sınıf kompresör yağı ile karşılaştırıldı. Sonuç olarak çalışma, ultrasonik olarak desteklenen ardışık transesterifikasyon sürecinin, pentaeritritol esteri bazlı biyoyağlayıcının sentezinde geleneksel ardışık transesterifikasyon sürecinin yerini alabilecek etkin bir yöntem olduğunu öne sürmektedir. Ultrasonik transesterifikasyon sürecinin başlıca avantajları, pentaeritritol esteri veriminin artması, reaksiyon süresinin kısalması ve reaksiyon sıcaklıklarının önemli ölçüde düşmesidir. (bkz. Arumugam et al., 2019)

Kolza yağının pentaeritritol esterine ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış iki aşamalı transesterifikasyonu.
(Arumugam et al., 2019 kaynağından uyarlanmıştır)

Ultrasonik Sentez Yoluyla Pentanal Türevi Asetal Esterleri

Kurniawan’ın araştırma ekibi, yeşil kimya ilkelerini uygulayan sonokimyasal yöntemle üç pentanal türevi asetal esteri sentezledi. Sonikasyon, iki kimyasal aşamayı desteklemek için kullanıldı:

1. 9,10-dihidroksioktadekanoik asidin esterifikasyonu
2. Alkil 9,10-dihidroksioktadekanoatın asetalizasyonu

Alkil 9,10-dihidroksistearat esterlerini üretmek için iki aşama gereklidir ve %67–85 verim elde edilmiştir. Etkinliğin değerlendirilmesi için sonokimyasal yöntem, geleneksel reflüks tekniği ile karşılaştırıldı. Ayrıca, çeşitli katalizörlerin etkisini ve etkinliğini belirlemek için homojen ve katı asit katalizörleri, yani sülfürik asit (H2SO4), doğal bentonit ve H-bentonit kullanıldı. Asidin H-bentonit ile katalizlenen sonokimyasal esterifikasyonunun, reflüks yöntemine göre 3 kat daha kısa reaksiyon süresinde %70’e kadar verimle ürün verdiği tespit edildi; bu dikkat çekicidir. Ultrasonikasyon kullanılarak H-bentonit varlığında n-pentanal ile gerçekleştirilen son asetalizasyon aşaması, geleneksel yöntemden daha yüksek olan %69–85 verimle üç pentanal türevi dioksolan türevi verdi. Ultrasonik sentez yalnızca 10–30min gerektirdiğinden, reflüks yöntemi sonokimyasal yöntemden daha uzun bir reaksiyon süresi gerektirdi. Sonikasyon altında reaksiyon süresinin önemli ölçüde kısalmasına ek olarak, sonokimyasal yöntem kullanılarak her bir esterde dikkat çekici bir verim elde edildi.
Araştırmacı ayrıca sonokimyasal reaksiyonun enerji gereksinimlerinin geleneksel yönteminkinden yaklaşık 62 kat daha düşük olduğunu hesapladı. Bu, maliyetleri azaltır ve çevre dostudur.
Her bir ürünün fizikokimyasal özelliklerinin incelenmesi, metil 8-(2-bütil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoatın, yaygın yağlayıcıların yerini alabilecek işlevlere sahip potansiyel yeni bir biyoyağlayıcı olduğunu ortaya koydu. (bkz. Kurniawan et al., 2021)

Ultrason Kullanılarak Pentaeritril Esterlerinin Transesterifikasyonu

Pentaeritril esterleri, ayçiçeği, keten tohumu ve jatrofa yağı gibi bitkisel yağlardan elde edilebilir. Hashem’in araştırma ekibi, iki transesterifikasyon aşaması içeren ardışık baz katalizli transesterifikasyonlar yoluyla biyobazlı yağlayıcıların sentezini gösterdi. Ayçiçeği, keten tohumu ve jatrofa yağı kullanarak sentezin uygulanabilirliğini gösterdiler. İlk aşamada yağlar, karşılık gelen metil esterlere dönüştürüldü. İkinci süreçte metil esterler, aşağıdaki şemada gösterildiği gibi pentaeritritolün etkisiyle pentaeritril esterlerine dönüştürüldü: (bkz. Hashem et al., 2013)

Bitkisel yağın metil estere transesterifikasyonundan sonra metil esterler, yukarıdaki şemada gösterildiği gibi pentaeritritolün etkisiyle pentaeritril esterlerine dönüştürülür.
(bkz. Hashem et al., 2013)

Ultrasonikasyonun transesterifikasyon reaksiyonunu önemli ölçüde geliştiren etkileri bilimsel olarak kanıtlanmıştır ve onlarca yıldır endüstride uygulanmaktadır. Ultrasonik olarak geliştirilmiş transesterifikasyonun en belirgin örneği, sıvı ve katı yağların biyodizel olarak bilinen yağ asidi metil esterine (FAME) dönüştürülmesidir.
(Atık) sıvı ve katı yağların biyodizele ultrason destekli transesterifikasyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!

Transesterifikasyon ve Diğer Kimyasal Sentezler için Ultrasonik Problar ve Reaktörler

Hielscher Ultrasonics, sonokimyasal reaksiyonlar için gelişmiş, yüksek performanslı sonikatörler konusunda uzmanınızdır. Hielscher, yüksek güçlü sonikatörler ve her boyutta prob (sonotrot), reaktör ve akış hücresi gibi aksesuarlar tasarlar, üretir ve dağıtır; hem kimya laboratuvarlarına hem de endüstriyel ölçekteki kimyasal üretim tesislerine tedarik sağlar. Kompakt laboratuvar tipi ultrasonik cihazlardan endüstriyel ultrasonik problara ve reaktörlere kadar Hielscher, prosesiniz için ideal ultrasonik sisteme sahiptir. Sonokataliz ve sonosentez gibi uygulamalarda uzun yıllara dayanan deneyime sahip, iyi eğitimli personelimiz, gereksinimleriniz için en uygun kurulumu önerecektir.
Hielscher Ultrasonics, çok yüksek dayanıklılığa sahip ve yoğun ultrason dalgaları üretebilen yüksek performanslı ultrasonik sistemler üretir; çünkü tüm Hielscher endüstriyel sonikatörleri sürekli çalışmada (24/7) çok yüksek genlikler sağlayabilir. Sağlam ultrason sistemleri neredeyse hiç bakım gerektirmez ve çalışmak üzere üretilmiştir. Bu, Hielscher ultrasonik ekipmanlarını zorlu koşullardaki ağır hizmet uygulamaları için güvenilir kılar. Yüksek sıcaklıklar veya çok zorlu kimyasal ortamlar için özel sonotrotlar da mevcuttur.
En Yüksek Kalite – Almanya’da Tasarlanmış ve Üretilmiştir: Tüm ekipmanlar Almanya’daki merkezimizde tasarlanır ve üretilir. Müşteriye teslim edilmeden önce her ultrasonik cihaz, tam yük altında dikkatle test edilir. Müşteri memnuniyeti için çaba gösteririz ve üretimimiz, en yüksek kalite güvencesini (ör. ISO sertifikasyonu) karşılayacak şekilde yapılandırılmıştır.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: